Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ

--------o0o--------

NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG

NGHIÊN CỨU SỰ TRUYỀN ÁNH SÁNG
Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết

Người hướng dẫn khoa học: Ths. Phan Thị Thanh Hồng.

Hà Nội, 2012

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

1


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành khóa luận này, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ nhiệt
tình của các thầy cô.
Đầu tiên tôi muốn gửi lời cảm ơn tới ThS. Phan Thị Thanh Hồng là

Sinh viên

Nguyễn Thị Hồng Nhung

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

3


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài .............................................................................. 1
2. Mục đích nghiên cứu ........................................................................ 1
3. Nhiệm vụ nghiên cứu ....................................................................... 2
4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................. 2
5. Cấu trúc khóa luận ............................................................................ 2
NỘI DUNG
Chƣơng 1. Vận tốc ánh sáng .................................................................... 3
1.1 Cách xác định vận tốc ánh sáng bằng thực nghiệm ........................... 3
1.1.1 Cách đặt vấn đề của Galilei ..................................................... 3
1.2.2 Phương pháp của Rome ........................................................... 3

2.4.1 Những sự kiện thực nghiệm ..................................................... 29
2.4.2 Giải thích sự giao thoa trong các màng mỏng .......................... 31
2.5 Các cách xác định bước sóng ánh sáng .............................................. 37

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

5


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

2.5.1 Xác định bước sóng ánh sáng bằng phương pháp giao thoa . 37
2.5.2 Xác định bước sóng ánh sáng bằng phương pháp nhiễu xạ .. 41
2.6 Những ứng dụng của hiện tượng giao thoa ........................................ 41
2.6.1 Làm sáng quang hệ hay khử phản xạ..................................... 41
2.6.2 Phương pháp giao thoa để kiểm tra phẩm chất các bề mặt ... 44
2.6.3 Xác định met theo bước sóng ................................................ 44
2.7 Kết luận chương 2 ............................................................................... 44
Chƣơng 3. Nhiễu xạ ánh sáng .................................................................. 48
3.1 Bước chuyển tiếp từ sự nghiên cứu hiện tượng giao thoa sang nhiễu xạ.
Nguyên lý Huygens - Fresnel .......................................................... 48
3.2 Hai khe Young. ................................................................................... 49
3.3 Những thí nghiệm về nhiễu xạ. Sự nhiễu xạ và photon. ..................... 51
3.3.1 Những thí nghiệm về sự nhiễu xạ. ........................................... 51
3.3.2 Sự nhiễu xạ và photon ............................................................. 59
3.4 Nhiễu xạ của bức xạ Rontgen ............................................................. 61
3.4.1 Nhiễu xạ của bức xạ Rontgen trong đơn tinh thể .................... 61
3.4.2 Nhiễu xạ của bức xạ Rontgen trong chất đa tinh thể ............... 63

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Vật lý học là một trong những môn khoa học nghiên cứu các quy luật
từ đơn giản đến tổng quát của tự nhiên. Quang học là phần quan trọng của vật
lý học, nó là môn học nghiên cứu về ánh sáng và nó đã chứng tỏ rằng ánh
sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt. Trong sự tiến bộ của khoa
học kỹ thuật hiện đại, quang học ứng dụng có giá trị to lớn trong các lĩnh vực
điện tử học, các phương tiện liên lạc, kỹ thuật ánh sáng, tự động học…
Nghiên cứu về sự truyền ánh sáng giúp chúng ta hiểu rõ hơn về tính
chất sóng của ánh sáng thông qua việc nghiên cứu các hiện tượng giao thoa
ánh sáng, nhiễu xạ ánh sáng và sự phân cực ánh sáng. Chính vì vậy việc
nghiên cứu, tìm hiểu các hiện tượng này để hiểu rõ hơn về bản chất của ánh
sáng là nhiệm vụ của người học vật lý nói riêng và của những người yêu thích
khoa học vật lý nói chung.
Hiện nay, trong nhiều giáo trình quang học, khi viết về các hiện tượng
của sự truyền ánh sáng còn chung chung và chưa làm rõ được tính chất sóng
của ánh sáng. Vì vậy, việc nghiên cứu làm rõ tính chất này thông qua nghiên
cứu về sự truyền của ánh sáng là rất cần thiết.
Xuất phát từ lòng yêu thích bộ môn quang học của bản thân, tôi thấy
rằng việc nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu sự truyền ánh sáng” là cần thiết
nhằm nâng cao hiểu biết riêng của bản thân tôi đồng thời cũng có thể làm tài
liệu tham khảo cho các bạn khác.
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu làm rõ tính chất sóng của ánh sáng thông qua việc nghiên
cứu các hiện tượng của sự truyền ánh sáng.

