Sáng kiến kinh nghiệm THPT: Xây dựng hệ thống bài tập tán sắc và giao thoa ánh sáng

Chia sẻ: Chubongungoc | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:84

Thêm vào BST

Báo xấu

36
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của sáng kiến kinh nghiệm là chứng minh làm rõ một số vấn đề lí thuyết về giao thoa với bản mỏng và nêm không khí (vấn đề SGK chưa đề cập đến nhưng các bài tập nâng cao thì phải sử dụng đến phần lí thuyết này); Biên soạn hệ thống bài tập về tán sắc và giao thoa ánh sáng một cách khoa học, đầy đủ, bao chùm được tất cả các kiến thức và có hình vẽ minh họa cho mỗi bài.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Sáng kiến kinh nghiệm THPT: Xây dựng hệ thống bài tập tán sắc và giao thoa ánh sáng

Së gi¸o dôc vµ ®µo t¹o NINH B×NH Trêng THPT CHUY£N L¦¥NG V¡N TôY ------ ----- S¸NG KIÕN XÂY DỰNG HỆ THỐNG BÀI TẬP TÁN SẮC VÀ GIAO THOA ÁNH SÁNG (DÙNG CHO HỌC SINH CHUYÊN LÝ VÀ BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI) TÁC GIẢ: Th.S NGUYỄN THỊ PHƯƠNG DUNG TỔ VẬT LÍ – TRƯỜNG THPT CHUYÊN LƯƠNG VĂN TỤY Ninh B×nh, th¸ng 9 n¨m 2017
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ĐƠN YÊU CẦU CÔNG NHẬN SÁNG KIẾN Kính gửi: HỘI ĐỒNG SÁNG KIẾN CẤP TỈNH Tôi ghi tên dưới đây: TT Họ và tên Ngày Nơi công tác Chức Trình độ Tỷ lệ (%) đóng tháng năm vụ chuyên môn góp vào việc tạo sinh ra sáng kiến THPTchuyên 1 Nguyễn Thị Phương Dung 16/1/1983 Lương Văn Tổ phó Thạc sĩ 100% Tụy I. Tên sáng kiến, lĩnh vực áp dụng: XÂY DỰNG HỆ THỐNG BÀI TẬP TÁN SẮC VÀ GIAO THOA ÁNH SÁNG (DÙNG CHO HỌC SINH CHUYÊN LÝ VÀ BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI) Lĩnh vực áp dụng: Dạy và học môn Vật lý (dùng cho học sinh chuyên Lý và bồi dưỡng học sinh giỏi) II. Nội dung sáng kiến 1. Giải pháp cũ thường làm a) Mô tả giải pháp cũ Hiện tượng tán sắc ánh sáng bắt đầu được đưa vào từ chương trình vật lý lớp 9, nhưng học sinh được học sâu hơn cùng với kiến thức về giao thoa ánh sáng trong chương Sóng ánh sáng của Vật lí lớp 12.
• Trong các sách giáo khoa, thậm chí cả trong tài liệu giáo khoa chuyên Lý và sách bài tập Vật lí, lý thuyết và bài tập về tán sắc và giao thoa ánh sáng chưa nhiểu, chưa sâu, mới dừng lại ở mức độ giới thiệu phục vụ ôn luyện thi đại học (chỉ giao thoa với khe Y-âng), ít kiến thức được vận dụng. Trong khi đây là nội dung có trong các đề thi HSG cấp tỉnh, cấp Quốc gia và cả các đề thi khu vực và quốc tế. Trong các tài liệu tham khảo môn vật lý THPT hiện nay, những bài tập nâng cao về tán sắc và giao thoa ánh sáng cũng chỉ rời rạc, vụn vặt, chưa có tài liệu nào xây dựng hệ thống bài tập này một cách đầy đủ. • Bài tập vật lý liên quan tới tán sắc và giao thoa ánh sáng trong các đề thi học sinh giỏi cấp tỉnh, cấp khu vực, cấp Quốc gia thường đa dạng và khó. Để có tài liệu dạy đội tuyển, giáo viên thường phải dày công tìm tòi từ nhiều nguồn tư liệu. • Nhiều bài tập về tán sắc và giao thoa ánh sáng trong sách giáo khoa và sách bài tập vật lí ở cả hai chương trình cơ bản và nâng cao đều không có hình vẽ minh họa. Trong các tài liệu tham khảo, hình vẽ minh họa cũng rất ít. b) Nhược điểm của giải pháp cũ • Mảng kiến thức và bài tập Vật lí hiện đại nói chung trong đó có bài tập về tính chất sóng của ánh sáng ngày càng được đưa vào nhiều trong các đề thi HSG các cấp. Để giải được các dạng bài tập này, học sinh cần hiểu được sâu sắc lý thuyết về