27 Ví dụ về hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ ánh sáng – khe đôi
1. Hai khe hẹp cách nhau 0,5 mm được chiếu sáng bằng ánh sáng có bước sóng 600 nm. Tính ba giá trị góc nhỏ nhất mà tại đó (1) xảy ra giao thoa tăng cường (b) xảy ra giao thoa triệt tiêu.
Cuộc thảo luận
Ba góc nhỏ nhất mà tại đó hiện tượng giao thoa tăng cường xảy ra:
Ba góc nhỏ nhất mà tại đó hiện tượng giao thoa tăng cường xảy ra:
2. Ánh sáng đơn sắc đi qua hai khe hẹp song song. Khoảng cách giữa hai khe là 0,6 mm. Khoảng cách từ màn hình đến các khe là 60 cm. Hình ảnh giao thoa xuất hiện trên màn hình là một vạch sáng và một vạch tối cách nhau một khoảng bằng nhau. Nếu khoảng cách giữa hai vạch sáng liền kề là 0,2 mm, hãy xác định bước sóng của ánh sáng được sử dụng.
Cuộc thảo luận
Ai cũng biết rằng:
d = 0,6 mm = 0,0006 m = 6 x 10-4 m
y = 0,2 mm = 0,0002 m = 2 x 10-4 m
l = 60 cm = 600 mm = 0,6 m
Câu hỏi: Ánh sáng được sử dụng có bước sóng bao nhiêu?
Hàm:
3. Một khe đôi được chiếu sáng bằng ánh sáng có bước sóng 560 nm. Một màn chắn được đặt cách khe 1 m. Nếu khoảng cách giữa hai khe là 0,5 mm, thì khoảng cách giữa hai vạch sáng liền kề là...
A. 1,00 mm
B. 1,12mm
C. 1,40 mm
D. 1,60mm
E. 2,00mm
Cuộc thảo luận :
Người ta biết rằng :
Yêu cầu :
Khoảng cách giữa hai dải sáng liền kề (y)
Jawab :
Đáp án đúng là B.
4. Khoảng cách giữa hai đèn pha ô tô là 110 cm. Bước sóng trung bình của ánh sáng phát ra từ hai đèn là 600 nm. Nếu một người có đường kính đồng tử là 2 mm quan sát hai ánh sáng này, thì khoảng cách tối đa giữa ô tô và người đó để ánh sáng của hai đèn vẫn trông tách biệt là...
A. 450 m
B. 2500 m
C. 3000 m
D. 4000 m
E. 5000 m
Cuộc thảo luận :
Người ta biết rằng :
D = 2 mm = 2 x 10-3 mét
Bước sóng ánh sáng = 600 nm = 600 x 10⁻⁶-9 mét
Khoảng cách giữa hai đèn xe (s) = 110 cm = 1,1 mét
Yêu cầu :
Khoảng cách giữa xe và người quan sát hai đèn (l) là bao nhiêu?
Jawab :
Để hai nguồn sáng được nhìn thấy như hai vật thể riêng biệt, góc (theta) phải lớn hơn góc tới hạn, thỏa mãn phương trình:
Đáp án đúng là C.
5. Sơ đồ dưới đây minh họa thí nghiệm của Young. Nếu d là khoảng cách giữa hai khe, L là khoảng cách từ khe đến màn hình và P2 là khoảng cách từ vạch sáng thứ 2 đến vạch sáng trung tâm, sau đó là bước sóng ánh sáng được sử dụng (1 Å = 10-10 m) là…
A. 3.000 Å
B. 4.000 Å
C. 5.000 Å
D. 5.500 Å
E. 6.000 Å
Cuộc thảo luận
Người ta biết rằng :
Khoảng cách giữa hai khe (d) = 1 mm = 1 x 10-3 mét
Khoảng cách từ khe hở đến màn chắn (L) = 1 mét
Khoảng cách của vạch sáng thứ 2 so với vạch sáng trung tâm (P)2) = 1 mm = 1 x 10-3 mét
Thứ tự (n) = 2 (ánh sáng trung tâm là ánh sáng đầu tiên nên n = 0. Ánh sáng thứ hai là đường ánh sáng đầu tiên nên n = 1, n = 2 là đường ánh sáng thứ hai)
Yêu cầu Bước sóng ánh sáng (λ) được sử dụng là…
Jawab :
Công thức giao thoa khe đôi (giao thoa tăng cường) :
d sin θ = n λ
sin θ ≈ tan θ = P2 / L = (1 x 10-3) / 1 = 1 x 10-3 mét
Bước sóng ánh sáng :
λ = d sin θ / n
λ = (1 x 10-3)(1 x 10-3) / 2 = (1 x 10-6) / 2
λ = 0,5 x 10-6 mét = 5 x 10-7 mét
λ = 5000 x 10-10 mét
λ = 5000 Å
Đáp án đúng là C.
