Bài giảng Vật lý đại cương 2 - Chương 7: Quang học sóng (Phần 1) - Nguyễn Xuân Thấu

n xoay, nếu đặt nguồn
sáng tại tiêu điểm F1, thì ánh sáng tập
trung tại F2.
 Ánh sáng truyền theo quang lộ cực đại
Xét 1 thấu kính:  Ánh sáng
truyền theo quang lộ không đổi
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
Sự tương đương của nguyên lý Fermat với định luật khúc xạ
15
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
1 1 1 1 2 2 2 1 1 1 2 1 1 2 1 1
2 1 2 2 2 2 2 1 2 2 1 2 2 2 2 2
L n A I n A I n A I n I H n H B
L n A I n I B n A H n H I n I B
    
    
1 1 2 2
1 1 2 2
A I A H
H B I B


1 1 2 2
2 2 1 1
1 2
1 2 1 2
1 2 2 2 1 1
n sin i n sin i
H I I H
n n
I I I I
n H I n I H

 
 
1 2L L
Chứng minh định lý Malus
16
1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG
1.3. Hàm sóng của ánh sáng
 O M 
 Giả sử tại O phương trình dao động sáng là: xO = acost
Phương trình dao động sáng tại M là:
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.
M
L 2 L 2 L
x a cos (t ) a cos (t ) a cos( t ) a cos( t )
v Tv
 
            

17
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
18
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.
19
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.
Mặt sóng sơ cấp là đường bao các mặt sóng thứ cấp
20
2. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP
 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)
21
2. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP
2.1. Cách tạo ra hai sóng ánh sáng kết hợp
 Nguyên tắc: Tách sóng phát ra từ một nguồn duy nhất.
 Các phương pháp thực nghiệm:
Khe Young
Gương Fresnel
Lưỡng lăng kính Fresnel
Lưỡng thấu kính Bier
Gương Lloyd
22
2. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP
2.1. Cách tạo ra hai sóng ánh sáng kết hợp
Khe Young
23
2. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP
2.1. Cách tạo ra hai sóng ánh sáng kết hợp
Gương Fresnel
24
2. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP
2.1. Cách tạo ra hai sóng ánh sáng kết hợp
Lưỡng lăng kính Fresnel
25
2. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP
2.1. Cách tạo ra hai sóng ánh sáng kết hợp
Lưỡng thấu kính Bier: 
26
2. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP
2.1. Cách tạo ra hai sóng ánh sáng kết hợp
Gương Loyd: 
27
2. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP
2.2. Khảo sát hiện tượng giao thoa
 Xét hai nguồn kết hợp O1, O2:
xO1 = a1cost và xO2 = a2cost
 Phương trình sóng do O1 và O2 gây ra tại điểm M nào đó:
 Cường độ sóng tại điểm M được xác định:
1
1 1
2 L
x a cos( t )

  

2
2 2
2 L
x a cos( t )

  

 2 2 2M M 1 2 1 2 1 2
2
I a a a 2a a cos L L

    

28
 Cực đại giao
thoa:
 Cực tiểu giao
thoa:
2. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP
2.2. Khảo sát hiện tượng giao thoa
1 2L L k  
1 2L L (2k 1)
2

  
29
2. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP
2.2. Khảo sát hiện tượng giao thoa
Giao thoa khe Young: 
30
2. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP
2.2. Khảo sát hiện tượng giao thoa
Giao thoa khe Young: 
31
2. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP
2.2. Khảo sát hiện tượng giao thoa
H

2 1 2d d S H a sin
x
a tan a
D
    
  
Kẻ S1H vuông góc với . Vì màn đặt xa và
a nhỏ, do đó coi vuông góc với OM
M
O
Vị trí vân sáng:
Hiệu quang lộ:
2 1
x D
d d a k x k
D a

     
Vị trí vân tối: 2 1
x D
d d a (2k 1) x (2k 1)
D 2 2a
 
      
2d
1S H

S1
S2
32
2. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP
2.2. Khảo sát hiện tượng giao thoa
Giao thoa khe Young: 
 Vị trí cực đại giao thoa:
 Vị trí cực tiểu giao thoa:
 Khoảng vân:
sk
D
x k
a


tk
1 D
x (k )
2 a

 
D
i
a


k 0, 1, 2...  
k 0, 1, 2...  
S1
S2
M
33
3. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA DO PHẢN XẠ
3.1. Thí nghiệm Lloyd
 Cực đại giao
thoa:
 Cực tiểu giao
thoa:
1 2L L k  
1 2L L (2k 1)
2

  
Đặt OI+IM=d2, OM=d1
Tuy nhiên thực nghiệm lại xác nhận rằng tại những điểm mà lý
thuyết dự đoán là sáng thì thực tế lại tối, dự đoán là tối thì thực tế
là sáng.
34
3. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA DO PHẢN XẠ
3.1. Thí nghiệm Lloyd
Như vậy pha dao động của tia phản xạ
bị thay đổi một lượng là
 Người ta coi rằng khi phản xạ trên
mặt gương, quang lộ của tia phản xạ
dài thêm 1 đoạn là . Điều này chỉ
xảy ra khi ánh sáng chiếu từ môi
trường kém chiết quang (không khí)
đến 1 môi trường chiết quang hơn
(thủy tinh). Chiều ngược lại thì quang
lộ không thay đổi.