sóng ánh sáng, cần được rèn luyện làm bài tập về sóng ánh sáng đầy đủ và sâu hơn. Nhưng sách bài tập giáo khoa và các sách bồi dưỡng học sinh giỏi hiện hành chưa đáp ứng được yêu cầu này. • Nhiều năm qua việc ôn luyện và giải các bài tập về tán sắc và giao thoa ánh sáng của học sinh chuyên và học sinh trong các đội tuyển ôn thi HSG thường là các bài toán đơn lẻ không mang tính khái quát và đầy đủ. Bởi bài tập nâng cao phần này nằm rải rác ở các sách tham khảo khác nhau chứ chưa có một hệ thống chỉnh thể đầy đủ các dạng để học sinh tự đọc tự học được.  Đối với giáo viên, khi tham gia bồi dưỡng HSG phần này bắt buộc phải tham khảo rất nhiều tài liệu từ nhiều phương tiện, phải tự mày mò, chắt lọc bài tập ở các tài liệu khác nhau và sắp xếp theo kinh nghiệm của bản thân để dạy cho học sinh, nhất là HSG quốc gia, do đó mất rất nhiều thời gian và công sức, tốn kém nhiều tiền bạc. • Do bài tập thiếu tính hệ thống còn học sinh chưa đủ kĩ năng và kinh nghiệm để hệ thống và phân loại kiến thức nên các em khó có thể hiểu được một cách bao quát, đầy đủ các dạng bài tập về tán sắc và giao thoa ánh sáng.
• Bài tập về sóng ánh sáng là một trong các dạng bài khó và trừu tượng đối với học sinh THPT, thiếu hình minh họa trong các đề bài tập càng làm các em khó hình dung hiện tượng, gây cảm giác ngại làm bài tập, lười suy nghĩ cho HS, nhất là đối với các học sinh kém tư duy trừu tượng. 2. Giải pháp mới cải tiến Tính mới của giải pháp là:  Chứng minh làm rõ một số vấn đề lí thuyết về giao thoa với bản mỏng và nêm không khí (vấn đề SGK chưa đề cập đến nhưng các bài tập nâng cao thì phải sử dụng đến phần lí thuyết này)  Biên soạn hệ thống bài tập về tán sắc và giao thoa ánh sáng một cách khoa học, đầy đủ, bao chùm được tất cả các kiến thức và có hình vẽ minh họa cho mỗi bài. - Tác giả sử dụng phương pháp bản đồ tư duy để hệ thống kiến thức và phân loại bài tập. Do đó hệ thống bài tập về tán sắc và giao thoa ánh sáng được xây dựng là rất logic, đa dạng, phong phú, thể hiện kiến thức bao chùm từ cơ bản đến phức tạp, từ dễ đến khó, phù hợp với trình độ nhận thức của học sinh, có thể dành cho nhiều đối tượng học sinh mới học đến những học sinh dự thi HSG quốc gia. - Hệ thống bài tập lựa chọn đưa vào trong đề tài là bài tập tính toán, được phân loại theo mức độ nhận thức: từ bài tập dành cho HS chuyên Lý mới học, đến bài tập nâng cao dành cho học sinh khá, giỏi; bài tập hay và khó dành cho học sinh giỏi ôn luyện thi học sinh giỏi Quốc gia, quốc tế. - Mỗi chủ đề đều có những bài tập điển hình được chọn làm ví dụ để hướng dẫn học sinh phương pháp tư tuy, phân tích hiện tượng. Từ đó giúp HS hiểu được phương pháp làm các bài tập khác. Đây là tính sáng tạo hiệu quả của đề tài. • Vật lí là môn khoa học của thực nghiệm và các hiện tượng tự nhiên. Muốn giải tốt các bài toán Vật lí, đòi hỏi người học phải hiểu và phân tích đúng hiện tượng bài ra. Hình vẽ minh họa cho đề bài cũng như hình vẽ chi tiết cho lời giải là một cách mô tả hiệu quả nhất cho hiện tượng và nội dung của đề bài; nó có sức thuyết phục lôi cuốn người đọc và làm cho người đọc dễ hiểu đề bài hơn rất nhiều lời giải thích. Hiểu được tầm quan trọng đó, các tác giả đã rất cố gắng để vẽ các hình minh họa kèm theo mỗi bài tập. Các hình vẽ có mầu sắc sinh động giúp người đọc cảm nhận sự tươi mới, nhẹ nhàng, tạo hứng thú, bớt sự căng thẳng khi gặp bài khó.