6. Trong một thí nghiệm giao thoa khe đôiDữ liệu thu được được hiển thị trong hình bên cạnh. Vì vậy, giá trị bước sóng được sử dụng là… (1 m = 1010 Å)
A. 4500 Å
B. 5000 Å
C. 6000 Å
D. 6500 Å
E. 7000 Å
Cuộc thảo luận
Người ta biết rằng :
Khoảng cách giữa hai khe (d) = 0,8 mm = 8 x 10-4 mét
Khoảng cách từ khe hở đến màn chắn (L) = 1 mét
Khoảng cách của vạch sáng thứ 4 đến vạch sáng trung tâm (P) = 3 mm = 3 x 10-3 mét
Thứ tự (n) = 4
Yêu cầu Bước sóng ánh sáng (λ) được sử dụng là…
Jawab :
Công thức giao thoa khe đôi (giao thoa tăng cường) :
d sin θ = n λ
sinθ ≈ tan θ = P / L = (3 x 10-3) / 1 = 3 x 10-3 mét
Bước sóng ánh sáng :
λ = d sin θ / n
λ = (8 x 10-4)(3 x 10-3) / 4 = (24 x 10-7) / 4
λ = 6 x 10-7 mét = 6000 x 10-10 mét
λ = 6000 Å
Đáp án đúng là C.
7. Hình bên cạnh là hình vẽ phác thảo đường đi của các tia sáng trong hiện tượng giao thoa khe đôi S.1 và S2Điểm A và B là hai vạch tối liên tiếp và bước sóng được sử dụng là 6000 Å (1 Å = 10-10 m). Khoảng cách giữa hai khe hở là…
A. 0,015 mm
B. 0,2mm
C. 1,5 mm
D. 1,6mm
E. 1,8mm
Cuộc thảo luận
Khoảng cách giữa hai khe được tính bằng công thức sau: giao thoa tăng cường giả sử khoảng cách giữa hai vạch tối liên tiếp bằng khoảng cách giữa hai vạch sáng liên tiếp.
Người ta biết rằng :
Khoảng cách từ khe hở đến màn chắn (L) = 1 mét
Bước sóng được sử dụng (λ) = 6000 Å = 6000 x 10-10 mét = 6 x 10-7 mét
Khoảng cách giữa vạch sáng trung tâm và vạch sáng đầu tiên (P) = 0,2 mm = 0,2 x 10-3 mét = 2 x 10-4 mét
Vạch sáng bậc nhất (n) = 1
Yêu cầu Khoảng cách giữa hai khe hở (d)
Jawab :
Công thức giao thoa tăng cường :
d = n λ / sin θ
sinθ ≈ tan θ = P / L = (2 x 10-4) / 1 = 2 x 10-4 mét
Khoảng cách giữa hai khe hở :
d = n λ / sin θ = (1)(6 x 10-7) / (2 x 10-4)
d = (6 x 10-7) / (2 x 10-4) = (3 x 10-3)
d = 0,003 mét
d = 3 mm
8. Nếu hai sóng ánh sáng có bước sóng 600 nm gặp hiện tượng giao thoa tăng cường, thì độ lệch đường đi của chúng sẽ là bao nhiêu?
Thảo luận: Để xảy ra giao thoa tăng cường, hiệu số đường đi của sóng phải là nλ, trong đó n là một số nguyên. Nếu n=0, thì hiệu số đường đi của sóng là 0 nm.