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng


 Chương 4: Sự phân cực ánh sáng.
 Kết luận.
Phần tài liệu tham khảo.

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

9


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

NỘI DUNG
CHƢƠNG 1: VẬN TỐC ÁNH SÁNG
1.1. Cách xác định vận tốc ánh sáng bằng thực nghiệm.
1.1.1. Cách đặt vấn đề của Galilei.
Phương pháp “đóng mở” quang học của Galilei là cơ sở của những
phương pháp đo vận tốc ánh sáng sau này.
Thí nghiệm của Galilei: hai quan sát viên đứng cách nhau không xa. Họ
giao ước với nhau, khi quan sát viên I mở đèn và ánh sáng đến quan sát viên
II, thì quan sát viên II mở đèn của mình và ánh sáng sẽ đến quan sát viên I. Có
thể dự đoán rằng nếu khoảng cách giữa hai quan sát viên lớn thì thời gian để
truyền được khoảng cách đó phải lớn hơn thời gian ánh sáng truyền được
khoảng cách bé. Điều đó chứng tỏ rằng ánh sáng có vận tốc giới nội. Nhưng ý
định đó không đem lại kết quả vì vào thời Galilei chưa có phương pháp đo
những khoảng thời gian ngắn vào hang phần triệu giây (micro giây).
Sơ đồ thí nghiệm của Galilei về nguyên tắc trùng với tất cả các phương
pháp đo trực tiếp vận tốc truyền của ánh sáng về sau này.
1.1.2. Phương pháp của Rome.

996s

(1.1)

Ta cần chú ý rằng, chu kỳ chuyển động của Trái đất là 365,25 ngày
đêm (1 năm), còn của sao Mộc là 12 năm.Vì vậy, khi Trái đất đi được một
nửa chiều dài quỹ đạo của mình (nghĩa là đi được cung tròn 180  ) thì sao
Mộc đi được 1/24 quỹ đạo của mình (nghĩa là cung tròn 15  ). Thời gian để
ánh sáng đi theo dây cung và đường kính của quỹ đạo Trái đất thực tế là như
nhau.
Rome là người đầu tiên chứng tỏ rằng, mặc dù vận tốc ánh sáng rất lớn,
nó vẫn có giới hạn. Phát minh của Rome xác nhận thuyết của Copecnic về
chuyển động của Trái đất.
Giá trị vận tốc ánh sáng tìm được là giá trị của vận tốc ánh sáng trong
chân không. Khi quan sát vệ tinh của sao Mộc lúc nó ra khỏi bóng tối của
hành tinh, người ta không phát hiện được nhưng hiệu ứng nào có liên quan tới
sự thay đổi màu sắc. Điều đó có nghĩa là trong chân không ánh sáng truyền
với vận tốc không phụ thuộc vào tần số.

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

11


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

1.1.3. Thí nghiệm Michelson.
Trong thí nghiệm này ta phải giải thích sự xuất hiện một cách tuần hoàn


Hình 1.2.4
Do đó:
Khi n < 526 vòng/giây: ảnh của nguồn sáng không có.
Khi n = 526 vòng/ giây: ảnh xuất hiện.
Khi 526 vòng/giây < n
3.10 8 m / s ,vận tốc ánh sáng trong các môi trường luôn bé hơn trong chân
không. Vận tốc ánh sáng là một đại lượng rất lớn, nhưng có giới hạn.