• Đề tài sáng kiến này được tác giả biên soạn và giới thiệu 65 bài tập bao chùm toàn bộ kiến thức nâng cao về tán sắc và giao thoa ánh sáng. Trong đó có 50 bài tập điển hình được chọn làm ví dụ, đều có lời giải rõ ràng, phân tích chi tiết để có thể sử dụng sử dụng tài liệu làm giáo trình giảng dạy, giáo trình tự học, tự nghiên cứu và 15 bài tập tự giải dành cho học sinh tự ôn luyện. III. Hiệu quả kinh tế và xã hội đạt được 1. Hiệu quả kinh tế: a) Đánh giá lợi ích thu được: Nội dung sáng kiến là tài liệu tham khảo hữu ích cho giáo viên, học sinh khi nghiên cứu Vật lý. Giúp cho việc học tập phần Quang học sóng môn Vật lí được dễ dàng, hiệu quả; không cần mất thời gian, sức lực, trí óc để tìm và tổng hợp kiến thức. Giúp học sinh rèn kỹ năng tự học tự nghiên cứu, có khái niệm cơ bản về tính chất sóng ánh sáng. Rút ngắn khoảng cách giữa chương trình Vật lí phổ thông chuyên hiện nay với nội dung thi môn Vật lí trong các kỳ thi học sinh giỏi quốc gia, quốc tế. Nếu phổ biến đề tài này, những giáo viên và học sinh cần nghiên cứu về tính chất sóng ánh sáng, cần sưu tập hệ thống bài tập về sóng ánh sáng đầy đủ các chuyên đề từ cơ bản đến nâng cao bồi dưỡng HSG, sẽ không mất chi phí mua sách hoặc download những tài liệu cần bản quyền. b) Ước tính:  Chi phí in và đóng bìa 1 cuốn tài liệu (100 trang A4) là 30.000 đồng.  Chi phí mua các giáo trình để có nội dung kiến thức về phần này là 260.000 đồng (gồm giáo trình Quang học- Tác giả Đặng Thị Mai- NXB GD, giá bìa 17.000 đồng; giáo trình Vật lí đại cương các nguyên lí và ứng dụng) - Tác giả Trần Ngọc Hợi - Phạm Văn Thiều, giá bìa 101.000 đồng; Bài tập vật lí nâng cao THPT- tập 5, Tác giả Ngô Quốc Quýnh, giá bìa 25.000 đồng; giáo trình Bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí THPT- tác giả Vũ Thanh Khiết, giá bìa 45.000đồng; Giáo trình Bồi dưỡng HSG Vật lí THPT Quang học 2- tác giả Vũ Quang, giá bìa 25.000; Giáo trình Quang học1 - sách hợp tác Pháp, NXB GD, giá bìa 47.000). Như vậy chi phí tiết kiệm được cho mỗi học sinh là: 290.000 đồng.
Tài liệu sử dụng cho các học sinh và giáo viên chuyên Lý. Nếu tất cả giáo viên chuyên và học sinh chuyên cả nước đều sử dụng thì dự kiến chi phí tiết kiệm được cho mỗi khóa học sẽ là: + 290.000 x 40 (học sinh + giáo viên) x 64 tỉnh = 742,4 triệu đồng/khóa học. + Có thể sử dụng đề tài để giảng dạy ở trường THPT chuyên, mà không mất chi phí bản quyền cho người viết giáo trình. 3. Hiệu quả xã hội: Đề tài sáng kiến này đã được tác giả triển khai thực nghiệm từ năm học 2013 - 2014 cho lớp chuyên Lý và Đội tuyển HSG Quốc gia của trường THPT chuyên Lương Văn Tụy. Hiệu quả mà sáng kiến này cùng với các chuyên đề kiến thức khác nữa mang lại về mặt giáo dục, xã hội trước hết là kết quả thi đại học, thi HSG các cấp của HS. Trước khi thực hiện đề tài, các kết quả thi cũng tương đối cao, nhưng từ khi thực hiện đề tài các kết quả thi là vượt trội hơn rất nhiều, cụ thể như sau: 2.1. Kết quả thi HSG a. Thi HSG lớp 12 cấp tỉnh (kết quả của lớp tác giả trực tiếp phụ trách giảng dạy) - Năm học 2013 – 2014: Lớp 11 chuyên lý dự thi lớp 12 đạt giải: 1 nhất, 5 nhì, 3 ba, 1 khuyến khích. - Năm học 2014 – 2015 Lớp 12 Lý đạt: 1 nhất, 4 nhì, 2 ba, 2 khuyến khích. - Năm học 2016 - 2017: lớp 11 Lý dự thi lớp 12 đạt: 1 nhất, 3 nhì, 4 ba, 4KK b. Thi HSG Khu vực Duyên Hải Đồng bằng Bắc Bộ (Kì thi dành cho HS lớp 10,11 chuyên Lý các trường chuyên; Nội dung phần sóng ánh sáng có trong chương trình thi của lớp 11) - Năm học 2013 – 2014: lớp 11 lý có 3/3 HS đạt: 1 HCB, 2 HCĐ. - Năm học 2016 – 2017: lớp 11 Lý có 3/3 HS đạt: 2 HCV và 1 HCB. c. Thi HSG quốc gia: Số lượng giải tăng đều trong ba năm thực nghiệm đề tài sáng kiến.
