CHỦ ĐỀ 2. SÓNG. BÀI 3. GIAO THOA SÓNG
Ảnh
Ảnh
Trang bìa
Trang bìa
CHỦ ĐỀ 2. SÓNG. BÀI 3. GIAO THOA SÓNG
Học xong bài học này, bạn có thể • Thực hiện (hoặc mô tả) được thí nghiệm chứng minh sự giao thoa hai sóng kết hợp bằng dụng cụ thực hành sử dụng sóng nước (hoặc sóng ánh sáng). • Phân tích, đánh giá kết quả thu được từ thí nghiệm, nêu được các điều kiện cần thiết để quan sát được hệ vân giao thoa. • Vận dụng được biểu thức i = λD/a cho giao thoa ánh sáng qua hai khe hẹp.
Khởi động
Khởi động
Khởi động: Một quả cầu chạm nhẹ mặt nước thì khi quả cầu dao động, mỗi điểm trên mặt nước sẽ dao động khi nhận được sóng truyền đến (Hình 3.1a)
Ảnh
Nhưng khi cho hai quả cầu chạm mặt nước và dao động đồng thời thì lại có những điểm đứng yên dù nhận được sóng từ hai nguồn truyền đến (Hình 3.1b). Tại sao có những điểm đứng yên đó.
I. SỰ GIAO THOA CỦA HAI SÓNG MẶT NƯỚC
1. Sự tạo thành vẫn giao thoa
Giả sử A và B là hai nguồn dao động cùng phương, cùng tần số và cùng pha. Sóng do hai nguồn tạo ra cùng truyền đến điểm M ở cách đó các khoảng lần lượt là x1 và x2 (Hình 3.2).
Ảnh
+ Định nghĩa 1
Khi hai sóng đến điểm M đồng pha thì dao động tại đó có biên độ lớn nhất, M dao động mạnh nhất (Hình 3.3). Những điểm dao động với biên độ lớn nhất là những điểm mà hiệu đường đi của sóng từ hai nguồn đến đó là: x2-x1=kλ (k là số nguyên) (3.1)
Ảnh
+ Định nghĩa 2
- Khi hai sóng đến điểm M ngược pha thì biên độ dao động tại M là nhỏ nhất, M dao động yếu nhất, thậm chí triệt tiêu dao động nếu hai sóng có cùng biên độ (Hình 3.4). Những điểm dao động với biên độ nhỏ nhất là những điểm mà hiệu đường đi của sóng từ hai nguồn đến đó là x2-x1=(k+1/2)λ (k là số nguyên) (3.2) - Tập hợp các điểm dao động với biên độ lớn nhất hoặc dao động với biên độ nhỏ nhất tạo thành các đường xác định trong vùng giao nhau của hai sóng. Các đường này được gọi là hệ vân giao thoa của hai sóng.
Ảnh
+ Định nghĩa 3
- Vân giao thoa của hai sóng chỉ xuất hiện với hai sóng phát ra từ hai nguồn dao động cùng phương, cùng tần số và có độ lệch pha không đổi theo thời gian. Hai nguồn sóng như vậy là hai nguồn kết hợp. Hai sóng do hai nguồn kết hợp tạo ra là hai sóng kết hợp. - Hiện tượng hai sóng kết hợp, khi gặp nhau tại những điểm xác định, luôn luôn hoặc làm tăng cường, hoặc làm yếu nhau được gọi là hiện tượng giao thoa của sóng.
+ Luyện tập 1
Luyện tập 1 : Điểm M nằm cách đều hai nguồn sóng cùng tần số 90 Hz thì có thuộc hệ vân giao thoa của hai sóng đó không?
2. Thí nghiệm kiểm tra
+ Thí nghiệm
Có thể chứng minh sự giao thoa của hai sóng mặt nước và xác định điều kiện cần thiết xảy ra hiện tượng giao thoa bằng thí nghiệm sau đây. Dụng cụ Hai quả cầu nhỏ gắn với cần rung của máy phát tần số, khay chứa nước có đầy trong suốt, đèn, gương phẳng, màn chiếu. Tiến hành – Hai quả cầu nhỏ được đặt tiếp xúc với hai điểm trên mặt nước chứa trong khay. – Lắp đặt đèn và gương phẳng sao cho ánh sáng chiếu qua khay nước được gương phẳng chiếu hắt lên màn (Hình 3.5).
+ Thí nghiệm
– Bật máy phát âm tần cho cần rung hoạt động, vị trí mặt nước tiếp xúc với hai quả cầu trở thành hai nguồn sóng cùng tần số. – Vẽ lại hình ảnh các vòng sóng nước quan sát thấy trên màn, ta thu được Hình 3.6. Xác định bước sóng do hai nguồn phát ra. – Đánh dấu các điểm giao nhau giữa gợn lõm của sóng từ nguồn 1 với gợn lỗi của sóng từ nguồn 2. Xác định khoảng cách từ hai nguồn đến mỗi điểm này của đường k=0 (Hình 3.6) và đối chiếu với công thức (3.2). Thực hiện tương tự với các điểm đứng yên khác. Nối những điểm thỏa mãn công thức (3.2) với cùng giá trị k để thu được đường biểu diễn các văn giao thoa cực tiểu.
