Bài giảng Vật lý đại cương 2 - Chương 7: Quang học sóng (Phần 1)

Chương 7

QUANG HỌC SÓNG

Nguyễn Xuân Thấu -BMVL

1

HÀ NỘI

2016

CHƯƠNG 7. QUANG HỌC SÓNG

NỘI DUNG CHÍNH

♣ Cơ sở quang học sóng.

♣ Hiện tượng giao thoa của 2 sóng ánh sáng kết hợp.

♣ Hiện tượng giao thoa do phản xạ.

♣ Hiện tượng giao thoa gây bởi bản mỏng.

♣ Ứng dụng của giao thoa.

♣ Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng.

♣ Hiện tượng phân cực ánh sáng.

2

1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG

Quang học: là môn học nghiên cứu về ánh sáng và sự tương tác của ánh sáng

với các chất. Quang học cổ điển bao gồm quang học tia (quang hình học) và

quang học sóng.

Quang học tia: Nghiên cứu các hiện tượng ánh sáng dựa trên khái niệm “tia

sáng”. Ví dụ: hiện tượng khúc xạ, phản xạ, tạo ảnh qua gương, lăng kính…

Quang học sóng: Nghiên cứu các hiện tượng ánh sáng dựa trên khái niệm

sóng ánh sáng. Ví dụ: Giao thoa, nhiễu xạ, phân cực, tán sắc…

3

1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG

Các thuyết về bản chất của ánh sáng :

● Thuyết hạt của Newton (cuối thế kỉ 17) Ánh sáng là 1 chùm hạt

● Thuyết sóng của Huygens (cuối thế kỉ 17) Ánh sáng là sóng

● Đầu thế kỷ 19 Fresnel giải thích các hiện tượng quang học

● Thuyết điện từ của Maxwell (1865) Ánh sáng là sóng điện từ

● Thuyết photon của Einstein (1905) Ánh sáng có bản chất lượng tử (Max

Planck)

4

1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG

1.1. Các định luật cơ bản của quang hình học

a) Định luật truyền thẳng ánh sáng: Trong môi trường trong suốt đồng tính

và đẳng hướng ánh sáng truyền theo đường thẳng.

b) 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

thì không phụ thuộc vào sự có mặt hay không của các chùm sáng khác.

5

1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG

1.1. Các định luật cơ bản của quang hình học

c) Hai định luật của Descartes.

Khi một tia sáng tới mặt phân cách hai

môi trường trong suốt, đồng tính và đẳng

hướng thì bị tách làm hai: Tia phản xạ và

tia khúc xạ, chúng tuân theo hai định luật:

* Định luật 1: Tia phản xạ nằm trong mặt

phẳng tới (mặt phẳng chứa tia tới và pháp

tuyến mặt phân cách) và góc tới bằng góc

phản xạ:

6



i₁ i₁

* Định luật 2: Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và tỷ số giữa sin góc tới và

sin góc khúc xạ là một số không đổi:

sini₁n₂

  n₂₁

sini₂n₁

1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG

1.1. Các định luật cơ bản của quang hình học

sini₁n₂

c) Hai định luật của Descartes.

* Hiện tượng phản xạ toàn phần

  n₂₁

sini₂n₁

i₁

7

i₂

n₂

n₁sini_1max n₂sin90⁰ n₂ sini_1max  n₂₁

sini_1max n₂₁

n₁

1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG

1.1. Các định luật cơ bản của quang hình học

c) Hai định luật của Descartes.

* Hiện tượng phản xạ toàn phần

8

1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG

1.2. Những phát biểu tương đương của định luật Descartes

Một số khái niệm:

a) Quang lộ

Quang lộ của tia sáng: Xét hai điểm A, B nằm trong môi trường đồng tính,

chiết suất n, cách nhau một đoạn d.

Quang lộ giữa hai điểm A và B là: L = c.t,

trong đó t = d/v là thời gian để ánh sáng đi từ A đến B.  L = n.d

9

Quang lộ giữa 2 điểm AB là đoạn đường ánh sáng truyền được trong chân

không trong khoảng thời gian t, trong đó t là khoảng thời gian mà ánh sáng

đi được đoạn AB trong môi trường

1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG

1.2. Những phát biểu tương đương của định luật Descartes

Nếu ánh sáng truyền qua các môi trường khác nhau:

B

L  n d

L  nd

^{L }^n.ds



i i

A

10

1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG

1.2. Những phát biểu tương đương của định luật Descartes

b) Nguyên lý Fermat và định lý Malus

 Nguyên lý Fermat: Giữa hai điểm A và B, ánh sáng sẽ truyền theo con

đường nào mà quang lộ là cực trị.

