Bài giảng Vật lý đại cương 2 - Bài: Quang học sóng - Lê Công Hảo

QUANG HỌC SÓNG
TS. Lê Công Hảo
SPX đổi pha 1800K
h
ô
n
g
đ
ổ
i
p
h
a
GIỚI THIỆU
Quang học: Là ngành vật lý học nghiên cứu về
bản chất, sự lan truyền và tương tác của ánh
sáng với môi trường vật chất.
Các thuyết về bản chất của ánh sáng :
•Thuyết hạt của Newton (cuối thế kỉ 17)
•Thuyết sóng của Huygens (cuối thế kỉ 17)
•Thuyết điện từ của Maxwell (1865)
•Thuyết photon của Einstein (1905)
Quang học sóng: nghiên cứu về bản chất, sự lan
truyền và tương tác của ánh sáng với môi trường
vật chất dựa trên cơ sở tính chất sóng của á/s.
§1- CÔ SÔÛ CUÛA QUANG HÌNH VAØ QUANG SOÙNG
I- Nhöõng cô sôû cuûa quanq hình hoïc
1. Ñònh luaät veà söï truyeàn thaúng aùnh saùng
2. Ñònh luaät veà taùc duïng ñoäc laäp cuûa caùc tia saùng
3. Caùc ñònh luaät Descartes
* Ñònh luaät phaûn xaï ii '
* Ñònh luaät khuùc xaï
2211 sinsin inin 
n4. Nhöõng phaùt bieåu töông ñöông cuûa ñònh luaät Descartes
a. Khaùi nieäm veà quang loä (quang trình)
+ Tröôøng hôïp aùnh saùng truyeàn trong moâi tröôøng ñoàng
nhaát
Quang loä khi aùnh saùng truyeàn töø A ñeán B laø:
  nd
v
d
c
v
AB
cABLAB 
A
B
d
+ Tröôøng hôïp aùnh saùng truyeàn qua nhieàu moâi tröôøng 
ñoàng nhaát khaùc nhau:
n2
n3
n1
A
d1 B
C
d2
D
d3
Quang loä khi aùnh saùng
truyeàn töø A ñeán D laø:
332211ABCD dndndnL 
 ABCDLABCD 
i iL n s 
II- Nhöõng cô sôû cuûa quanq hoïc soùng
1. Thuyeát ñieän töø veà aùnh saùng cuûa Maxwell
* Aùnh saùng laø soùng ñieän töø
Aùnh saùng vaø soùng ñieän töø coù nhieàu tính chaát gioáng nhau:
Vaän toác aùnh saùng = vaän toác soùng ñieän töø
,
n
c
vas 
n
c1
v
oo
s 

ñt
Aùnh saùng vaø soùng ñieän töø ñeàu laø caùc soùng ngang:
 Aùnh saùng vaø soùng ñieän töø ñeàu tuaân theo caùc ñònh luaät phaûn
xaï, khuùc xaï nhö nhau
 Aùnh saùng vaø soùng ñieän töø coù theå gaây ra caùc hieän töông giao
thoa, nhieãu xaï tuaân theo caùc qui luaät nhö nhau
* Aùnh saùng thaáy ñöôïc laø soùng ñieän töø coù böôùc soùng (trong chaân 
khoâng):
m76,0m41,0   
* Aùnh saùng ñôn saéc laø soùng ñieän töø ñôn saéc
Trong soùng aùnh saùng ñôn saéc cuõng coù ñieän tröôøng , töø tröôøngE
B
B
E
v
E
B
,E
,B
v
(theo thöù töï treân) taïo thaønh tam dieän thuaän
E Bvaø tyû leä: B.vE 
Do raát lôùn neân: BE v E
 ñöôïc goïi laø vectô soùng saùng
Soùng aùnh saùng ñöôïc bieåu dieãn baèng vectô ñieän tröôøng E
* Haøm soùng aùnh saùng ñôn saéc
Moät soùng aùnh saùng ñôn saéc 
ñöôïc bieåu dieãn bôûi haøm soùng:
 r.kti
oeEE
  
r
: vectô vò trí cuûa ñieåm khaûo saùt
   2 Vôùi laø taàn soá soùng aùnh saùng
n
: vectô ñôn vò treân phöông truyeàn soùng
E
v
Phöông 
dao 
ñoäng Phöông truyeàn soùng
O
x
z
y
M
r
n
k
 

L2
.n
L2
r.k
n
Soùng aùnh saùng ñôn saéc thöïc:
n
2
k
n

 vôùi laø vectô soùngk
r
2
r.kr.k
n
Neáu thì:nr

n
n

 
n : laø böôùc soùng aùnh saùng trong 
moâi tröôøng chieát suaát n
O
x
z
y
M
r
n
k
 r.ktcosEE o
  

