MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Hình 8.1 cho thấy hình ảnh sóng trên mặt nước là kết quả của sự chồng chất sóng do hai con vịt tạo ra khi bơi. Trong một số trường hợp, sự chồng chất sóng này dẫn đến một hiện tượng thú vị: có những điểm trên mặt nước dao động mạnh và những điểm dao động yếu hoặc đứng yên. Vậy hiện tượng đó là gì và điều kiện nào để hiện tượng này xảy ra?

Lời giải:

• Hiện tượng đó là giao thoa sóng là sự tổng hợp của hai sóng kết hợp ở trong không gian, trong đó có những vị trí biên độ sóng bị giảm bớt hay được tăng cường.
• Điều kiện để có giao thoa là phải có sự kết hợp từ hai nguồn sóng có cùng tần số và có hiệu số pha không đổi theo thời gian.

1. GIAO THOA SÓNG CƠ

Câu hỏi 1: Quan sát thí nghiệm và mô tả lại hiện tượng quan sát được như trong Hình 8.3.

Lời giải:

Trong thí nghiệm giao thoa sóng (Hình 8.2), hai sóng trên mặt nước được sinh ra từ sự dao động của hai viên bi có cùng phương dao động, cùng tần số và cùng pha với nhau do được nối vào cùng một nguồn dao động. 

Khi hai sóng kết hợp gặp nhau, trong môi trường xuất hiện những điểm dao động với biên độ cực đại và những điểm dao động với biên độ cực tiểu (có thể bằng không) lần lượt tương ứng với trường hợp hai sóng tăng cường (hai sóng cùng pha tại những điểm này) và làm suy giảm nhau (hai sóng ngược pha tại những điểm này). Đây chính là hiện tượng giao thoa sóng.

Câu hỏi 2: Quan sát thí nghiệm được thực hiện theo bố trí trong Hình 8.2 và nhận xét sóng tạo bởi hai viên bị về: tần số, pha và phương dao động.

Lời giải:

• Trong thí nghiệm hai viên bi đóng vai trò như hai nguồn kết hợp. Hai sóng được tạo ra từ hai nguồn kết hợp được gọi là hai sóng kết hợp. Tổng quát, hai sóng kết hợp là hai sóng có cùng phương dao động, cùng tần số và độ lệch pha không đổi theo thời gian.

Luyện tập: Trong thí nghiệm giao thoa sóng trên mặt nước với hai nguồn kết hợp dao động cùng biên độ, những điểm nằm trên đường trung trực của đoạn thẳng nối hai nguồn sẽ dao động với biên độ như thế nào nếu:

a) hai nguồn dao động cùng pha?
b) hai nguồn dao động ngược pha?

Lời giải:
a) hai nguồn dao động cùng pha thì những điểm nằm trên đường trung trực của đoạn thẳng nối hai nguồn sẽ dao động với biên độ cực đại $d_{2}​–d_{1​}=k\lambda$
b) hai nguồn dao động ngược pha những điểm nằm trên đường trung trực của đoạn thẳng nối hai nguồn sẽ dao động với biên độ cực tiểu $d_{2}​–d_{1​}=(k+\frac{1}{2})\lambda$

Luyện tập: Trong thí nghiệm giao thoa sóng trên mặt nước với hai nguồn kết hợp dao động cùng biên độ, những điểm nằm trên đường trung trực của đoạn thẳng nối hai nguồn sẽ dao động với biên độ như thế nào nếu:

a) hai nguồn dao động cùng pha?
b) hai nguồn dao động ngược pha?

Lời giải:
a) hai nguồn dao động cùng pha thì những điểm nằm trên đường trung trực của đoạn thẳng nối hai nguồn sẽ dao động với biên độ cực đại $d_{2}​–d_{1​}=k\lambda$
b) hai nguồn dao động ngược pha những điểm nằm trên đường trung trực của đoạn thẳng nối hai nguồn sẽ dao động với biên độ cực tiểu $d_{2}​–d_{1​}=(k+\frac{1}{2})\lambda$

Vận dụng: Giải thích vì sao trong tự nhiên, ta thường không quan sát được hiện tượng giao thoa của sông như trường hợp sóng nước tạo bởi hai con vịt đang bơi (Hình 8.1).

Lời giải:

• Vì sóng nước tạo bởi hai con vịt thường có tần số khác nhau và có độ lệch pha thay đổi theo thời gian nên không phải là hai sóng kết hợp. Do đó, hai sóng này không thể gây ra được hiện tượng giao thoa.

2. GIAO THOA SÓNG ÁNH SÁNG

Câu hỏi 3: Quan sát Hình 8.6 và mô tả hình ảnh nhận được trên màn M.

Lời giải:

• Ta thấy trên màn M có những vạch sáng màu đỏ (cùng màu với nguồn sáng sơ cấp) cách đều nhau và xen kẽ với các vạch tối.

