BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

NGỤY KHẮC HỌC

KHẢO SÁT MỘT SỐ HIỆN TƯỢNG QUANG HỌC
LIÊN QUAN ĐẾN CÁC BÀI THI VẬT LÍ QUỐC GIA QUỐC TẾ
TRUNG HỌC PHỔ THÔNG

1


LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

1 Nghệ An, 2015

2


LỜI CẢM ƠN
Lời nói đầu tiên Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy giáo
hướng dẫn TS.Trần Mạnh Hùng đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ trong thời
gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Khoa Vật Lý và Công Nghệ, Phòng đào
tạo Sau đại học Trường Đại Học Vinh đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong
quá trình làm luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô giáo và các bạn đồng nghiệp
đã quan tâm giúp đỡ, đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho luận văn.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình và những người thân yêu, đã
động viên và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn này.
Vinh, ngày 27 tháng 5 năm 2015


3

Hình 1.3: Gương Lôi (loyd).

9

4
5
6
7

Hình 1.4: Lưỡng lăng kính Frê-xnen.
Hình 1.5: Lưỡng thấu kính Biê (Billet).
Hình 1.6: Thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng.
Hình 1.7: Hiện tượng giao thoa định xứ với bản mỏng có độ dày không đổi.

10
10
11
12

8

Hình 1.8: Hiện tượng giao thoa định xứ với bản mỏng có độ dày thay đổi.

13

9
10

Hình 1.16: Đồ thị năng suất phát xạ vật đen tuyệt đối.
Hình 1.17: Thí nghiệm về hiện tượng quang điện.

18

Hình 1.18: Đường đặc trưng Vôn-ampe.

31

19
20
21

37
39
42

22

Hình 1.19: Tán xạ Compton.
Hình 1.20: Sự hấp thụ ánh sáng.
Hình 1.21: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của I vào X.
Hình 2.1: Giao thoa ánh sáng với khe Y-âng

23

Hình 2.2: Giao thoa ánh sáng với khe Y-âng với màn xiên

43


43


28

Hình 2.10: Nêm không khí

58

29

Hình 2.11: Hệ gương Frê-xnen

59

7


Mở đầu
1. Lí do chọn đề tài

Đảng ta quan niệm “Hiền tài là nguyên khí của quốc gia” và rất coi trọng việc
bồi dưỡng nhân tài cho đất nước. Bộ giáo dục và đào tạo cũng có những chủ trương
mới về công tác bồi dưỡng học sinh giỏi: Như chú trọng xây dựng hệ thống các trường
chuyên một cách hoàn thiện hơn, khuyến khích và tôn vinh các học sinh xuất sắc đạt
thành tích cao. Vận dụng cách dạy học phân hoá vào bồi dưỡng học sinh giỏi: Các
trường chuyên có thể xây dựng phân phối chương trình riêng phù hợp với khả năng
tiếp thu của học sinh. Các em học sinh có năng khiếu có thể được học với chương trình
có tốc độ cao hơn học sinh bình thường…
Trong quá trình giảng dạy và bồi dưỡng bộ môn vật lí cho học sinh giỏi, mục

4. Đối tượng và phạm vi nhiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:
- Các hiện tượng quang học có liên quan đến các bài toán vật lí trong các kì thi quốc
gia, quốc tế trung học phổ thông như: Hấp thụ ánh sáng, giao thoa và nhiễu xạ ánh
sáng, lượng tử ánh sáng.
Phạm vi nghiên cứu:
- Các đề thi vật lí quốc gia, quốc tế trung học phổ thông.
5. Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:
+ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của các hiện tượng quang học có trong các bài thi
vật lí quốc gia, quốc tế: Giao thoa ánh sáng, hiện tượng nhiễu xạ...
+ Vận dụng lý thuyết về các hiện tượng quang học để giải thích các hiện tượng
vật lí liên quan, đồng thời vận dụng nó để giải các bài tập vật lí trong các đề thi quốc
gia, quốc tế có liên quan đến hiện tượng quang học đã nghiên cứu.
6. Những đóng góp đề tài

- Đề tài đã trình bày được cách giải của một số bài tập vật lí về các hiện tượng quang
học trong các đề thi quốc gia, quốc tế và đã phân tích được các hiện tượng: Giao thoa
ánh sáng, hiện tượng nhiễu xạ...

9


Chương 1
PHÂN TÍCH CÁC HIỆN TƯỢNG
1.1. Hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ
1.1.1. Hiện tượng giao thoa không định xứ
Hiện tượng hai hay nhiều chùm sáng kết hợp gặp nhau tạo nên không gian

S1S 2

L
M

= a, khoảng cách từ màn

quan sát E tới mặt phẳng chứa hai
khe là D.

S

G1

S1
 Gương Frê-xnen (Hình
S2

1.2)

Đó là dụng cụ gồm hai

gương phẳng

G1

và

G2


M

S1

O

S

.

Độ rộng cực đại của vùng giao

d

S2

D

E

thoa quan sát được trên màn (khi các
gương có kích thước đủ rộng như hình Hình 1.1: Thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng
vẽ) là MN = L2a.

11


Các vân giao thoa chỉ quan sát được trong khoảng MN.
M



là

d1 ,

tới màn quan sát là

d2

. Nguồn S qua hai lăng kính cho hai ảnh

trò nguồn kết hợp. Vì góc lệch của tia sáng qua lăng kính là
a = 2d1δ = 2d1α ( n − 1),

D=

d1

+

d2

. Độ rộng cực

=

2d 2α (n − 1)

và


Một thấu kính hội tụ có tiêu cự f được cưa đôi dọc theo trục chính rồi tách ra xa
nhau một đoạn h rất nhỏ. Hai nửa thấu kính đặt cách nguồn S một khoảng d và cách
màn E một khoảng L.

