Sóng Ánh Sáng – Lý Thuyết và Các Dạng Bài Tập Có Lời Giải

Sóng ánh sáng là một trong những chủ đề quan trọng và cũng rất lý thú của bộ môn Vật lý. Dưới đây chúng tôi tổng hợp những nội dung qua trọng nhất của phần kiến thức về Sóng ánh sáng và bài tập tham khảo.

Sự tán sắc ánh sáng

Định Nghĩa

Tán sắc ánh sáng là sự phân tách một chùm ánh sáng phức tạp thành các chùm sáng đơn sắc khác nhau.

Giải thích: Do bản chất của ánh sáng là tập hợp của nhiều ánh sáng đơn sắc khác nhau, chiết suất qua lăng kính của mỗi ánh sáng đơn sắc khác nhau, nên góc lệch của chúng sau lăng kính cũng có sự khác nhau, từ đó mới có sự phân tách ánh sáng.

Ánh sáng đơn sắc , ánh sáng trắng

Ánh sáng đơn sắc:

Ánh sáng đơn sắc là loại ánh sáng khi qua lăng kính mà không bị tán sắc. Mỗi ánh sáng đơn sắc sẽ có một bước sóng xác định, và khi truyền qua các môi trường trong suốt khác nhau, tần số của ánh sáng đơn sắc không thay đổi.

Ánh sáng trắng:

  • Ngược lại với ánh sáng đơn sắc, ánh sáng trắng là tập hợp của vô số ánh sáng đơn sắc khác nhau, có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím. Dải màu chúng ta nhìn thấy trên cầu vồng (đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím) được gọi là phổ quang của ánh sáng trắng.
  • Chiết suất của các môi trường trong suốt biến thiên theo màu ánh sáng theo chiều tăng dần từ đỏ đến tím

Ứng dụng tán sắc ánh sáng

Có 2 ứng dụng tiêu biểu của tán sắc ánh sáng:

  • Hiện tượng cầu vồng xảy ra là do các tia sáng mặt trời đã bị tán sắc, nghĩa là các tia sáng mặt trời đã bị khúc xạ và phản xạ qua trong các lăng kính – giọt nước trước khi đến mắt ta.
  • Máy quang phổ cho phép phân tách một chùm tia sáng đa sắc từ một vật sáng phát ra thành các tia sáng đơn sắc.

Giao thoa ánh sáng

Thí nghiệm Y-âng

Thí nghiệm Y-âng được thực hiện như sau:

Chiếu một ánh sáng từ đèn D qua kính lọc sắc K đến nguồn S, ánh sáng từ nguồn S này được chiếu đến hai khe hẹp S1 và S2, khi đó tại màn quan sát phía sau hai khe hẹp ta thu được một hệ đều đặn gồm các vân sáng, vân tối xen kẽ nhau. Và hiện tượng này được gọi là hiện tượng giao thoa ánh sáng.

Vị trí vân sáng, tối

Để xác định vị trí tại một điểm là vân sáng hay vân tối, chúng ta có công thức như sau:

Trong đó,

  • D là khoảng cách vuông góc từ nguồn S đến với mặt phẳng chứa hệ vân
  • a là khoảng cách giữa hai khe sáng S1 và S2

Khoảng vân

Khoảng vân được xác định như sau:

Ứng dụng

Dùng để đo bước sóng ánh sáng.

Nhiễu xạ ánh sáng

Nhiễu xạ ánh sáng là hiện tượng ánh sáng truyền sai lệch so với sự truyền thẳng của ánh sáng khi đi qua vật cản. Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng cũng chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng.

Quang phổ

Máy quang phổ

Đây là một ứng dụng tiêu biểu của sự tán sắc ánh sáng. Máy quang phổ là dụng cụ dùng để phân tách chùm ánh sáng thành các ánh sắc đơn sắc khác nhau.

Một máy quang phổ thường có cấu tạo từ 3 bộ phận chính gồm:

  • Ống chuẩn trực: là bộ phận tạo ra chùm sáng song song.
  • Hệ tán sắc: có nhiệm vụ phân tích chùm tia song song thành nhiều chùm tia đơn sắc song song.
  • Buồng ảnh: giúp quan sát hay chụp ảnh quang phổ.

