Tài liệu Chuong 7.1 giao thoa anh sang

Chương 7 QUANG HỌC SÓNG 1 Nguyễn Xuân Thấu -BMVL HÀ NỘI 2016 CHƯƠNG 7. QUANG HỌC SÓNG NỘI DUNG CHÍNH 2 ♣ Cơ sở quang học sóng. ♣ Hiện tượng giao thoa của 2 sóng ánh sáng kết hợp. ♣ Hiện tượng giao thoa do phản xạ. ♣ Hiện tượng giao thoa gây bởi bản mỏng. ♣ Ứng dụng của giao thoa. ♣ Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng. ♣ Hiện tượng phân cực ánh sáng. 1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG Quang học: là môn học nghiên cứu về ánh sáng và sự tương tác của ánh sáng với các chất. Quang học cổ điển bao gồm quang học tia (quang hình học) và quang học sóng. Quang học tia: Nghiên cứu các hiện tượng ánh sáng dựa trên khái niệm “tia sáng”. Ví dụ: hiện tượng khúc xạ, phản xạ, tạo ảnh qua gương, lăng kính… Quang học sóng: Nghiên cứu các hiện tượng ánh sáng dựa trên khái niệm sóng ánh sáng. Ví dụ: Giao thoa, nhiễu xạ, phân cực, tán sắc… 3 1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 4 Các thuyết về bản chất của ánh sáng : ● Thuyết hạt của Newton (cuối thế kỉ 17) Ánh sáng là 1 chùm hạt ● Thuyết sóng của Huygens (cuối thế kỉ 17) Ánh sáng là sóng ● Đầu thế kỷ 19 Fresnel giải thích các hiện tượng quang học ● Thuyết điện từ của Maxwell (1865) Ánh sáng là sóng điện từ ● Thuyết photon của Einstein (1905) Ánh sáng có bản chất lượng tử (Max Planck) 1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.1. Các định luật cơ bản của quang hình học a) Định luật truyền thẳng ánh sáng: Trong môi trường trong suốt đồng tính và đẳng hướng ánh sáng truyền theo đường thẳng. 5 b) Định luật về tác dụng độc lập của các tia sáng: Tác dụng của các chùm sáng khác nhau thì độc lập với nhau, nghĩa là tác dụng của một chùm sáng này thì không phụ thuộc vào sự có mặt hay không của các chùm sáng khác. 1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.1. Các định luật cơ bản của quang hình học c) Hai định luật của Descartes. Khi một tia sáng tới mặt phân cách hai môi trường trong suốt, đồng tính và đẳng hướng thì bị tách làm hai: Tia phản xạ và tia khúc xạ, chúng tuân theo hai định luật: 6 * Định luật 1: Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới (mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến mặt phân cách) và góc tới bằng góc phản xạ:  i1  i1 * Định luật 2: Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và tỷ số giữa sin góc tới và sin góc khúc xạ là một số không đổi: sin i n 1 sin i 2  2 n1  n 21 1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.1. Các định luật cơ bản của quang hình học c) Hai định luật của Descartes. * Hiện tượng phản xạ toàn phần sin i1 n 2   n 21 sin i 2 n1 i1 i1 7 i2 i2 0 n1 sin i1max  n 2 sin 90  n 2  sin i1max n2   n 21 sin i1max  n 21 n1 1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.1. Các định luật cơ bản của quang hình học c) Hai định luật của Descartes. * Hiện tượng phản xạ toàn phần 8 1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.2. Những phát biểu tương đương của định luật Descartes Một số khái niệm: a) Quang lộ Quang lộ của tia sáng: Xét hai điểm A, B nằm trong môi trường đồng tính, chiết suất n, cách nhau một đoạn d. Quang lộ giữa hai điểm A và B là: L = c.t, trong đó t = d/v là thời gian để ánh sáng đi từ A đến B.  L = n.d 9 Quang lộ giữa 2 điểm AB là đoạn đường ánh sáng truyền được trong chân không trong khoảng thời gian t, trong đó t là khoảng thời gian mà ánh sáng đi được đoạn AB trong môi trường 1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.2. Những phát biểu tương đương của định luật Descartes Nếu ánh sáng truyền qua các môi trường khác nhau: L  nd L   n idi B L   n.ds A 10 1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.2. Những phát biểu tương đương của định luật Descartes b) Nguyên lý Fermat và định lý Malus 11  Nguyên lý Fermat: Giữa hai điểm A và B, ánh sáng sẽ truyền theo con đường nào mà quang lộ là cực trị.  