Nếu d > f thì các ảnh

S1

và

màn tới hai nguồn là D = L −

S2
d'

a=

là thật và cách nhau

h( d + d ' )
d

. Khoảng cách từ

. Trường hợp đặt màn như hình vẽ thì độ rộng của
MN =

vùng giao thoa quan sát được trên màn là

L+d


điều

kiện

đó là họ các mặt

d

N
L

Hình 1.5: Lưỡng thấu kính Biê (Billet)

hypeboloit. Nếu đặt màn ảnh E song song với mặt phẳng chứa hai nguồn
giao tuyến của các mặt hypebol. Vì khoảng cách a và bước sóng

λ

S1

và

S2

thì

rất bé nên các

hypeboloit rất dẹp, các đường hypebol ít cong. Có thể coi chúng là các đoạn thẳng sáng


.

Chú ý: Khi phản xạ trên gương hoặc phản xạ trên mặt ngăn cách với môi trường
có chiết suất lớn hơn, quanh trình của tia
sáng dài thêm

λ/2

d1

M

S1
a I

(tăng thêm nữa bước

sóng) [1].

S2

1.1.1.3. Giao thoa với ánh sáng trắng

x
O
d2

D



S

i

A

Q

R

H

B
r

d
C

Hình 1.7: Hiện tượng giao thoa định xứ với bản mỏng có độ dày không đổi.
λ  2dn
λ

∆ = ( AC + BC ) n −  AH + ÷ =
− 2d tan r.sin i − .
2  cos r
2


Thay sin i = n sin r và biến đổi ta được:

B
n

r
C

α

Hình 1.8: Hiện tượng giao thoa định xứ với bản mỏng có độ dày thay đổi.
λ

∆ = SB + n( BC + CM ) −  SM + ÷.
2


Coi các góc hợp bởi các tia trong bản mặt và pháp tuyến đều bằng i thì:
BC ≈ CM =

d
cos r

SM − SB ≈ DM = BM .sin i = 2d tan r.sin i
= 2d tan rn sin r = 2nd sin 2 r / cos r

∆ = 2dn cos r −

Hiệu quang trình:

λ
λ

Hiện tượng ánh sáng không tuân theo định luật truyền thẳng, quan sát được khi
ánh sáng truyền qua lỗ nhỏ, hoặc gần mép các vật trong suốt hoặc không trong suốt,
đượ gọi là hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng. [1,3]

21


a

P

b
O

c

EHình 1.9: Mô tả hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng.
 Nguyên lí Huy-ghen−Frê-xnen

22


N

θ0

ds

r
n

trong đó tích phân được thực hiện theo cả mặt kín S.


÷dS


θ

(1.5)

Việc tính tích phân (1.5) tương đối phức tạp. Tuy nhiên vì ta chỉ cần tính cường
độ sáng tại M, tức là chỉ cần biết biên độ dao động sáng tổng hợp tại M, tức là chỉ cần
biết biên độ dao động sáng tổng hợp tại M nên trong một số trường hợp ta có thể tính
được dễ dàng tích phân đó.

Hình 1.10: Nguyên lí Huy-ghen - Frê-xnen

1.1.3.2. Nhiễu xạ gây bởi sóng phẳng

23


 Nhiễu xạ Fraohôfe (Fraunhofer)

Nhiễu xạ của sóng phẳng, tức là chùm tia song song, đã được nhà bác học
Fraohôfe, người Đức, nghiên cứu đầu tiên, nên còn được gọi là nhiễu xạ Fraohôfe. Để
tạo ra chùm tia song song, ta đặt nguồn sáng điểm O tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ
L1

. Ra khỏi

L2

, khi đó chùm tia nhiễu xạ xét trên sẽ hội tụ tại điểm M trên

màn quan sát E đặt tại tiêu diện của thấu kính

L2

. Với các giá trị φ khác nhau, chùm

nhiễu xạ sẽ hội tụ tại các điểm khác nhau. Tùy theo giá trị của φ mà điểm M trên màn
có thể sáng hoặc tối. Ta xét sự phân bố cường độ sáng trên màn quan sát E để có hình
ảnh nhiễu xạ trên màn E.
b) Tìm biểu thức cường độ sáng

24


Vì sóng truyền vuông góc với mặt khe là sóng phẳng nên mặt khe trùng với một
mặt sóng, mọi điểm trên mặt phẳng khe có cùng pha dao động. Để tính cường độ sáng
theo một phương φ bất kì (tức là cường độ sóng tại điểm M trên màn E) ta chia khe AB
thành những dải vô cùng hẹp, có độ rộng dx, song song với các cạnh A và B của khe
(Hình 1.11), các dải này là các nguồn sáng thứ cấp. Giả sử sóng ánh sáng tới mặt khe
có dạng.
E = Eo cos ωt

(1.6)

Xét một dải cách mép A một khoảng x. Áp dụng nguyên lí Huy-ghen−Frê-xnen,


là pha ban đầu của dao động E, vì ta chọn gốc tính pha là

pha của dao động phát ra từ A gửi đến điểm M. Bởi vì các dao động dE phát ra từ các
dải khác nhau của khe AB là những dao động kết hợp, nên để tìm được giao động sáng
tổng hợp E tại M ta chỉ cần lấy tích phân biểu thức (1.7) theo x với các cận là x = 0 và
x = b. Ta có:
b

b

o

o

E = ∫ dE = ