Giải chi tiết Vật lí 11 cánh diều mới bài 3: Giao thoa sóng

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?

Hướng dẫn trả lời: 

Những điểm đứng yên là do hai sóng tới gặp nhau tại điểm đó ngược pha.

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?

Hướng dẫn trả lời:

Điểm M có thuộc hệ vân giao thoa của hai sóng. Khi đó điểm M nằm trên đường trung trực của đoạn nối hai nguồn sóng.
- Nếu hai nguồn dao động cùng pha thì M dao động với biên độ cực đại.
- Nếu hai nguồn dao động ngược pha thì M dao động với biên độ cực tiểu.

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.

Hướng dẫn trả lời:

- 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).  x₂−x₁=kλ

Hướng dẫn trả lời:

giả sử tại 1 và 2 nguồn sóng có phương trình: u₁=u₂=Acos($\omega$ 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?

Hướng dẫn trả lời:

Điều kiện để quan sát được hệ vân giao thoa: là hai sóng phải xuất phát từ hai nguồn dao động có cùng tần số, cùng phương dao động và có độ lệch pha không đổi theo thời gian.

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?

Hướng dẫn trả lời:

Khoảng cách từ vân trung tâm đến vân sáng thứ mười là 4,0 mm nên ta có: $i=\frac{4}{10}=0,4 mm$

Ở vị trí cách vân trung tâm 1,0 mm có: $k=\frac{x}{i}=\frac{1}{0,4}=2,5=3-\frac{1}{5}$

Nên ở vị trí cách vân trung tâm 1,0 mm có vân tối bậc 3

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

Hướng dẫn trả lời:

Phương án xác định bước sóng ánh sáng bằng thí nghiệm giao thoa với khe Young.
1. Mục đích thực hành
- Quan sát hệ vân giao thoa tạo bởi khe Young, sử dụng chùm sáng laser.
- Đo bước sóng ánh sáng.
2. Dụng cụ thí nghiệm
- Nguồn phát laser.
- Khe Young: Một màn chắn có hai khe hẹp song song, độ rộng mỗi khe bằng 0,05 mm hoặc 0,1 mm, khoảng cách a giữa hai khe cho biết trước.
- Thước cuộn 3000 mm.
- Thước kẹp, độ chia nhỏ nhất 0,02 hoặc 0,05 mm.
- Giá thí nghiệm.
- Một tờ giấy trắng.
3. Cơ sở lý thuyết
Tia laser là một chùm sáng song song, đơn sắc. Khi chiếu chùm tia laser vuông góc với màn chắn P có hai khe hẹp song song F1, F2. Hai khe hẹp này trở thành hai nguồn kết hợp phát sóng ánh sáng về phía trước. Cách màn chắn P một khoảng D, ta đặt màn quan sát E song song với P.
Các sóng ánh sáng từ F1, F2 gặp nhau sẽ giao thoa với nhau, trên màn E xuất hiện hệ vân màu gồm những dải sáng tối xen kẽ. Khoảng vân i (khoảng cách giữa hai vân sáng, hoặc hai vân tối liên tiếp) liên hệ với a, D và bước sóng λ theo công thức:
$i=\frac{\lambda D}{a}$
Nếu khoảng cách a giữa hai khe cho biết trước, đo khoảng cách D và khoảng vân i, ta tính được bước sóng λ của tia laser.
Đánh dấu vị trí của các vân sáng trên tờ giấy trắng phân bố trên n khoảng vân, n tùy chọn. Dùng thước cặp đo khoảng cách L giữa n vân sáng đã được đánh.
Khoảng vân i: $i=\frac{L}{n}$ (mm)
Bước sóng của chùm laser được tính theo công thức: $\lambda=\frac{i a}{D}=\frac{aL}{Dn}$
Tắt công tắc K, rút phích điện của nguồn laser ra khỏi ổ cắm điện. Kết thúc thí nghiệm.

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.

Hướng dẫn trả lời:

- 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.