- Năm học 2014-2015: 2 giải ba - Năm học 2015-2016: 6/6 em đều đoạt giải với 1 nhì, 1 ba, 4 khuyến khích - Năm học 2016-2017: 6/6 em đoạt giải với 1 nhì, 1 ba, 4 khuyến khích. IV. Điều kiện và khả năng áp dụng Có thể áp dụng ngay tại các trường THPT chuyên đối với lớp chuyên Lý, Đội tuyển HSG Quốc gia; hoặc tại các trường THPT ở các lớp bồi dưỡng học sinh giỏi để dự thi cấp tỉnh. Sáng kiến đã tham dự Hội nghị khoa học các trường THPT chuyên khu vực Duyên hải và Đồng bằng bắc bộ năm 2016 tại Hòa Bình, được bạn bè đồng nghiệp trong khối các trường chuyên đánh giá cao, được xếp loại xuất sắc thứ 2 trong tổng số 36 đề tài của các trường dự thi và được in thành tài liệu tham khảo cho giáo viên dạy chuyên Lý các trường trong khu vực. Vì vậy khả năng áp dụng đề tài sáng kiến này vào thực tế là khả quan, dễ áp dụng, mang lại hiệu quả rõ rệt. Có thể tiếp tục mở rộng và phát triển tiếp trong những năm học sau. V. Những cá nhân và đơn vị đã áp dụng sáng kiến Trình độ Năm Chức Nội dung công việc TT Họ và tên Nơi công tác chuyên sinh danh hỗ trợ môn 1 Trần Văn Kiên 1974 Chuyên Lương Phó HT Thạc sĩ Giảng dạy chuyên Văn Tụy đề Quang học sóng 2 Nguyễn Văn Niệm 1954 Chuyên Lương Nguyễn Cử nhân Văn Tụy tổ trưởng 3 Bùi Khương Duy 1979 Chuyên Lương Tổ Thạc sĩ Giảng dạy chuyên Văn Tụy trưởng đề Quang học sóng 4 Đoàn Xuân Huỳnh 1981 Chuyên Lương Giáo Thạc sĩ Giảng dạy chuyên Văn Tụy viên đề Quang học sóng 5 Phạm Thu Hoài 1986 Chuyên Lương Giáo Cử nhân Giảng dạy chuyên Văn Tụy viên đề Quang học sóng Trần Thị Ngoan 1969 THPT Chu Văn Giáo Thạc sĩ Giảng dạy chuyên An - Hà Nội viên đề Quang học sóng
- Tập thể học sinh lớp chuyên Lý ( 2011-2014) và lớp chuyên Lý (khóa 2014-2017) trường THPT chuyên Lương Văn Tụy. - Đội tuyển quốc gia môn hóa từ các năm 2014 đến nay - Giáo viên và học sinh chuyên Lý các trường THPT chuyên của 64 Tỉnh thành trong cả nước như trường THPT chuyên Lê Quý Đôn (Đà Nẵng), Nguyễn Trãi (Hải Dương), THPT chuyên Lê Hồng Phong (Nam Định), THPT chuyên Bắc Ninh, THPT chuyên Bắc Giang, THPT chuyên Biên Hòa (Hà Nam), THPT chuyên Thái Bình (Thái Bình)… Tôi xin cam đoan mọi thông tin nêu trong đơn là trung thực, đúng sự thật và hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật. Ninh Bình, ngày 22 tháng 9 năm 2017 XÁC NHẬN CỦA LÃNH ĐẠO Người nộp đơn ĐƠN VỊ CƠ SỞ Nguyễn Thị Phương Dung