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

14


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

1.2. Tính không đổi của vận tốc ánh sáng trong chân không.
Trong phần cơ học, ta đã biết vận tốc là một đại lượng tương đối, nó
phụ thuộc vào hệ quy chiếu.
Tuy nhiên Michelson đã làm thí nghiệm chứng minh rằng trong tự
nhiên có một vận tốc duy nhất không phụ thuộc vào hệ quy chiếu, vận tốc như
nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính, đó là vận tốc ánh sáng trong chân
8
không, bằng 3.10 m / s . Mục đích của thí nghiệm là phát hiện ra được “gió

ete”. Thí nghiệm này có ý nghĩa quyết định đối với thuyết đương đối và được
đánh giá là “vĩ đại nhất trong các kết quả phủ định của lịch sử khoa học”.
Việc giải thích vận tốc ánh sáng không phụ thuộc vào chuyển động của
nguồn sáng và của người quan sát cũng là một vấn đề quan trọng. Tần số mà
người quan sát thu nhận đượcphụ thuộc vào chuyền động của nguồn và của
người quan sát (hiệu ứng Dople). Tần số này phụ thuộc vào vận tốc tương đối
của chúng.
Tuy nhiên vận tốc ánh sáng trong chân không là không đổi, nó bằng


sát trên Trái đất, cách ngôi sao khoảng l mất một thời gian:
t1 

l
cv

(1.4)

Và từ vị trí II, mất một thời gian:

1
l
t2  T 
2
cv

(1.5)

Ở vị trí I vận tốc của ánh sáng và ngôi sao trừ cho nhau còn ở vị trí II
các vận tốc này được cộng vào nhau.Ta khảo sát hai trường hợp.
1.2.1.1. Mặc dù c  v với khoảng cách đến các sao đôi lớn, có thể là

t 2  t1 :

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

16


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Điều đó có nghĩa là vận tốc ánh sáng không phụ thuộc vào chuyển động của
nguồn sáng.
1.2.2. Thí nghiệm Michelson.
Trên Trái đất đặt nguồn sáng S và cách nguồn sáng S một khoảng l đặt
một gương M (hình 1.4.1).

Hình 1.4.1: Ánh sáng truyền theo chiều chuyển động của Trái đất
và ngược lại.

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

17


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

Ánh sáng truyền đến gương theo chiều chuyên động của Trái đất, vận
tốc của Trái đất là 30 km/s. Sauk hi phản xạ tại gương, ánh sáng quay trở về
nguồn, ở đó có người quan sát.
Giả thiết rằng ánh sáng được truyền đi bời một môi trường vật lý không
trọng lượng (bởi “ete”) và trong môi trương ấy ánh sáng truyền với vận tốc c
đối với hệ quy chiếu đứng yên ưu tiên P, gắn liền với ete đứng yên. Trái đất
cũng chuyển động đối với môi trương đứng yên này với vận tốc v (như máy
bay đối với không khí). Thừa nhận giả thiết này, phải xem rằng vận tốc của
ánh sáng và của nguồn chuyển động cùng với Trái đất được cộng theo hình
học. Điều đó có nghĩa là vận tốc ánh sáng đối với Trái đất không bằng c. Nếu
chiều truyền của ánh sáng và của chuyển động Trái đất là trùng nhau, thì thời
gian để ánh sáng đi từ nguồn đến gương bằng

1 2
c

(1.9)

Giữ không đổi vị trí tương đối của nguồn sáng và gương, người ta quay
toàn bộ thiết bị trong mặt phẳng nằm ngang một góc 90  . Khi đó ánh sáng đi
qua khoảng cách SM’ và sau khi phản xạ từ gương quay trở về người quan
sát. Trong thời gian đó người quan sát cùng với Trái đất đã đi được đoạn
đường SS’= vt 1 (hình 1.4.2). Bây giờ ánh sáng truyền đi vuông góc với
phương chuyển động của Trái đất.

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

18


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

Hình 1.4.2: Ánh sáng truyền vuông góc với phương chuyển động
của Trái đất.
Quãng đường mà ánh sáng “đi” và “về” sẽ bé hơn quãng đường khi chuyển
động của ánh sáng và của Trái đất song song nhau.thời gian để ánh sáng
truyền được quãng đường 2l 1 bằng:
t1 

nhưng
Vì vậy

t12 2
c  v2  l 2
4

(1.13)

Từ đó

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

(1.12)

19


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý
4l 2
t  2 2 
c v
2
1



t1 

4l 2
 v2 

c
c
 c 
1

t1
v2
v2
Nhân cả tử và mẫu với 1  2 , ta có:  1  2
t
c
c

(1.16)

(1.17)