2

35
3. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA DO PHẢN XẠ
3.2. Sóng đứng ánh sáng
d k
2

Nút sóng:
Gọi d là khoảng cách từ 1
điểm M đến mặt gương
d (2k 1)
4

 Bụng sóng: 
36
4. HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG
37
4. HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG
 Bản mỏng là một bản trong
suốt có độ dầy vào cỡ vài
phần trăm milimet như
màng xà phòng, váng dầu,
lớp không khí mỏng
 Giao thoa của các tia phản
xạ trên hai bề mặt của bản
mỏng.
 Giao thoa gây bởi các tia
khúc xạ qua hai bề mặt của
bản mỏng.
Bản chất của hiện tượng giao thoa từ các bản mỏng: 
qt
d
S
qi
nf
38
4. HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG
4.1. Giao thoa cho bởi bản mỏng có độ dày thay đổi – Vân cùng độ dày
- Xét một bản mỏng chiết suất n được
chiếu sáng bởi nguồn sáng rộng.
- Xét hai tia sáng SABM, SM cùng
xuất phát từ điểm S của nguồn 
Sóng kết hợp.
- Hiệu quang lộ giữa 2 tia:
1 2L L SA n(AB BM) (SM )
2

     
SM SA HM 
1 2L L n(AB BM) HM
2

     
39
4. HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG
4.1. Giao thoa cho bởi bản mỏng có độ dày thay đổi – Vân cùng độ dày
d
AB BM
cos r
 
I d
r
AI d. tan r AM 2d.tan r  
HM AM sin i 2d. tan r.sin i 
sin i n sin i
n sin r
sin r 1 n
   
2 2
1 2L L 2d n sin i
2

    
1 2
2nd
L L 2d. tan r.sin i
cos r 2

    
40
4. HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG
4.1. Giao thoa cho bởi bản mỏng có độ dày thay đổi – Vân cùng độ dày
Vân của nêm không khí: 
 Nêm không khí là một lớp không khí hình nêm
nằm giữa hai bản thủy tinh phẳng hợp với nhau
góc rất nhỏ.
 Trên bề mặt của nêm có vân giao thoa của các
tia phản xạ.
2L 2d 1 sin i
2

   
41
4. HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG
4.1. Giao thoa cho bởi bản mỏng có độ dày thay đổi – Vân cùng độ dày
Vân của nêm không khí: 
 Xét chùm sáng vuông góc với mặt nêm
(i = 00):
 Từ điều kiện giao thoa, vân tối ứng với
độ dày của lớp không khí:
với k = 0, 1, 2, 3,
L 2d
2

  
L 2d (2k 1) d k
2 2 2
  
      
42
4. HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG
4.1. Giao thoa cho bởi bản mỏng có độ dày thay đổi – Vân cùng độ dày
Vân tròn Newton
 Hệ vân tròn Newton gồm một chỏm
cầu thủy tinh đặt tiếp xúc với bản
thủy tinh phẳng.
 Vân giao thoa thuộc loại cùng độ
dày:
- Vân tối:
- Vân sáng:
d k
2


 d 2k 1
4

 
43
4. HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG
4.1. Giao thoa cho bởi bản mỏng có độ dày thay đổi – Vân cùng độ dày
Vân tròn Newton
Ánh sáng xanh
Ánh sáng trắng
Ánh sáng đỏ
 Vân tròn Newton gồm hệ
các vòng tròn có tâm cùng
nằm trên trục của chỏm cầu.
 Tâm của hệ vân ứng với
điểm tối: d = 0.
44
4. HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG
4.1. Giao thoa cho bởi bản mỏng có độ dày thay đổi – Vân cùng độ dày
Vân tròn Newton
 Bán kính của vân tối thứ k thỏa mãn:
2 2 2
k kR r (R d )  
k
2
k dr 2R 2R Rkk
2
 
 
 
   
kr Rk 
 Khoảng cách giữa 2 vân tối – sáng liên tiếp:
 k 1 ki r r k 1 k R     
45
4. HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG
4.2. Giao thoa cho bởi bản mỏng có độ dày không đổi – vân cùng 
độ nghiêng
d
A
B
M
D
P
S
i
R1
R2
n
46
4. HIỆN TƯỢNG GIAO GÂY BỞI BẢN MỎNG
4.2. Giao thoa cho bởi bản mỏng có độ dày không đổi – vân cùng 
độ nghiêng
d
A
B
M
D
P
S
i
R1
R2
n
2 2
1 2L L L 2d n sin i
2

     
Hiệu quang lộ của 2 tia SABR2 và SAR1
2 2L 2d n sin i k
2

     
 2 2L 2d n sin i 2k 1
2 2
 
     
Vân sáng đối với những góc i thỏa mãn:
Vân tối đối với những góc i thỏa mãn:
47
5. ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG GIAO THOA
Khử phản xạ của kính: 
  0L 2nd 2k 1
2

   
Hiệu quang lộ 2 tia phản xạ và điều 
kiện tạo thành vân tối:
  0d 2k 1
4n

 
0
mind
4n 4
 
 
ttn n
0,555 m  
48
5. ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG GIAO THOA
Kiểm tra các mặt kính phẳng hoặc lồi
49
5. ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG GIAO THOA
Kiểm tra các mặt kính phẳng hoặc lồi
50
5. ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG GIAO THOA
Đo chiết suất của chất lỏng – chất khí. Giao thoa kế Rayleigh
 0L n n d  
Giả sử hệ vân dịch 
đi m khoảng vân, 
suy ra:
 0m n n d  
0
m
n n
d

 
51
5. ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG GIAO THOA
Đo chiều dài – Giao thoa kết Michelson
l m
2


52
BÀI TẬP PHẦN GIAO THOA ÁNH SÁNG
Các bài tập cần làm: (Sách BT Lương Duyên Bình):
1.2, 1.6, 1.7, 1.8, 1.10, 1.13, 1.14, 1.16, 1.19, 1.20. 1.22, 1.24, 1.25, 
1.26, 1.28, 1.29, 1.32