9. Một sóng ánh sáng có bước sóng 500 nm bị nhiễu xạ qua một khe hẹp. Nếu khoảng cách từ khe đến màn chắn là 2 m, và khoảng cách từ tâm của mẫu nhiễu xạ đến bậc nhiễu xạ thứ nhất là 5 mm, thì chiều rộng của khe là bao nhiêu?
Thảo luận: Sử dụng phương trình nhiễu xạ \( a\sin \theta = m\lambda \), trong đó \( a \) là độ rộng khe, \( m \) là bậc nhiễu xạ và \( \theta \) là góc, ta có thể tìm được độ rộng khe: \( a = \frac{{m\lambda}}{{\sin \theta}} = \frac{{(1)(500 \times 10^{-9}\, \text{m})}}{{\sin \left( \frac{{5 \times 10^{-3}\, \text{m}}}{{2\, \text{m}}} \right)}} \approx 5 \times 10^{-4}\, \text{m} \).
10. Nếu hai sóng ánh sáng có bước sóng 400 nm gặp hiện tượng giao thoa triệt tiêu, thì đường đi của chúng sẽ khác nhau bao nhiêu?
Thảo luận: Đối với giao thoa triệt tiêu, hiệu số đường đi của sóng phải là \( (n + \frac{1}{2})\lambda \). Nếu n=0, thì hiệu số đường đi của sóng là 200 nm.
11. Điều gì xảy ra nếu chiều rộng của khe trong thí nghiệm nhiễu xạ lớn hơn bước sóng của ánh sáng?
Thảo luận: Nếu độ rộng của khe lớn hơn bước sóng ánh sáng, hình ảnh nhiễu xạ sẽ kém rõ nét hơn và khó quan sát hơn.
12. Trong thí nghiệm khe đôi Young với bước sóng 650 nm, hai khe có chiều rộng 0,1 mm và khoảng cách giữa chúng là 0,2 mm. Khoảng cách giữa vạch tối thứ nhất và vạch tối thứ hai trên màn hình cách đó 1 m là bao nhiêu?
Thảo luận: Khoảng cách giữa các dải tối có thể được tìm thấy bằng cách sử dụng phương trình giao thoa \( y = \frac{{m\lambda D}}{{d}} \), trong đó \( m = 1 \) là bậc nhất, \( D \) là khoảng cách đến màn hình và \( d \) là khoảng cách giữa các khe. Khi đó, khoảng cách giữa dải tối thứ nhất và thứ hai là: \( y = \frac{{(1)(650 \times 10^{-9}\, \text{m})(1\, \text{m})}}{{0,1 \times 10^{-3}\, \text{m}}} – \frac{{(0)(650 \times 10^{-9}\, \text{m})(1\, \text{m})}}{{0,1 \times 10^{-3}\, \text{m}}} \approx 6,5\, \text{mm} \).
13. Nếu ánh sáng có bước sóng 700 nm chiếu vào khe đôi có khoảng cách giữa hai khe là 0,3 mm, thì khoảng cách giữa vạch sáng thứ nhất và vạch sáng thứ hai trên màn hình cách đó 1,5 m là bao nhiêu?
**Thảo luận**: Sử dụng phương trình tương tự như câu hỏi 5, ta có thể tìm được khoảng cách giữa dải sáng thứ nhất và dải sáng thứ hai là: \( y \approx 7\, \text{mm} \).
13. Hiện tượng giao thoa tăng cường là gì và nó xảy ra như thế nào?
Thảo luận: Hiện tượng giao thoa tăng cường xảy ra khi hai sóng ánh sáng gặp nhau và hiệu số đường đi của chúng là bội số của bước sóng (nλ). Điều này dẫn đến sự khuếch đại biên độ sóng.
14. Hiện tượng giao thoa phá hủy là gì và nó xảy ra như thế nào?
Thảo luận: Hiện tượng giao thoa triệt tiêu xảy ra khi hai sóng ánh sáng gặp nhau và hiệu số đường đi của chúng là bội số lẻ của một nửa bước sóng \((n + \frac{1}{2})\lambda\). Điều này dẫn đến sự giảm hoặc thu nhỏ biên độ sóng.
