Bài giảng Vật lý đại cương - Chương 3: Cơ sở của quang hình học và quang học sóng

Nội dung text: Bài giảng Vật lý đại cương - Chương 3: Cơ sở của quang hình học và quang học sóng

1. Chương 3. CƠ SỞ CỦA QUANG HÌNH HỌC VÀ QUANG HỌC SÓNG 3.1 CƠ SỞ CỦA QUANG HÌNH HỌC 3.1.1 Định luật về sự truyền thẳng của ánh sáng Trong môi trường trong suốt đồng tính và đẳng hướng, ánh sáng truyền theo đường thẳng. 3.1.2 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 không phụ thuộc vào sự có mặt hay không của các chùm sáng khác. 3.1.3 Định luật của Descartes thứ nhất Pháp tuyến Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới (mặt Tia tới Tia p/xạ phẳng chứa tia tới và pháp tuyến) và góc tới bằng góc phản xạ. i i ' i i’ 3.1.4 Định luật của Descartes thứ hai MT n Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và tỉ 1 số giữa sin góc tới và sin góc khúc xạ là MT n2 một số không đổi và bằng chiết suất tỉ đối r giữa hai môi trường. Tia k/xạ sin i n sin r 21
2. 3.1.5 Những phát biểu tương đương của định luật Descartes a. Quang lộ Định nghĩa: Quang lộ giữa hai điểm A, B (trong n môi trường đồng tính, có chiết suất n, cách nhau A d B một đoạn bằng d) là đoạn đường ánh sáng truyền được trong chân không trong khoảng thời gian bằng khoảng thời gian mà ánh sáng đi hết đoạn đường AB trong môi trường. d L ct c nd n1 v n2 d d n Quang lộ của ánh sáng truyền qua n môi trường A 1 2 3 có chiết suất khác nhau được xác định: d3 n B L  nid i i 1 ds Nếu ánh sáng truyền qua môi trường không đồng nhất có chiết suất thay đổi liên tục. A n B L= n d s B A
3. , b. Định lý Malus 2 1 2 1 Mặt trực giao: Mặt vuông góc với các tia sáng của một chùm sáng. Định lý Malus: Quang lộ của các tia sáng giữa hai mặt trực giao của một chùm sáng thì bằng nhau. Chứng minh: A2 L1 = n1 A1I1 + (n2 I1H1 + n2 H1B1) L2 = (n1 A2H2 + n1 H2I2) + n2 I2B2 H2 A1 Ta có: i A1I1 = A2H2 1 i I2 D H1B1 = I2B2 C 1 I i2 Mặt khác: 1 H 1 B2 i2 Ta được: nH122I n2 H1I 1 B1 L1 L2
4. 3.2 CƠ SỞ CỦA QUANG HỌC SÓNG  3.2.1 Biểu thức của hàm sóng ánh sáng E Phương trình dao động sóng sáng tại O: d v x0 acos t O M Dao động sóng sáng tại M có dạng: y d x acos t v nd L 2 L x acos t a cos t acos t c c cT với L = nd là quang lộ của tia sáng trên đoạn OM 2 L x acos t hàm sóng của ánh sáng o Nếu sóng truyền theo chiều ngược lại, hàm sóng của ánh sáng có dạng 2 L x acos t o
5. 3.2.2 Cường độ sáng Cường độ sáng tại một điểm có trị số bằng năng lượng truyền qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền ánh sáng trong một đơn vị thời gian. Như vậy, cường độ sáng tại một điểm tỉ lệ với bình phương biên độ dao động sáng tại điểm đó 2 I ka ( k là hệ số tỷ lệ) Chọn k = 1: I a2 3.2.3 Nguyên lý chồng chất các sóng 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, còn tại những điểm gặp nhau, dao động sáng bằng tổng các dao động sáng thành phần.
6. Chương 4: GIAO THOA ÁNH SÁNG 4.1 HIỆN TƯỢNG GIAO THOA ÁNH SÁNG 4.1.1. Thí nghiệm Young P1 P2 P3
7. 4.1.2. Điều kiện cần và đủ để có giao thoa ánh sáng ĐK cần: Hai sóng giao nhau phải có cùng tần số (hoặc chu kỳ) và có hiệu pha là không đổi theo thời gian. ĐK đủ: Hai sóng giao nhau phải cùng phương dao động KL: hai sóng thỏa mãn điều kiện trên gọi là hai sóng kết hợp 4.1.3. Cách tạo ra nguồn sóng kết hợp Gương Lloyd
8. Gương kép Fresnel
9. Thấu kính Billet
10. 4.1.3. Điều kiện cực đại và cực tiểu giao thoa Giả sử dao động sáng tại S1 và S2 do nguồn S gửi tới có dạng: x1 a1 cos t và x2 a2 cos t Gọi L1 và L2 là quang lộ của tia sáng gửi từ S1, S2 tới P. P 2 L1 x1P a 1 co s  t  o S1 S O 2 L 2 x2P a2 cos  t S2  o Dao động sáng tổng hợp tại P: x x1P x 2P acos t 22 Trong đó: a a1 a2 2a12a cos( 1 2 ) asin a sin tg 1122 a1cos 1 a 2cos 2
11. 4.1.3. Điều kiện cực đại và cực tiểu giao thoa (tiếp thao) Cường độ sáng tại P: P 222 I a a1 a2 2a12a cos( 1 2 ) S1 S O Cường độ sáng phụ thuộc vào hiệu số S2 pha ban đầu L2 L1 1 2 2 o L2 L1 Nếu: 2 2k L2-L1 =kλο k 0, 1, 2 → P sáng o L L λο Nếu: 2 21 (2k 1) L-L=(2k +1) k 0, 1, 2 21 2 → P tối o
12. 4.1.4. Hình dạng và vị trí vân giao thoa Điều kiện vân sáng: L2-L1 =k λο Với k 0, 1, 2 Quĩ tích tất cả các điểm trong không gian có hiệu khoảng cách tới hai điểm cố định không đổi 2 k = 2 OS12 là mặt hypecboloit tròn xoay. 1 k = 1 k = 0 0 -1 k = -1 S2 O1 S1 -2 k = -2 Quĩ tích các điểm sáng nhất và tốiHìnhnhất 4.2 Hìnhlà dạngmặt vân giaohypecboloit thoa S2 tròn xoay xen kẽ trong không gian, riêng mặt k = 0 là mặt phẳng trung trực của S1S2.
