KHỞI ĐỘNG

Câu hỏi: 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). 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?

Lời giải:

• Những điểm đứng yên trên mặt nước khi hai quả cầu dao động đồng thời, các điểm đó chính là những nút đứng trong hiện tượng giao thoa của hai sóng trùng pha, mà tại đó hai sóng trái pha triệt tiêu lẫn nhau và không gây ra dao động trên mặt nước.

I. SỰ GIAO THOA CẢ HAI SÓNG MẶT NƯỚC

1. Sự tạo thành vân giao 

Luyện tập 1: Điểm M nằm cách đều hai nguồn sóng cùng tấn số 90 Hz thì có thuộc hệ vẫn giao thoa của hai sóng đó không?

Lời giải:

• Điểm M nằm cách đều hai nguồn sóng cùng tần số 90 Hz thì có thuộc hệ vẫn giao thoa của hai sóng đó, các điểm nằm trên đường thẳng đi qua hai nguồn sóng và vuông góc với đường thẳng nối hai nguồn sẽ là các vị trí của nút hoặc cực đại trong hệ vân giao thoa của hai sóng.

2. Thí nghiệm kiểm tra 

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.

Lời giải:

- Cách xác định bước sóng do hai nguồn phát ra:
+ Đo khoảng cách giữa hai nguồn.
+ Đếm số khoảng cách giữa đỉnh hai gợn lồi liên tiếp hoặc số khoảng cách giữa đỉnh hai gợn lõm liên tiếp do hai nguồn tạo ra.
+ Dựa vào khái niệm bước sóng là khoảng cách gần nhau nhất giữa hai gợn lồi hoặc hai gợn lõm.
- Áp dụng:
+ Giả sử đối với hình 3.6 ở trên ta đo được khoảng cách giữa hai nguồn S1S2 = a
+ Khoảng giữa hai nguồn có 4 gợn lồi (không tính 2 nguồn) bằng 3.
Khi đó hoàn toàn tính được bước sóng $\lambda=\frac{a}{3} $

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).  $x_{2} - x_{1}= k\lambda$

Lời giải:

giả sử tại 1 và 2 nguồn sóng có phương trình: $u1=u2=Acos(ω t)$

Phương trình sóng tại M do nguồn u1, u2 truyền đến lần lượt là:

$u_{1M}=Acos(\omega t -\frac{2\pi x_{1}}{\lambda})$

$ u_{2M}=Acos(\omega t -\frac{2\pi x_{2}}{\lambda} )$

Độ lệch pha giữa hai dao động tại M: $\Delta\varphi=\frac{2\pi}{\lambda}(x_{2}-x_{1})$

Tại M dao động với biên độ cực đại khi $\Delta \varphi=\frac{2\pi}{\lambda}(x_{2}-x_{1})=k2\pi\Leftrightarrow x_{2}-x_{1}=k\lambda $

II. GIAO THOA ÁNH SÁNG 

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?

Lời giải:
Điều kiện để quan sát được hệ vân giao thoa là hai sóng giao thoa phải đạt được điều kiện thích hợp về pha và biên độ. Nếu tần số dao động của hai sóng khác nhau quá nhiều, thì pha của hai sóng sẽ không còn đồng nhất và sự giao thoa của chúng sẽ không còn tạo ra hệ vân nữa. Thay đổi tần số dao động của quả cầu sẽ làm thay đổi cả tần số và pha của sóng và do đó, nếu không đạt được điều kiện phù hợp về pha và biên độ, thì hệ vân giao thoa sẽ không còn quan sát được trên màn.

Luyện tập 2: Trong một thí nghiệm giao thoa ánh sáng với khe Young, người ta đo được khoảng cách 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?

Lời giải:

• Theo đề bài, khoảng cách từ vân trung tâm đến vân sáng thứ mười là 4,0 mm. Do đó, khoảng cách từ vân trung tâm đến vân sáng thứ mười một (hay vân tối thứ mười) cũng là 4,0 mm.
• Khi đó, vị trí cách vân trung tâm 1,0 mm sẽ là vân tối, bởi vì từ vân trung tâm đến vân sáng thứ mười một là 4,0 mm và từ vân trung tâm đến vân tối thứ nhất (hay vân sáng thứ hai) là 2,0 mm, nghĩa là vị trí cách vân trung tâm 1,0 mm nằm ở giữa hai vân này, do đó là vân tối.

Vận dụng: Nêu phương án xác định bước sóng ánh sáng bằng thí nghiệm giao thoa với khe Young.

Lời giải:

Phương án xác định bước sóng ánh sáng bằng thí nghiệm giao thoa với khe Young như sau:

1. Chọn một nguồn sáng đơn sắc, có thể là laser, để tạo ra ánh sáng có bước sóng cố định.

2. Sử dụng một khe hẹp để tạo ra một dải sáng hẹp, được gọi là ánh sáng đơn vân.

3. Đặt một khe Young, gồm hai khe hẹp song song, trong đường đi của ánh sáng đơn vân.

4. Quan sát sự giao thoa của ánh sáng khi nó đi qua khe Young bằng cách xem vân sáng và vân tối trên một màn quan sát được đặt ở xa khe Young.

5. Đo khoảng cách giữa các vân sáng hoặc vân tối liên tiếp trên màn quan sát.

6. Sử dụng công thức bước sóng giao thoa của ánh sáng:

   $\lambda= d* sin\theta \frac{d* sin\theta }{m}$

   trong đó $\lambda$ là bước sóng, d là khoảng cách giữa hai khe của khe Young, θ là góc giữa một vân sáng hoặc vân tối và trục chính của hình dạng giao thoa, m là số nguyên dương là chỉ số cấp của vân.

7. Tính toán giá trị trung bình của bước sóng dựa trên các giá trị bước sóng tính toán được từ các vân sáng hoặc vân tối khác nhau trên màn quan sát.

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.

Lời giải:

- Ánh sáng trắng là tổng hợp của vô số ánh sáng đơn sắc có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím. Do vậy, để có được vân sáng màu trắng khác thì phần chập quang phổ vân sáng bậc k phải trùng toàn bộ với vân sáng bậc (k+1) .

- Các em làm thí nghiệm quan sát sự giao thoa của ánh sáng trắng trên màn và tìm ra vị trí vân sáng màu gần trung tâm nhất, sau đó dùng thước đo khoảng cách từ vị trí vân trung tâm tới vân sáng trắng gần vân trung tâm nhất.