Định lý Malus: Quang lộ của các tia sáng giữa hai mặt trực giao của một chùm sáng thì bằng nhau (mặt trực giao là mặt vuông góc với các tia của một chùm sáng)  Đây là các phát biểu tương đương của các định luật quang hình học. 1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.2. Những phát biểu tương đương của định luật Descartes b) Nguyên lý Fermat và định lý Malus Sự tương đương của nguyên lý Fermat với định luật phản xạ AOB  AO  OB  AO  OB  AB ABO  AB  AO  OB  AOB 12  AOB  AOB  Ánh sáng truyền theo quang lộ cực tiểu. 1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.2. Những phát biểu tương đương của định luật Descartes b) Nguyên lý Fermat và định lý Malus Sự tương đương của nguyên lý Fermat với định luật phản xạ Xét 1 elipxoid tròn xoay, nếu đặt nguồn sáng tại tiêu điểm F1, thì ánh sáng tập trung tại F2. Xét 1 thấu kính:  Ánh sáng  Ánh sáng truyền theo quang lộ cực đại truyền theo quang lộ không đổi 13 1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.2. Những phát biểu tương đương của định luật Descartes b) Nguyên lý Fermat và định lý Malus Sự tương đương của nguyên lý Fermat với định luật khúc xạ 14 1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.2. Những phát biểu tương đương của định luật Descartes b) Nguyên lý Fermat và định lý Malus Chứng minh định lý Malus L1  n1A1I1  n 2 A 2 I 2  n1A1I1  n 2 I1H1  n 2 H1B1 L 2  n1 A 2 I 2  n 2 I 2 B 2  n 1 A 2 H 2  n1 H 2 I 2  n 2 I 2 B 2 A1I1  A 2 H 2 15 H1B1  I2 B2 n1 sin i1  n 2 sin i 2  n1 H 2 I2 IH  n2 1 1 I1I2 I1I2  n1H 2 I2  n 2 I1H1 L1  L 2 1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.3. Hàm sóng của ánh sáng O 16 M  Giả sử tại O phương trình dao động sáng là: xO = acost Phương trình dao động sáng tại M là: L 2L 2L x M  a cos (t  )  a cos (t  )  a cos(t  )  a cos(t  ) v Tv  hàm sóng của ánh sáng  là thời gian ánh sáng truyền từ O đến M. L = c là quang lộ giữa hai điểm OM.  là bước sóng ánh sáng trong chân không. 1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.4. Cường độ sáng:  Cường độ sáng I tại một điểm là một đại lượng có trị số bằng năng lượng ánh sáng truyền qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền sáng tại điểm đó trong một đơn vị thời gian.  Cường độ sáng tỷ lệ với bình phương biên độ: I = ka2 17 1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.4. Nguyên lý chồng chất  Khi hai hay nhiều sóng ánh sáng gặp nhau thì từng sóng riêng biệt không bị các sóng khác làm nhiễu loạn;  Sau khi gặp nhau, các sóng ánh sáng vẫn truyền đi như cũ;  Tại những điểm gặp nhau, dao động sáng bằng tổng hợp các dao động sáng thành phần. 18 1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG 1.5. Nguyên lý Huyghens  Bất kỳ điểm nào nhận được sóng ánh sáng đều trở thành nguồn thứ cấp phát ánh sáng về phía trước nó. 19 Mặt sóng sơ cấp là đường bao các mặt sóng thứ cấp 2. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP 20  Giao thoa sóng là trường hợp đặc biệt của hiện tượng chồng chất sóng.  Kết quả là trong trường giao thoa xuất hiện những điểm mà cường độ sóng được tăng cường, xen kẽ với những điểm cường độ sóng bị triệt tiêu.  Điều kiện để các sóng giao thoa với nhau: Sóng kết hợp. (các sóng có cùng tần số và có độ lệch pha không đổi theo thời gian)