Các loại quang phổ

Có 3 loại quang phổ đó là: quang phổ liên tục, quang phổ vạch phát xạ và quang phổ hấp thụ

  • Quang phổ liên tục: là một dài có màu liên tục từ đỏ đến tím, từ chất lỏng, rắn, khí có áp suất cao khi bị đun nóng phát ra. Quang phổ liên tục của các chất ở nhiệt độ giống nhau thì giống nhau, và thay đổi tùy vào nhiệt độ của chúng.
  • Quang phổ vạch phát xạ: là hệ các vạch sáng riêng lẻ được ngăn cách bởi một các khoảng tối. Loại quang phổ này phát ra từ chất khí có áp suất thấp khi bị kích thích bằng điện hoặc nhiệt. Các nguyên tố khác nhau có phổ vạch khác nhau về số lượng vạch, vị trí và độ sáng tỉ đối giữa các vạch, do đó mỗi nguyên tố hóa học sẽ có một quang phổ vạch đặc trưng.
  • Quang phổ hấp thụ: là hệ các vạch tối trên nền của quang phổ liên tục. Chất lỏng và chất rắn có quang phổ hấp thụ chứa các đám vạch, mỗi đám gồm nhiều vạch thấp thụ liên tục nối tiếp nhau. Ngược lại, quang phổ hấp thụ của chất khí chỉ chứa các vạch hấp thụ và đặc trưng cho chất khí đó.

Tia hồng ngoại – Tia tử ngoại – Tia X

Bản chất của tia hồng ngoại, tia tử ngoại và tia X đều là sóng điện từ, nhưng có bước sóng ánh sáng và tính chất, ứng dụng khác nhau.

Tia hồng ngoại - Tia tử ngoại - Tia X
Bảng phân chia bước sóng ánh sáng (Nguồn: Internet)

Tia hồng ngoại

Nguồn phát: từ các vật nhiệt độ cao hơn môi trường (> 0oK). Ví dụ: Bóng đèn dây tóc, bếp ga, bếp than,…

Tính chất của tia hồng ngoại:

  • Có tác dụng nhiệt.
  • Gây nên hiện tượng quang điện trong của chất bán dẫn.
  • Gây ra một số phản ứng hóa học.

Ứng dụng của tia hồng ngoại:

  • Dùng để sưởi ấm, sấy khô.
  • Dùng làm bộ phận điều khiển từ xa.
  • Chụp ảnh hồng ngoại.
  • Ứng dụng trong quân sự.

Tia tử ngoại

Nguồn phát: từ các vật có nhiệt độ cao hơn 2000 độ C. Ví dụ: đèn huỳnh quang, màn hình TV, đèn thủy ngân,…

Tính chất của tia tử ngoại:

  • Tia tử ngoại làm phát quang một số chất, làm ion hóa chất khí, có tác dụng sinh lí, hủy hoại tế bào và diệt khuẩn.
  • Có thể bị nước và thủy tinh hấp thụ.
  • Gây hiện tượng quang điện trong, ngoài.

Ứng dụng:

  • Dùng để tiệt trùng thực phẩm, dụng cụ y tế.
  • Chữa bệnh còi xương
  • Dùng tìm vết nứt trên bề mặt sản phẩm,.

Tia X

Nguồn phát: ống tia X, ống cu lít giơ, phản ứng hạt nhân

Tính chất của tia X:

  • Tia tử ngoại làm phát quang một số chất, làm ion hóa chất khí, có tác dụng sinh lí, hủy hoại tế bào và diệt khuẩn.
  • Gây hiện tượng quang điện trong, ngoài.
  • Khả năng đâm xuyên mạnh, tia X có bước sóng càng ngắn thì càng có tính đâm xuyên mạnh hay còn gọi là tia X cứng

Ứng dụng:

  • Chữa bệnh ung thư nông
  • Dùng chụp X quang chiếu điện
  • Chụp ảnh bên trong sản phẩm

Cách giải bài tập Tán sắc qua lăng kính

1. Phương pháp

+ Áp dụng các công thức của lăng kính:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

sini1 = nsinr1; sini2 = nsinr2;

A = r1 + r2; D = i2 + i2 – A.

Khi i1 = i2 (r1 = r2) thì D = Dmin với

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

+ Trường hợp góc chiết quang A và góc tới i1 đều nhỏ (≤ 100), ta có các công thức gần đúng: i1 = nr1; i2 = nr2; A = r1 + r2; D = (n – 1)A; Dmin = A(n – 1).