Vì v < c nên t 1 < t
Tuy nhiên các phép đo của Michelson trong thí nghiệm với giao thoa
kế không phát hiện được hiệu số thời gian này. Từ đó rút ra kết luận về sự
không đúng của các giả thiết nói ở trên. Điều có có nghĩa là không có hệ quy
chiếu ưu tiên đứng yên để có thể đo vận tốc ánh sáng đối với hệ đó.
Như vậy ta rút ra được kết luận: vận tốc ánh sáng là một đại lượng
tuyệt đối, bất biến đối với mọi hệ quy chiếu quán tính và không phụ thuộc vào
chuyển động của nguồn và của người quan sát.
1.3. Tính giới nội của vận tốc ánh sáng.
Ta đã biết vận tốc ánh sáng trong chân không là giá trị giới hạn của tất
cả các vận tốc chuyển động có thể có của vật. Mọi vật chuyển động với vận
tốc bé hơn vận tốc c. Điều đó được giải thích là do khối lượng của vật tăng
lên cùng với vận tốc theo định luật:

m0
vào .
m
c

1.4. Kết luận chƣơng 1.
Qua chương 1: “Vận tốc ánh sáng” ta đã tìm hiểu về cách xác định
vận tốc ánh sáng bằng thực nghiệm, chứng minh được tính không đổi của vận
tốc ánh sáng trong chân không và tìm được giá trị giới nội của vận tốc ánh
sáng.

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

21


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

CHƢƠNG 2: SỰ GIAO THOA ÁNH SÁNG
2.1. Định luật về tính độc lập của các chùm tia sáng.
Định luật về tính độc lập của các chùm tia sáng: các chùm tia sáng khi
truyền từ những nguồn sáng khác nhau không ảnh hưởng lẫn nhau. Chúng
truyền qua cùng một miền của không gian không làm nhiễu lẫn nhau, không
làm sai lệch nhau.
Xét thí nghệm sau: hai đèn chiếu được đặt sao cho các quang trục của
chúng làm với nhau một góc bất kỳ. Hai phim dương bản có nội dung khác
nhau được chiếu lên hai màn ảnh (hình 2.1). Khi các chùm tia sáng cắt nhau
trên màn vẫn không bị sai lệch. Chúng vẫn giống như khi chiếu từng phim


Cường độ sáng tỉ lệ với bình phương biên độ các dao động sáng. Vì
vậy, cũng như trong trường hợp dao động cơ học, khi hiệu số pha biến đổi
nhanh thì tại chỗ gặp nhau của hai chùm tia sáng với cường độ i 1 và i 2 cường
độ sáng tổng hợp sẽ bằng tổng các cường độ của chúng.

I  i1  i2

(2.3)

Nếu i 1 =i 2 =i thì: I=2i

(2.4)

2.2. Sự giao thoa. Sự giao thoa và photon.
2.2.1. Sự giao thoa của các sóng cơ.
Tại một đầu mút của một miếng thép ta gắn hai ngòi rung. Đầu kia
được gắn vào thành bên của bể sóng nhờ một cái kẹp. Khi miếng thép dao
động thì cả hai ngòi rung thực hiện dao động đồng bộ và cùng pha.Hai ngòi
rung được nhúng vào chất lỏng đồng thời và rút ra đồng thời. Kết quả là hai
hệ sóng mặt đồng tâm được tạo thành. Chúng chồng chất lên nhau tạo thành
hình ảnh giao thoa bền vững theo thời gian trên mặt phẳng (hình 2.2).

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

23


Trường ĐHSP Hà Nội 2


Các dao động sẽ bị yếu đi, nếu hiệu số đường đi bằng một số lẻ lần nửa bước
sóng.
x  2n  1


2

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

(2.7)

24


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

hay nếu hiệu số pha của hai sóng thành phần bằng:   2n  1 .

(2.8)

Trong đó n=0, 1, 2, 3,…
Tại mỗi điểm trong trường giao thoa hiệu số pha giữa hai sóng đạt đến
điểm đó giữ không đổi theo thời gian. Hiệu số pha như nhau và không đổi đối
với tất cả các điểm của các cực đại (hay cực tiểu) ứng với giá trị n cho trước.
Nói chung tại những điểm khác nhau của trường giao thoa hiệu số pha không
như nhau.
2.2.2. Giao thoa của các sóng âm.
Ta mắc hai loa 2 và 3 vào một máy phát âm 1 và hướng chúng vào một