Giải chi tiết Vật lí 11 chân trời mới bài 8: Giao thoa sóng

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?

Hướng dẫn trả lời:

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.

Hướng dẫn trả lời:

Mỗi nguồn sóng phát ra một sóng có các gợn sóng là những đường tròn đồng tâm. Trong vùng gặp nhau của hai sóng xuất hiện những vạch là giao điểm của các sóng tròn phát ra từ hai nguồn.

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.

Hướng dẫn trả lời:

Hai sóng phát ra từ hai viên bi cùng gắn vào một cần dao động nên chúng có cùng tần số, cùng pha và dao động cùng phương.

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?

Hướng dẫn trả lời:

a) Hai nguồn cùng pha: Sóng từ hai nguồn khi truyền đến các điểm trên đường trung trực cách đều các nguồn sẽ dao động cùng pha với nhau nên tăng cường nhau; dẫn đến sóng tổng hợp tại các điểm này dao động với biên độ cực đại.

b) Hai nguồn ngược pha: Sóng từ hai nguồn khi truyền đến các điểm trên đường trung trực cách đều các nguồn sẽ dao động ngược pha với nhau; hai sóng làm suy yếu nhau dẫn đến các điểm này dao động với biên độ cực tiểu. Nếu hai nguồn dao động cùng biên độ thì các điểm trên đường trung trực sẽ đứng yên.

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

Hướng dẫn trả lời:

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.

Hướng dẫn trả lời:

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).

Hướng dẫn trả lời:

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 λ bằng ánh sáng đơn sắc có bước sóng là 1,2λ? 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?

Hướng dẫn trả lời:

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.

Hướng dẫn trả lời:

Với mọi giá trị của bước sóng $\lambda$, vân trung tâm (vân chính giữa) luôn là vân sáng nên khi nguồn là ánh sáng trắng, tất cả ánh sáng đơn sắc đều cho vân sáng tại vị trí trung tâm nên vân trung tâm vẫn có màu trắng. Vị trí các vân sáng bậc một (hai bên vẫn sáng trung tâm) tỉ lệ thuận với giá trị của bước sóng: $x=ki=k\frac{\lambda D}{a}$ nên vẫn sáng bậc một của các ánh sáng đơn sắc tách ra tạo thành dải màu như dải màu của cầu vồng biến thiên từ tím đến đỏ (vân sáng màu đỏ xa vân trung tâm nhất, vẫn sáng màu tím gần vân trung tâm nhất). Vùng sáng này được gọi là quang phổ bậc một, có bể rộng được tính:

$x_{d1} -x_{t1}=\frac{D}{a}(\lambda{đ}-\lambda{t})$

Tuy nhiên, kể từ quang phổ bậc hai, có thể sẽ có một phần quang phổ bậc ba trùng lên quang phổ bậc hai nền ta không quan sát thấy dải màu đẩy đủ như màu cầu vồng của quang phổ bậc một.

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.

Hướng dẫn trả lời:

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.

Hướng dẫn trả lời:
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: $\lambda =\frac{ai}{D}=\lambda =\frac{0,2.0,56}{1,5}=0,7467 \mu m$