Trong một số trường hợp khác, ta cần giải một số bài toán liên quan đến định luật phản xạ: i = i’, định luật khúc xạ: n1sini1 = n2sini2.

2. Ví dụ

Ví dụ 1: Bước sóng của ánh sáng đỏ trong không khí là 0,64 μm . Tính bước sóng của ánh sáng đó trong nước biết chiết suất của nước đối với ánh sáng đỏ là 4/3 .

Hướng dẫn:

Ta có: Hóa học lớp 11 | Lý thuyết và Bài tập Hóa 10 có đáp án

Ví dụ 2: Một chùm ánh sáng hẹp, đơn sắc có bước sóng trong chân không là λ = 0,60 μm. Xác định chu kì, tần số của ánh sáng đó. Tính tốc độ và bước sóng của ánh sáng đó khi truyền trong thủy tinh có chiết suất n = 1,5.

Hướng dẫn:

Ta có

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Ví dụ 3: Một lăng kính có góc chiết quang là 60ο. Biết chiết suất của lăng kính đối với ánh sáng đỏ là 1,5. Chiếu tia sáng màu đỏ vào mặt bên của lăng kính với góc tới 60ο. Tính góc lệch của tia ló so với tia tới.

Ta có:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

⇒ r1 = 35,3ο ⇒ r2 = A – r1 = 24,7ο; sini2 = nsinr2 = 0,63 = sin38,0ο

⇒ i2 = 38,8ο ⇒ D = i2 + i2 – A = 38,8ο.

Ví dụ 4: Một lăng kính thủy tinh có góc chiết quang A = 4ο, đặt trong không khí. Chiết suất của lăng kính đối với ánh sáng đỏ và tím lần lượt là 1,643 và 1,685. Chiếu một chùm tia sáng song song, hẹp gồm hai bức xạ đỏ và tím vào mặt bên của lăng kính theo phương vuông góc với mặt này. Tính góc tạo bởi tia đỏ và tia tím sau khi ló ra khỏi mặt bên kia của lăng kính.

Hướng dẫn:

Với A và i1 nhỏ (≤ 100) ta có: D = (n – 1)A. Do đó: Dd = (nd = 1)A; Dt = (nt – 1)A. Góc tạo bởi tia ló đỏ và tia ló tím là: ΔD = Dt – Dd = (nt – nd)A = 0,168ο ≈ 10’.

Bài tập giao thoa ánh sáng có đáp án

Dưới đây là tổng hợp công thức và ví dụ cho các bài tập giao thoa ánh sáng có đáp án:

Dạng 1: Tính toán khoảng vân, xác định vân sáng, vân tối

Chú ý các đơn vị tính sau: bai-tap-giao-thoa-anh-sang-co-dap-an

VD1: Trong thí nghiệm Y-âng, cho a = 0.8mm, D = 1.2m. Biết rằng, từ vân sáng trung tâm tới vân tối thứ 5 cách nhau 1 khoảng 4.32mm. Hỏi bước sóng ánh sáng ở thí nghiệm trên là bao nhiêu?

bai-tap-giao-thoa-anh-sang-co-dap-an

Hướng dẫn:

Vị trí vân tối thứ 5 cách vân trung tâm 1 đoạn 4.5i

Suy ra i = 4.32/4.5 = 0.96 mm, dựa theo công thức liên hệ giữa khoảng vân và bước sóng ta có: bai-tap-giao-thoa-anh-sang-co-dap-an

Vậy chọn C.

VD2: Xét thí nghiệm giao thoa ánh sáng Y-âng, biết D = 2.4m. Khi sử dụng sóng ánh sáng có bước sóng bai-tap-giao-thoa-anh-sang-co-dap-an thì 15 vân sáng liên tiếp cách nhau 1 khoảng 3cm. Khi sử dụng sóng ánh sáng có bước 7-82 thì khoảng cách giữa 11 vân sáng liên tiếp cũng là 3cm. Vậy 7-82 bằng bao nhiêu?

bai-tap-giao-thoa-anh-sang-co-dap-an

Hướng dẫn:

Xét bức xạ đầu tiên bai-tap-giao-thoa-anh-sang-co-dap-an

Xét bức xạ thứ hai bai-tap-giao-thoa-anh-sang-co-dap-an

Suy ra bai-tap-giao-thoa-anh-sang-co-dap-an

Vậy chọn D.