PHẦN PHỤ LỤC I. Bổ sung và làm rõ lý thuyết nâng cao phần tán sắc và giao thoa ánh sáng 1. Lý thuyết chung về sóng ánh sáng a) Quan điểm của Maxwell về sóng ánh sáng: - Ánh sáng là quá trình truyền sóng điện từ có bước sóng trong chân không từ 0,38 đến 0,76 - Trong quá trình truyền sóng ánh sáng, véc tơ cường độ điện trường luôn vuông góc với vec tơ cảm ứng từ và cùng vuông góc với phương truyền sóng ( - Biểu hiện của tính chất sóng của ánh sáng là tán sắc, giao thoa, nhiễu xạ… b) Phương trình sóng: Nguồn S phát ra ánh sáng có cường độ điện trường có phương trình: , Tại điểm M cách nguồn đoạn d, cường độ điện trường của ánh sáng có phương trình: = Trong đó v là vận tốc truyền sáng trong môi trường chiết suất n, , với c = 3.108 m/s là vận tốc truyền sáng trong chân không. Gọi là bước sóng trong chân không, thay vào trên ta có phương trình sóng tại M là: Đặt L = nd gọi là quang trình của tia sáng trên đoạn d. Vì quang trình giữa hai điểm A,B cách nhau d trong môi trường chiết suất n là đoạn đường ánh sáng truyền được trong chân không trong cùng khoảng thời gian t. Vậy phương trình sóng tại M có thể viết lại là:
c) Sự biến đổi pha của ánh sáng phản xạ, ánh sáng truyền qua so với ánh sáng tới tại mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt đồng tính. * Giả sử ta kh¶o s¸t c¸c chïm s¸ng song song vµ ®¬n s¾c. Ph¶i nãi ngay lµ, trong thùc tÕ kh«ng tån t¹i nh÷ng chïm s¸ng nh vËy. §©y chØ lµ sù lý tëng ho¸: chóng ta ®· thay chïm s¸ng thùc, ph©n k× yÕu víi ®é kh«ng ®¬n s¾c nhá b»ng chïm s¸ng ph¼ng ®¬n s¾c. (Tiªu chuÈn ®Ó kh¼ng ®Þnh sù ®óng ®¾n cña viÖc thay thÕ nµy lµ møc ®é trïng hîp cña tÝnh to¸n vµ thùc nghiÖm). Nh vËy, chóng ta sÏ xem chïm s¸ng lý tëng ®ã nh mét sãng ph¼ng ®¬n s¾c truyÒn, ch¼ng h¹n nh, theo ph¬ng cña trôc z. Gi¶ sö vect¬ cêng ®é ®iÖn trêng thuéc sãng nµy cã ph¬ng n»m trªn trôc x, khi ®ã sù phô thuéc cña h×nh chiÕu vµo to¹ ®é z vµ thêi gian t cã d¹ng: , trong ®ã lµ biªn ®é cña ®iÖn trêng; lµ tÇn sè vµ lµ bíc sãng cña ¸nh s¸ng. Tríc hÕt ta h·y x¸c ®Þnh xem mÆt ph¼ng cã pha kh«ng ®æi, tøc còng cã nghÜa lµ mÆt sãng, cã d¹ng nh thÕ nµo. §iÒu kiÖn kh«ng ®æi cña pha t¹i mét thêi ®iÓm t tuú ý ®îc viÕt díi d¹ng: víi A lµ h»ng sè. V× , vµ t cã gi¸ trÞ cè ®Þnh nªn quü tÝch c¸c ®iÓm cã pha kh«ng ®æi ®îc m« t¶ bëi ph¬ng tr×nh: . Do vËy, mÆt sãng cña mét sãng ph¼ng truyÒn däc theo mét trôc nµo ®ã lµ mét mÆt ph¼ng vu«ng gãc víi trôc ®ã. NÕu sau kho¶ng thêi mÆt sãng dÞch chuyÓn ®îc mét kho¶ng th× tõ ph¬ng tr×nh (*) ta suy ra: §iÒu nµy cã nghÜa lµ vËn tèc dÞch chuyÓn cña mÆt sãng, còng tøc lµ vËn tèc pha, b»ng: VËn tèc pha cña sãng lu«n lu«n cã híng vu«ng gãc víi mÆt sãng.