+ Thí nghiệm
– Thay đổi tần số của một trong hai nguồn dao động bằng cách ngắt một quả cầu khỏi cần rung và dùng tay lắc cho dao động rồi quan sát hình ảnh mặt nước thu được trên màn sẽ không còn thấy các điểm dao động cực đại và cực tiểu nằm trên các đường xác định nữa.
Ảnh
+ Kết luận
=> Như vậy, chỉ khi sóng xuất phát từ hai nguồn kết hợp, ta mới có thể thấy được hệ vân giao thoa trên mặt nước như đã dự đoán. => Điều kiện để có hiện tượng giao thoa sóng là hai sóng phải xuất phát từ hai nguồn dao động có cùng tần số, cùng phương dao động và có độ lệch pha không đổi theo thời gian. Hiện tượng giao thoa là hiện tượng đặc trưng của sóng
+ Câu hỏi 1
Câu hỏi 1: Biết bước sóng là khoảng cách giữa đỉnh hai gợn lồi hoặc đỉnh hai gợn lõm liên tiếp trên cùng một phương truyền sóng. Hãy nêu cách xác định bước sóng do hai nguồn phát ra trên hình 3.6.
+ Câu hỏi 2
Câu hỏi 2: Dùng bút chì vẽ đường nối các điểm giao nhau giữa các gợn lồi hoặc của các gợn lõm của hai nguồn sóng trên Hình 3.6 và đối chiếu kết quả với công thức (3.1).
II. GIAO THOA ÁNH SÁNG
+ Định nghĩa 1
- Kết quả giao thoa của hai sóng kết hợp cũng thu được trong thí nghiệm với ánh sáng và là minh chứng quan trọng giúp khẳng định ánh sáng là sóng. Sơ đồ thí nghiệm được bố trí như Hình 3.7. - Nguồn laser S0 chiếu sáng đồng thời hai khe hẹp S1 và S2. Hai khe này trở thành hai nguồn sáng kết hợp, cho hai chùm sáng tới màn E. Tại vùng giao của hai chùm sáng trên màn E, ta thu được các vạch sáng, tối xen kẽ và cách đều nhau. Các vạch này được gọi là vân giao thoa của hai sóng ánh sáng từ S1 và S2. Vạch sáng được gọi là vân sáng, vùng tối giữa hai vạch sáng liên tiếp được gọi là vận tối. - Tại điểm trên màn E và cách đều hai khe S1, S2 thu được vạch sáng. Vạch này được gọi là vân sáng trung tâm. Khoảng cách giữa tâm hai vân sáng hoặc hai vân tối liên tiếp thì bằng nhau và được gọi là khoảng vân, kí hiệu là i.
+ Định nghĩa 2
- Trong các thí nghiệm tương tự, với a là khoảng cách giữa hai khe S1, S2 và D là khoảng cách từ trung điểm hai nguồn sáng đến màn E thì khoảng vẫn i phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng giao thoa theo công thức: i=λD/a
Ảnh
- Như vậy, khoảng cách từ vẫn sáng thứ k đến vân sáng trung tâm được tính bằng: x = ki và khoảng cách từ vận tối thứ k đến vân sáng trung tâm được tính bằng: xt=(k-1/2)i
+ Định nghĩa 3
Thực hiện thí nghiệm giao thoa Young với các ánh sáng màu khác nhau, ta đo được bước sóng của các ảnh sáng trong vùng nhìn thấy có giá trị từ 0,38 μm (ánh sáng tím) đến khoảng 0,76 μm (ánh sáng đỏ). Nếu dùng nguồn phát ánh sáng trắng tại S0 thì trên màn quan sát, ta sẽ thấy vạch sáng trắng ở chính giữa, hai bên vạch này có những dải màu như cầu vồng (Hình 3.9). Dải màu liên tục từ vạch sáng tim thứ nhất đến vạch sáng đỏ thứ nhất từ vân trung tâm được gọi là quang phổ bậc 1. Tương tự như vậy với các quang phổ bậc 2, bậc 3,..
Ảnh
+ Câu hỏi 3
Câu hỏi 3: Quan sát hình ảnh mặt nước thu được trên màn khi thay đổi tần số dao động của một quả cầu thì không còn thấy các điểm dao động cực đại và cực tiểu nằm trên các đường xác định nữa. Vậy điều kiện để quan sát được hệ vân giao thoa là gì?
+ Luyện tập 2
Luyện tập 2: Trong một thí nghiệm giao thoa ánh sáng với khe Young, người ta được khoảng cách đo từ vân trung tâm đến vân sáng thứ mười là 4,0 mm. Ở vị trí cách vân trung tâm 1,0 mm sẽ là vân sáng hay tối?
+ Vận dụng
Vận dụng: Nêu phương án xác định bước sóng ánh sáng bằng thí nghiệm giao thoa với khe Young.
+ Tìm hiểu thêm
Tìm hiểu thêm: Trong giao thoa ánh sáng trắng, ngoài vân trung tâm có màu trắng, còn có các vân sáng màu trắng khác do sự chồng lấn của các quang phổ bậc khác nhau. Hãy tìm hiểu để nêu cách xác định vị trí của vân sáng màu trắng gần vân trung tâm nhất.
DẶN DÒ
Mục 8
DẶN DÒ
+ Đọc lại các kiến thức vừa học. + Ôn thêm bài tập trong sách bài tập. + Chuẩn bị truớc bài 4
Cảm ơn
Cảm ơn các bạn đã tập trung nghe bài giảng