Dạng 2: Tìm số lượng vân sáng tối trên miền xác định có độ dài L

Ta chú ý một số điều kiện sau:

– Nếu là trường giao thoa (trường giao thoa tính là toàn bộ vùng chứa vân giao thoa, tức là đối xứng qua vân trung tâm): Số vân sáng: Ns = 2[L/2i] + 1, số vân tối: Nt = 2[L/2i + 0.5], với [a] được hiểu là phần nguyên của a.

– Nếu miền bất kì, tạm gọi là MN. Sử dụng công thức sau:

bai-tap-giao-thoa-anh-sang-co-dap-an-3

VD1: Trong thí nghiệm giao thoa ánh sáng, Sử dụng ánh sáng đơn sắc chiếu sáng các khe hẹp. Khoảng vân là 1,2 mm. Xét hai điểm M và N trên màn ở cùng một phía so với vân sáng trung tâm, cách vân trung tâm lần lượt 2 mm và 4,5 mm, hỏi có bao nhiêu vân sáng, vân tối ở trên đoạn MN:

A.         2 vân sáng, 2 vân tối.

B.         4 vân sáng, 5 vân tối.

C.         5 vân sáng, 6 vân tối

D.         1 vân sáng, không có vân tối.

Hướng dẫn:

Xét tại M: km = xM/i = 1.7

Xét tại N:  kn = xN/i = 3.75

Mà bai-tap-giao-thoa-anh-sang-co-dap-an, k nguyên cho vân sáng, suy ra k = 2,3

bai-tap-giao-thoa-anh-sang-co-dap-an, k nguyên cho vân tối, suy ra k = 2,3

Vậy có 2 sáng, 2 tối, chọn A.

VD2: trong thí nghiệm Young về giao thoa ánh sáng, biết D = 2.5m, a =1mm, 14-5577069118. Bề rộng trường giao thoa là 12.5mm. Số vân quan sát được trên màn chắn là:

A.         12

B.         13

C.         17

D.         19

Hướng dẫn:

Khoảng vân bai-tap-giao-thoa-anh-sang-co-dap-an

Số vân sáng là: Ns = 2[L/2i] + 1 = 9

Số vân tối là Nt = 2[L/2i + 0.5] = 8

Vậy có 17 vân cả thảy, chọn C.

Dạng 3: Dịch chuyển nguồn sáng S, đặt thêm bản mỏng

Ta sử dụng công thức sau:

– Khi dịch chuyển nguồn sáng S một đoạn là y thì hiệu đường đi là: 18-40

Vân sáng khi bai-tap-giao-thoa-anh-sang-co-dap-an, vân tối khi bai-tap-giao-thoa-anh-sang-co-dap-an

Vị trí vân sáng trung tâm là: x0 = -Dy/d. Có thể nhận xét là vân trung tâm sẽ dịch chuyển ngược chiều so với vị trí dịch chuyển của nguồn S.

bai-tap-giao-thoa-anh-sang-co-dap-an-5

Hình 3: Bài toán dịch chuyển nguồn sáng S. 

– Khi đặt thêm bản mỏng có độ dày e trước 1 nguồn sáng như hình dưới, khi đó vân trung tâm sẽ dịch 1 đoạn:bai-tap-giao-thoa-anh-sang-co-dap-an, về phía được chắn bản mỏng. Chú ý rằng hiện tượng giao thoa sẽ vẫn xảy ra như thường.

bai-tap-giao-thoa-anh-sang-co-dap-an

Hình 4: Bài toán đặt bản mỏng. 

Ví dụ: Cho thí nghiệm giao thoa ánh sáng. Khe hẹp S phát ra ánh sáng đơn sắc có bước sóng bai-tap-giao-thoa-anh-sang-co-dap-an. Khoảng cách từ S đến màn chứa hai khe S1 và S2 là 60cm. Khoảng cách S1S= 0.3mm, D = 1.5m. Nguồn sáng S dịch chuyển một đoạn ngắn nhất theo phương song song với màn quan sát để vị trí vân sáng bậc 2 thành vân tối thứ 2?

Hướng dẫn:

Gọi x0 là độ dịch chuyển của vân sáng trung tâm, y là độ dịch chuyển của nguồn sáng.

Để thỏa đề thì x0 = 0.5i. Áp dụng công thức ở trên: |x0| = |Dy/d|

Suy ra y = 0.64 mm.

Nếu bạn có thắc mắc gì có thể để lại bình luận
5/5 - (3 votes)

Leave a Reply