Câu hỏi 4: Giải thích hiện tượng quan sát được trong thí nghiệm Young về giao thoa ánh sáng (Hình 8.6).

Lời giải:

• Ta biết rằng khi có hiện tượng giao thoa sóng, trong mỗi trường xuất hiện những điểm dao động với biên độ cực đại xen kẽ với những điểm dao động với biên độ cực tiểu (đặc biệt khi hai nguồn dao động cùng biên độ thì những điểm này đứng yên). Đồng thời, vì năng lượng của dao động tỉ lệ thuận với cường độ sóng nên những điểm dao động với biên độ cực đại là những điểm tại đó, năng lượng hoặc cường độ sóng (cường độ sáng) có giá trị cực đại, tương ứng với vân sáng trong hiện tượng giao thoa ánh sáng. Còn những điểm đứng yên là những điểm tại đó cường độ sáng bằng không, là các vân tối.

Luyện tập: Trong thí nghiệm Young về giao thoa ánh sáng, khoảng vân sẽ thay đổi thế nào khi ta thay nguồn sáng đơn sắc có bước sóng $\lambda$ bằng ánh sáng đơn sắc có bước sóng là $1,2\lambda$? Nếu khoảng cách từ hai khe đến màn quan sát giữ cố định, ta phải thay đổi khoảng cách giữa hai khe như thế nào để khoảng vẫn lại có độ lớn như ban đầu?

Lời giải:

Ta có: $i=\frac{\lambda D}{a}$

Từ công thức ta thấy nếu $\lambda$ tăng thành $1,2\lambda$ để giữ nguyên i thì phải tăng a thành 1,2a

Vận dụng: Tìm hiểu và mô tả sơ lược hình ảnh nhận được trên màn khi ta sử dụng nguồn sáng trắng (như ánh sáng mặt trời) trong thí nghiệm Young về giao thoa ánh sáng.

Lời giải:

Khi thực hiện giao thoa với ánh sáng trắng ta thấy:

• Ở chính giữa mỗi ánh sáng đơn sắc đều cho một vạch màu riêng, tổng hợp của chúng cho ta vạch sáng trắng (Do sự chồng chập của các vạch màu đỏ đến tím tại vị trí này)
• Tia tím gần vạch trung tâm hơn tia đỏ (Xét cùng một bậc giao thoa)
• Tập hợp các vạch từ tím đến đỏ của cùng một bậc (cùng giá trị k) quang phổ của bậc k đó, (Ví dụ: Quang phổ bậc 2 là bao gồm các vạch màu từ tím đến đỏ ứng với k = 2).

BÀI TẬP

Bài 1: Trong thí nghiệm giao thoa sóng trên mặt nước với hai nguồn kết hợp cùng pha, ta thấy tại một điểm cách hai nguồn các khoảng lần lượt là 20 cm và 12 cm, sóng có biên độ cực đại, đồng thời giữa điểm này và đường trung trực của hai nguồn có 4 dãy gồm những điểm dao động với biên độ cực đại. Biết tốc độ truyền sóng là 40 cm/s. Tính tần số của sóng.

Lời giải:

Ta có: $d_{2}-d_{1}=k\lambda$

Vì giữa điểm này và đường trung trực của hai nguồn có 4 dãy gồm những điểm dao động với biên độ cực đại nên $20-12=5\lambda \Rightarrow\lambda=1,6 cm$

Ta có: $f=\frac{v}{\lambda}=\frac{40}{1,6}=25Hz$

Bài 2: Thí nghiệm Young về giao thoa ánh sáng thường được sử dụng để đo bước sóng của ánh sáng đơn sắc. Khi chiếu hai khe bằng một nguồn phát ánh sáng đơn sắc, ta thấy vẫn sáng thứ năm cách vẫn trung tâm là 2,8 cm. Biết hai khe đặt cách nhau 0,2 mm và cách màn một khoảng 1,5 m. Xác định bước sóng của ánh sáng được dùng trong thí nghiệm.

Lời giải:

Vì ta thấy vẫn sáng thứ năm cách vẫn trung tâm là 2,8 cm nên $5i=2,8 \Rightarrow i = 0,56 cm$

Bước sóng của ánh sáng được dùng trong thí nghiệm là: $\lambda =\frac{ai}{D}=\lambda =\frac{0,2.0,56}{1,5}=0,7467 \mu m$

Bài 3: Trong thí nghiệm Young về giao thoa ánh sáng, người ta sử dụng một nguồn sáng phát ra đồng thời hai ánh sáng đơn sắc có bước sóng lần lượt là 400 nm và 600 nm. Biết khoảng cách giữa hai khe là 0,2 mm và khoảng cách từ hai khe đến màn là 1,5 m.