13. 4.1.4. Vị trí vân sáng và khoảng vân Hiệu quang lộ: L L2 L1 nr2 nr1 n(r2 r1) mà: 22a 2 H P r1 D (y ) r1 2 y S1 22a 2 r2 r2 D (y ) a 2 S O 2a r2 r2 2ya hay r r y 2121 S2 D r1 r2 vì: D>>a a D>>a r r 2D r - r y 2121 D n na L n(r r) y 21 D
14. 4.1.4. Vị trí vân sáng và khoảng vân (tiếp theo) Vị trí vân sáng: na λD L y k y=k o với k 0; 1; 2 D so s na Vị trí vân tối: na  λD L y (2k 1) o y=(2k + 1) o với k 0; 1; 2 D t 2 t 2na Khoảng vân:  D i=y(k)-y(k- 1) = o ss na
15. 4.2. GIAO THOA DO PHẢN XẠ 4.2.1. Thí nghiệm Loyld TH1: Chiết suất môi trường: n > n’ Lý thuyết Thực Thực nghiệm S P I n’ O S’ KL: n > n’ thì kết quả thực nghiệm và lý thuyết thu được hoàn toàn phù hợp
16. 4.2. GIAO THOA DO PHẢN XẠ (Tiếp theo) 4.2.1. Thí nghiệm Loyld TH2: Chiết suất môi trường: n < n’ Thực Thực nghiệm Lý thuyết Lý S P I n’ O S’ - n < n’ thì các vị trí lý thuyết tính là tối, thực nghiệm thu được là sáng và ngược lại. Khi tia sáng phản xạ từ môi trường kém chiết quang vào môi trường chiết quang thì quang lộ của tia sáng dài thêm o/2. L = [SP] = n(SI+IP) + o/2
17. 4.2. GIAO THOA DO PHẢN XẠ (tiếp theo) 4.2.2. Bản mỏng có bề dày thay đổi - Vân cùng độ dày - nguồn điểm O - Bản mỏng bề dày thay đổi Các tia chiếu đến bản mỏng tại điểm M - OBCM (1) - OM (2) Hai tia (1) và (2) là các tia kết hợp gặp nhau tại M giao thoa vân giao thoa xuất hiện trên mặt trên của bản mỏng
18. 4.2. GIAO THOA DO PHẢN XẠ (tiếp theo) 4.2.2. Bản mỏng có bề dày thay đổi - Vân cùng độ dày Hiệu quang lộ - d: bề dày bản mỏng L1 – L2 = OB + n(BC + CM) – - i1: góc tới - i2: góc khúc xạ – (OM + o/2) Gần đúng: OM – OB RM L1 – L2 = n(BC + CM) – RM – o/2 RM = BMsini1 = 2dtgi2.sini1 - i1 coi như không đổi L phụ thuộc d. - Mỗi vân sáng/tối ứng với một giá trị xác định của d vân cùng độ dày.
19. 4.2.2. Bản mỏng có bề dày thay đổi - Vân cùng độ dày 4.2.2.1. Nêm không khí S Hiệu quang lộ:  R L L 2d o 21 2 Hiệu quang lộ chỉ phụ thuộc vào bề G1 dày của lớp không khí d. I Điểm I tối khi: d K G C oo 2 L2 L1 2d (2k 1) 22 S Vị trí vân tối: R  d=k o víi k 0,1,2,3 v©n s¸ng 2 v©n tèi G 1 - Cạnh nêm CC’ ứng với d = 0 (k=0) là I một vân tối. C K - Các vân tối là các đoạn thẳng định G 2 C xứ ở mặt dưới tấm kính G1 và song song với cạnh nêm CC’.
20. 4.2.2. Bản mỏng có bề dày thay đổi - Vân cùng độ dày 4.2.2.2. Vân tròn Newton Hiệu quang lộ: o L2 L1 2d 2 O Hiệu quang lộ chỉ phụ R R-d thuộc vào bề dày của lớp k không khí d d I rk d Điểm I tối khi: o k  L L 2d o (2k 1) o C 21 22 Vị trí vân tối:  d=k o víi k 0,1,2,3 2 Bán kính vân tối: rk k. Ro