* Xét chùm sáng song song đơn sắc truyền từ môi trường có chiết suất n1 sang môi trường có chiết suất n2. Gọi cường độ điện trường của sóng tới, sóng phản xạ và sóng truyền qua lần lượt là: E1, E1' và E2. Theo chứng minh trên ta có các vecto cường độ điện trường này luôn vuông góc với phương truyền sóng, do đó chúng luôn cùng phương với nhau.Vecto cùng phương cùng chiều với và cùng ngược với vecto . Gọi R, T là hệ số phản xạ và hệ số truyền qua. Ta có R + T = 1 Lại có: E1' = R.E1 E2 = T.E1 Suy ra: (1) - Theo ĐLBT năng lượng: Năng lượng sóng tới = năng lượng sóng truyền qua + năng lượng sóng phản xạ Nên ta có: (2) Thay (1) vào (2), ta có: (3) - Lại có: Thay (3) vào (1) ta có: (4) * Nhận xét: + Thấy tỉ số (3) luôn lớn hơn 0, nên E1 và E2 luôn cùng pha nhau. Có nghĩa sóng tới và sóng truyền qua luôn cùng pha với nhau. + Từ biểu thức (4) thấy:
 Nếu thì cùng dấu với . Có nghĩa nếu ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường kém chiết quang hơn thì sóng tới và sóng phản xạ cùng pha nhau.  Nếu thì ngược dấu với . Có nghĩa nếu ánh sáng truyền từ môi trường kém chiết quang hơn sang môi trường chiết quang hơn thì sóng tới và sóng phản xạ ngược pha nhau. d) Sự mất nửa bước sóng của ánh sáng khi phản xạ trên bề mặt môi trường chiết quang mạnh hơn - Phương trình sóng tới: - Phương trình sóng phản xạ: , sóng phản xạ ngược pha với sóng tới trên mặt phân cách với môi trường chiết quang hơn. Biến đổi biểu thức sóng phản xạ ta có: Như vậy hiệu quang trình của hai sóng tới và sóng phản xạ là: Hay quang trình sóng phản xạ là: , gọi là sự mất nửa bước sóng so với sóng tới. 2. Lý thuyết về tán sắc ánh sáng qua lăng kính Công thức của lăng kính + Công thức tổng quát: - sini1 = n sinr1 - sini2 = n sinr2 - A = r1 + r2 - D = i1 + i2 – A +Trường hợp i và A nhỏ - i1 = nr1 i2 = nr2 D = (n – 1)A
+Góc lệch cực tiểu: Dmin +Công thức tính góc lệch cực tiểu:  Điều kiện để có phản xạ toàn phần: n1 > n2 i > igh với sinigh = Với ánh sáng trắng: 3. Lý thuyết về giao thoa ánh sáng: * Điều kiện để có giao thoa: Hai nguồn sáng phải là hai nguồn kết hợp gặp nhau. * Phân loại: Dựa vào điều kiện để quan sát được hiện tượng giao thoa, người ta phân thành hai loại: - Giao thoa không định xứ: là hiện tượng giao thoa gây bởi các nguồn sáng điểm hoặc các khe hẹp, kết quả là các vân giao thoa có thể quan sát được tại bất kì điểm nào trong trường giao thoa gọi là vân không định xứ. + Các hệ tạo ra hệ vân không định xứ là: Khe I-âng; lưỡng lăng kính Fre-nen; lưỡng thấu kính Bi-ê; lưỡng gương phẳng Fre-nen… - Giao thoa định xứ: + Được tạo bởi nguồn sáng rộng, khi đó các vân giao thoa chỉ quan sát được tại các điểm xác định nên gọi là vân định xứ. + Giao thoa định xứ xảy ra ở bản mỏng có độ dày không đổi hoặc thay đổi, màng xà phòng… Dưới đây ta cùng khảo sát chi tiết từng loại giao thoa. 3.1. Giao thoa không định xứ