  
L2
tcosEE o
hay:
2 L 

Nhận Xét: Sóng tại M luôn trễ
pha hơn sóng tại nguồn một
lượng:

  
n
1
01M1
d2
tcosEE
* Lieân heä giöõa hieäu pha cuûa hai soùng vaø hieäu quang loä:
1S
2S
1d M
2d
tEE SS cos101
tEE SS cos202
Dao ñoäng saùng taïi M do 2 nguoàn S
1
vaø S
2
gôûi tôùi:

  
n
2
02M2
d2
tcosEE
 12
n
ndnd
n
2

 12 LL
2

 12
n
21 dd
2

,
n
n

  ,ndL 22 :ndL 11 Thay:
L
2

Hieäu pha cuûa hai soùng taïi M:
* Cöôøng ñoä saùng (đơn vị W/m2)
Cöôøng ñoä saùng taïi moät ñieåm chính laø cöôøng ñoä soùng 
ñieän töø taïi ñoù:
22
2
1
EEI
o
o
o
o




 I HEP
 vôùi:
Trong chân không
2~ EI
2EI
 hay
2
..
2
11
EcIc o
oo


Cöôøng ñoä saùng taïi M phuï thuoäc hieäu pha cuûa hai
soùng tôùi taïi M:
 12 LL
2

=> I phuï thuoäc hieäu quang loä L = L
2
- L
1
cuûa
hai soùng tôùi taïi M
 122121
2
cos2 LLIIIII 

Vậy cöôøng ñoä saùng taïi ñieåm M laø:
Ví dụ 1: cho các dữ kiện như hình vẽ
Chứng minh rằng tại điểm
P
Ñieàu kieän ñeå coù cöïc ñaïi vaø cöïc tieåu giao thoa
 1LL
2
cos khi II 12max 

a) Cöïc ñaïi giao thoa:
 kLL 12  

2.kLL
2
12
... 2, 1, 0,k Vôùi:
 1
2
cos khi
12min
 LLII

b) Cöïc tieåu giao thoa:

2.kLL
2
12 
2
1
kLL 12  
... 2, 1, 0,k Vôùi:
c Hình daïng vaø vò trí vaân giao thoa
* Hình daïng vaân giao thoa trong khoâng gian
Ñoái vôùi cöïc ñaïi giao thoa: kLL 12  
 kdd n12  
Hieäu khoaûng caùch töø hai nguoàn keát hôïp ñeán caùc
ñieåm naøy laø:
Hieäu khoaûng caùch töø hai nguoàn keát hôïp ñeán caùc
ñieåm naøy laø:
2
1
kdd n12  
Ñoái vôùi cöïc tieåu giao thoa: 
2
1
kLL 12  
,
n
n

 
Cực đại
Cực tiểu
Taäp hôïp caùc ñieåm coù cöôøng ñoä saùng cöïc ñaïi laø
moät hoï hyperboloid troøn xoay (coù tieâu ñieåm laø
hai nguoàn keát hôïp S
1
vaø S
2
) öùng vôùi caùc trò soá cuûa
k
... 2, 1, 0,k 
Taäp hôïp caùc ñieåm coù cöôøng ñoä saùng cöïc tieåu cuõng
laø moät hoï hyperboloid troøn xoay xen keû vôùi hoï
maët treân
k
s
= 1
k
s
= 0
k
s
= -1
k 
s
= -2
k
s
= 2
k
t
= 0
k
t
= -1
k
t
= 1
k
t
= 2
k
t
= -2
k
t
= -3
S
1
S
2
* Hình daïng vaân giao thoa trong maët phaúng
AÛnh giao thoa thöôøng ñöôïc höùng treân moät maøn
phaúng (E) ñeå quan saùt
Do heä vaân giao thoa khoâng ñònh xöù ôû moät vò trí
ñaëc bieät naøo neân coù nhieàu caùch ñaët maøn (E)
Giao thoa aùnh saùng gaây bôûi 2 nguoàn ñieåm keát
hôïp laø giao thoa khoâng ñònh xöù
S
1
S
2
Maøn (E) song song vôùi S
1
S
2
, vaân giao thoa coù daïng hình hyperbol
(E)
S
1
S
2
Maøn (E
1
) vuoâng goùc vôùi S
1
S
2
, vaân giao thoa coù daïng hình troøn
(E
1
)
S
1
S
2
Maøn (E
2
) caét S
1
S
2
nhö hình veõ, vaân giao thoa coù hình ellip
(E
2
)
S
1
S
2
Maøn (E
3
) caét S
1
S
2
nhö hình veõ, vaân giao thoa coù hình parabol
(E
3
)
Không có giao thoa
Giao thoa
2. Thí nghiệm khe Young
Thực tếthí nghiệm khe Young
* Vò trí vaân giao thoa treân maøn song song vôùi S
1
S
2
1S
2S
a