 Định lý Malus: Quang lộ của các tia sáng giữa hai mặt trực giao của một

chùm sáng thì bằng nhau (mặt trực giao là mặt vuông góc với các tia của

một chùm sáng)

11

 Đây là các phát biểu tương đương của các định luật quang hình học.

1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG

1.2. Những phát biểu tương đương của định luật Descartes

b) Nguyên lý Fermat và định lý Malus

Sự tương đương của nguyên lý Fermat với định luật phản xạ



AOB  AO  OB  A O  OB  A B

    



A BO  A B  A O  O B  AO B



 AOB  AO B

12

 Ánh sáng truyền theo quang lộ cực tiểu.

1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG

1.2. Những phát biểu tương đương của định luật Descartes

b) Nguyên lý Fermat và định lý Malus

Sự tương đương của nguyên lý Fermat với định luật phản xạ

Xét 1 elipxoid tròn xoay, nếu đặt nguồn

sáng tại tiêu điểm F1, thì ánh sáng tập

trung tại F2.

 Ánh sáng truyền theo quang lộ cực đại

Xét 1 thấu kính:  Ánh sáng

truyền theo quang lộ không đổi

13

1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG

1.2. Những phát biểu tương đương của định luật Descartes

b) Nguyên lý Fermat và định lý Malus

Sự tương đương của nguyên lý Fermat với định luật khúc xạ

14

1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG

1.2. Những phát biểu tương đương của định luật Descartes

b) Nguyên lý Fermat và định lý Malus

Chứng minh định lý Malus

L₁ n₁A₁I₁ n₂A₂I₂ n₁A₁I₁ n₂I₁H₁ n₂H₁B₁

L₂ n₁A₂I₂ n₂I₂B₂ n₁A₂H₂ n₁H₂I₂ n₂I₂B₂

A₁I₁ A₂H₂

H₁B₁ I₂B₂

15

n₁sini₁ n₂sini₂

L₁ L₂

H₂I₂

I₁I₂

I₁H₁

I₁I₂

 n₁

 n₂

 n₁H₂I₂ n₂I₁H₁

1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG

1.3. Hàm sóng của ánh sáng

O

M

 Giả sử tại O phương trình dao động sáng là: x_O= acost

Phương trình dao động sáng tại M là:

L

2L

Tv

2L

x_M a cos(t  )  a cos(t  )  a cos(t 

)  a cos(t 

)

v



hàm sóng của ánh sáng

16

 là thời gian ánh sáng truyền từ O đến M.

L = c là quang lộ giữa hai điểm OM.

 là bước sóng ánh sáng trong chân không.

1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG

1.4. Cường độ sáng:

 Cường độ sáng I tại một điểm là một đại lượng có trị số bằng năng lượng

ánh sáng truyền qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương

truyền sáng tại điểm đó trong một đơn vị thời gian.

 Cường độ sáng tỷ lệ với bình phương biên độ:

I = ka²

17

1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG

1.4. Nguyên lý chồng chất

 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;

 Tại những điểm gặp nhau, dao động sáng bằng tổng hợp các dao động

sáng thành phần.

18

1. CƠ SỞ QUANG HỌC SÓNG

1.5. Nguyên lý Huyghens

 Bất kỳ điểm nào nhận được sóng ánh sáng đều trở thành nguồn thứ cấp

phát ánh sáng về phía trước nó.

19

Mặt sóng sơ cấp là đường bao các mặt sóng thứ cấp

2. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG ÁNH SÁNG KẾT HỢP

 Giao thoa sóng là trường hợp đặc biệt của hiện tượng chồng chất sóng.

 Kết quả là trong trường giao thoa xuất hiện những điểm mà cường độ sóng

được tăng cường, xen kẽ với những điểm cường độ sóng bị triệt tiêu.

 Điều kiện để các sóng giao thoa với nhau: Sóng kết hợp.

(các sóng có cùng tần số và có độ lệch pha không đổi theo thời gian)

20

Bài giảng Vật lý đại cương 2 - Chương 7: Quang học sóng (Phần 1) - Nguyễn Xuân Thấu