a. Giao thoa ánh sáng qua khe I âng * Các công thức cơ bản: + Hiệu quang trình: + Khoảng cách giữa hai khe: a = S1S2 + Khoảng cách từ hai khe đến màn: D = IO + Vị trí vân sáng: + Vị trí vân tối: + Khoảng vân: i = Các trường hợp làm thay đổi hệ vân: * Đưa toàn bộ thí nghiệm vào chất lỏng chiết suất n: hệ vân bị co hẹp lại do bước sóng của ánh sáng trong chất lỏng đó bị giảm đi n lần nên khoảng vân cũng bị giảm đi n lần. Vì thế hệ co hẹp lại. * Dịch chuyển màn hứng theo hướng vuông góc với đường trung trực của hai khe Theo công thức tính khoảng vân: i = , Ta thấy: - Nếu dịch màn lại gần hai khe (D giảm): thì hệ vân bị co hẹp lại, các vân xít lại gần nhau hơn. - Nếu dịch màn ra xa hai khe (D tăng): Hệ vân được mở rộng, các vân giãn ra xa nhau hơn * Quay màn hứng quanh O một góc α:
- Kết quả: hệ vân giao thoa không đối xứng qua vân trung tâm O nữa. Trên một nửa màn phía gần hai khe, càng ra xa các vân càng sít lại gần nhau hơn, nửa còn lại, càng xa các vân càng dãn xa nhau hơn. - Chứng minh: - Xét điểm M bất kì, cách O đoạn x, ở phía gần hai khe hơn (như HV). Vì hai khe cách đều nguồn sáng S nên sóng thứ cấp phát ra từ hai khe cùng pha nhau. - Hiệu quang trình từ M đến hai khe: - Ta có: (1) (2) Từ (1) và (2), suy ra Vì Da, nên có thể coi Do vậy, ta có hiệu quang trình của điểm M là: - Giả sử M là cực đại (vân sáng), khi đó hiệu quang trình thỏa mãn điều kiện: , với k là số nguyên. Vậy vân sáng thứ k, có tọa độ: - Ta có: Khoảng cách vân sáng bậc 1 so với vân trung tâm: Khoảng cách vân sáng bậc 2 so với vân bậc 1: Nhận thấy: Tương tự có:
- Kết luận: Ở nửa màn gần hai khe thì càng ra xa vân trung tâm O, khoảng cách giữa hai vân sáng kề nhau càng giảm dần, các vân càng xít vào nhau hơn. - Chứng minh tương tự cho ta thấy trên nửa màn còn lại, càng ra xa O, các vân càng cách nhau xa hơn. * Dịch chuyển nguồn sáng S Giả sử dịch chuyển nguồn sáng S theo hướng song song với đường thẳng chứa hai khe một đoạn b nhỏ, đến vị trí S' (như HV). Gọi khoảng cách từ S đến trung điểm I của hai khe là d; khoảng cách từ hai khe đến màn là D; khoảng cách từ nguồn S' đến hai khe lần lượt là d1' và d2'; khoảng cách từ hai nguồn đến M là d1 và d2. * Khảo sát hệ vân giao thoa trên màn: Xét điểm M trên màn, cách vân trung tâm O cũ đoạn x. Theo CM trên ta có: Hiệu đường đi của tia sáng từ S' đến M là: Giả sử M là vân sáng bậc k, ta có: Suy ra: M là vân sáng trung tâm (O') khi và chỉ khi: k = 0, dó đó vị trí vân trung tâm O' có tọa độ: Dấu (-) chứng tỏ vân trung tâm O dịch chuyển ngược chiều với chiều dịch chuyển của nguồn sáng. Độ dịch chuyển của hệ vân bằng .
- Chứng minh tương tự cho ta thấy khoảng vân của hệ không đổi. - Kết luận: Như vậy khi dịch chuyển nguồn vuông góc với đường trung trực của hai khe, thì toàn bộ hệ vân dịch chuyển theo chiều ngược lại, nhưng khoảng cách giữa các vân không đổi. * Thay đổi bề rộng nguồn sáng S Giả sử nguồn sáng S có bề rộng 2b. Ta coi nguồn S là một dải sáng gồm nhiều điểm sáng liên tiếp nhau, mỗi điểm sáng nhỏ coi như một nguồn sáng điểm. Xét tâm sáng S0 cho vân trung tâm tại O ở chính giữa. Mép S' cho vân sáng trung tâm tại O' Mép S" cho vân sáng trung tâm tại O''. Có thể thấy rằng, khi đó bài toán trở về dạng bài tập nguồn dịch chuyển như mục 4 trên. Coi như nguồn điểm S0 dịch chuyển lên, xuống một đoạn b so với ban đầu. Khi đó, theo chứng minh trên ta có: và vậy bề rộng vùng vân trung tâm là: O'O'' = trong đó thấy 2b chính là bề rộng của nguồn sáng S. * Điều kiện để quan sát được hệ vân là: trong đó i là khoảng vân. có nghĩa Như vậy điều kiện để còn quan sát được giao thoa là bề rộng nguồn sáng S có giá trị lớn nhất có thể là: Lmax = * Độ dời của hệ vân do bản mỏng - Giả sử dùng một bản mặt song song chiết suất n, trong suốt, chắn đường truyền tia sáng phát ra từ