15. Trong hiện tượng nhiễu xạ qua một khe hẹp, điều gì sẽ xảy ra với hình ảnh nhiễu xạ nếu chiều rộng của khe hẹp bị giảm đi?
Thảo luận: Nếu giảm độ rộng khe, mẫu nhiễu xạ sẽ rộng hơn, và các dải sáng và tối sẽ tách biệt nhau hơn.
16. Điều gì xảy ra với hình ảnh giao thoa trong thí nghiệm khe đôi nếu khoảng cách giữa hai khe tăng lên?
Thảo luận: Nếu khoảng cách giữa các khe tăng lên, vân giao thoa sẽ trở nên dày đặc hơn, và khoảng cách giữa các dải sáng và tối sẽ giảm đi.
17. Trong thí nghiệm khe đôi Young với bước sóng 550 nm và khe có đường kính 0,15 mm, khoảng cách giữa vạch sáng thứ năm và vạch sáng thứ mười trên màn hình cách đó 2 m là bao nhiêu?
Thảo luận: Sử dụng phương trình tương tự như bài toán 5, ta có thể tìm được khoảng cách giữa dải sáng thứ năm và thứ mười là: \( y \approx 36,67\, \text{mm} \).
18. Bước sóng ảnh hưởng đến các mẫu nhiễu xạ như thế nào?
Thảo luận: Bước sóng lớn hơn sẽ tạo ra hình ảnh nhiễu xạ rộng hơn, trong khi bước sóng nhỏ hơn sẽ tạo ra hình ảnh nhiễu xạ hẹp hơn.
19. Nếu ánh sáng có bước sóng 450 nm chiếu vào khe đôi có khoảng cách giữa hai khe là 0,25 mm, thì khoảng cách giữa vạch tối thứ nhất và vạch tối thứ hai trên màn hình cách đó 1 m là bao nhiêu?
Thảo luận: Sử dụng phương trình tương tự như câu hỏi 5, ta có thể tìm được khoảng cách giữa dải tối thứ nhất và dải tối thứ hai là: \( y \approx 1,8\, \text{mm} \).
20. Làm thế nào để xác định vị trí của dải sáng trong hình ảnh giao thoa khe đôi?
Thảo luận: Vị trí của dải sáng trong hình ảnh giao thoa khe đôi có thể được xác định bằng phương trình \( y = \frac{{m\lambda D}}{{d}} \), trong đó \( m \) là bậc, \( \lambda \) là bước sóng, \( D \) là khoảng cách đến màn hình và \( d \) là khoảng cách giữa hai khe.
21. Làm thế nào để xác định vị trí của dải tối trong mẫu nhiễu xạ khe đơn?
Thảo luận: Vị trí của dải tối trong mẫu nhiễu xạ khe đơn có thể được xác định bằng phương trình \( a\sin \theta = m\lambda \), trong đó \( a \) là độ rộng khe, \( m \) là bậc và \( \theta \) là góc.
22. Điều gì sẽ xảy ra với hình ảnh giao thoa nếu nguồn sáng được thay thế bằng nguồn sáng có bước sóng ngắn hơn?
Thảo luận: Nếu bước sóng ngắn hơn, vân giao thoa sẽ dày đặc hơn và khoảng cách giữa các dải sáng và tối sẽ giảm đi.
23. Thí nghiệm khe đôi hoạt động như thế nào để chứng minh bản chất sóng của ánh sáng?
Thảo luận: Thí nghiệm khe đôi chứng minh bản chất sóng của ánh sáng bằng cách tạo ra một hình ảnh giao thoa sáng và tối trên màn hình. Hình ảnh này được hình thành do sự kết hợp của các sóng từ cả hai khe, chứng tỏ bản chất sóng của ánh sáng.
24. Hãy giải thích sự khác biệt giữa hiện tượng giao thoa và hiện tượng nhiễu xạ.
Thảo luận: Hiện tượng giao thoa liên quan đến sự kết hợp của hai hoặc nhiều sóng dẫn đến sự tăng hoặc giảm biên độ, trong khi hiện tượng nhiễu xạ liên quan đến sự bẻ cong của sóng khi chúng đi qua một khe hở hoặc xung quanh một vật thể.