nguồn S1 như hình vẽ. - Khi đó, vân sáng trung tâm dịch chuyển từ vị trí ban đầu O đến vị trí mới O’ (x0 = OO’). - Gọi e là bề dầy của bản mặt song song. Thời gian ánh sáng tryền qua bản mặt là . (1) Cũng thời gian này ánh sáng truyền trong chân không một quãng đường e’ = c.t (2) Thay (1) vào (2) ta có: (n = c/v) + Bản mặt có tác dụng làm chậm sự truyền ánh sáng hoặc tương đương với sự kéo dài đường đi của tia sáng một đoạn : ∆e = e’ – e = e.(n - 1). Nếu có bản mặt đặt trước S1 ta có: d’1 = d1 + ∆e = d1 + e.(n - 1) (3) + Hiệu đường đi hay hiệu quang trình lúc này là: mà nên + Để O’ là vân sáng trung tâm thì Trong đó x0 là độ dịch chuyển của vân sáng trung tâm. Kết luận: Hệ vân dịch chuyển một đoạn x0 lên phía có bản mặt. b. Các thiết bị tạo giao thoa ánh sáng tương tự khe I-ang 1. Lưỡng gương phẳng Fre-nen. +; . Ta có: ( d = SO; là góc hợp bởi 2 gương)
+ Khoảng cách từ hai khe đến màn: D = HO + IO = d +IO + Bề rộng trường giao thoa: A1A2 = 2.IO 2. Lưỡng Lăng kính Frex-nen . + Khoảng cách giữa hai khe: a = S1S2 = 2(n-1).A.SI + Khoảng cách từ hai khe đến màn: D = IO + SI + Bề rộng trường giao thoa: A1A2 = IO.2(n-1).A + Góc lệch 3. Thấu kính Bi-ê. + Khoảng cách giữa hai khe: a = S1S2 = + Khoảng cách từ hai khe đến màn: D = S’I + Bề rộng trường giao thoa: A1A2 = 3.2. Giao thoa định xứ a. Giao thoa với bản mỏng có độ dày không đổi. Vân cùng độ nghiêng. - Xét bản mặt mỏng trong suốt có chiết suất n; hai mặt song song, bề dày không đổi bằng d đặt trong không khí. (ví dụ một vùng hẹp của váng dầu, váng mỡ, bong bóng xà phòng… có thể coi là bản mỏng có độ dày không đổi) - Dùng nguồn sáng rộng chiếu tới bản mỏng, coi các tia sáng song song với nhau, dưới cùng góc tới i. Mỗi tia tới bản mặt song song (ví dụ tia S1A) sẽ có: 1 phần phản xạ trên bề mặt bản (AR1) 1 phần khúc xạ rồi phản xạ lại ở mặt trong rồi ló ra mặt trên bản (ABCR2), một phần ló ra ngoài phía mặt dưới bản (BT1). Phần ló này cường độ yếu hơn so với tia phản xạ AR1.
* Khảo sát hiện tượng giao thoa: - Xét tia sáng đơn sắc phát ra từ nguồn S chiếu đến mặt nêm (tia số 1) (hình vẽ). Tia này khúc xạ, truyền vào bên trong nêm, phản xạ ở mặt dưới của nêm, trở lại mặt trên rồi đi ra ngoài không khí. - Tia thứ 2 chiếu đến mặt nêm tại C, gặp tia số 1 tại đó. Hai tia này là hai tia kết hợp nên chúng giao thoa với nhau. Tín hiệu về trạng thái giao thoa sẽ được truyền đến mắt theo một chùm tia rất hẹp 1,2. Vì vùng ta xét rất hẹp nên các tia tới 1,2 coi như song song với nhau vì thế hai tia đi vào mắt coi như trùng nhau, các vân giao thoa định xứ ở vô cực. * Tính hiệu quang trình giữa hai tia: Do ánh sáng phản xạ trên bề mặt môi trường có chiết suất lớn hơn nên quan trình mất nửa bước sóng. Do vậy Hiệu quang trình giữa hai tia là: (1) Với Theo ĐL khúc xạ ánh sáng có: Thay vào (1) và biến đổi, ta có: (*) Nhận xét: - Từ (*) thấy hiệu quang trình Δ chỉ phụ thuộc vào góc tới i tức là phụ thuộc vào góc nghiêng của chùm tới. Hệ vân được tạo bởi các tia sáng có cùng độ nghiêng, gọi là vân cùng độ nghiêng.