25. Trong thí nghiệm khe đôi Young, hãy giải thích tại sao lại xuất hiện các vệt tối và sáng trên màn hình.
Thảo luận: Các vệt sáng và tối xuất hiện do hiện tượng giao thoa tăng cường và giao thoa triệt tiêu giữa các sóng từ hai khe hẹp. Vệt sáng xuất hiện khi xảy ra giao thoa tăng cường (hiệu đường đi là bội số của bước sóng), và vệt tối xuất hiện khi xảy ra giao thoa triệt tiêu (hiệu đường đi là bội số lẻ của một nửa bước sóng).
25. Mẫu nhiễu xạ của khe đơn khác với mẫu nhiễu xạ của khe đôi như thế nào?
Thảo luận: Mẫu nhiễu xạ của khe đơn bao gồm một dải sáng ở trung tâm và các dải tối, sáng xen kẽ ở hai bên. Trong khe đôi, có thêm một mẫu giao thoa do sự tương tác của sóng từ cả hai khe, làm cho mẫu nhiễu xạ phức tạp hơn.
Giao thoa ánh sáng
Giao thoa là một hiện tượng vật lý xảy ra khi hai hoặc nhiều sóng ánh sáng gặp nhau và kết hợp. Điều này tạo ra một hình thái mới với biên độ có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn biên độ của các sóng ban đầu.
Giao thoa tăng cường
Hiện tượng giao thoa tăng cường xảy ra khi hiệu số đường đi của các sóng là bội số của bước sóng (nλ), dẫn đến sự khuếch đại biên độ sóng. Hiện tượng này xuất hiện dưới dạng các dải sáng trên màn hình trong các thí nghiệm như khe đôi Young.
Sự giao thoa phá hủy
Hiện tượng giao thoa triệt tiêu xảy ra khi sự khác biệt về đường đi của các sóng là bội số lẻ của một nửa bước sóng. Điều này dẫn đến sự giảm hoặc thu hẹp biên độ của sóng, được thể hiện dưới dạng một dải tối trong hình ảnh giao thoa.
Sự nhiễu xạ ánh sáng
Hiện tượng nhiễu xạ xảy ra khi sóng ánh sáng truyền qua một khe hẹp hoặc xung quanh một vật thể. Điều này khiến sóng ánh sáng bị bẻ cong và lan rộng, tạo ra một hình ảnh nhiễu xạ đặc trưng.
Hiện tượng nhiễu xạ qua khe hẹp đơn
Trong một khe hẹp, hiện tượng nhiễu xạ tạo ra một vùng sáng ở trung tâm với các dải tối và sáng xen kẽ ở hai bên. Chiều rộng của khe hẹp tỷ lệ nghịch với chiều rộng của vùng nhiễu xạ.
Hiện tượng nhiễu xạ qua khe đôi
Trong hệ thống khe đôi, hiện tượng nhiễu xạ tạo ra một hình ảnh phức tạp hơn. Bên cạnh hình ảnh nhiễu xạ từ mỗi khe, còn có một hình ảnh giao thoa do sự tương tác của sóng từ cả hai khe.
Các thí nghiệm quan trọng
Thí nghiệm khe đôi Young
Thí nghiệm khe đôi của Thomas Young là một trong những cách để quan sát hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ. Các vệt sáng và tối trên màn hình chứng minh bản chất sóng của ánh sáng, hỗ trợ cho lý thuyết sóng của ánh sáng.
Sự kết luận
Hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ thể hiện bản chất sóng của ánh sáng. Hiểu được cách thức hoạt động của giao thoa và nhiễu xạ giúp chúng ta hiểu sâu hơn về các thuộc tính và hành vi của ánh sáng, điều này có những ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực như quang học, công nghệ truyền thông và y học.
Nghiên cứu về giao thoa và nhiễu xạ cũng giúp phát triển các công nghệ như kính hiển vi, kính thiên văn và các dụng cụ quang học khác, vốn dựa vào các mẫu giao thoa và nhiễu xạ để cải thiện độ phân giải và hiệu quả.
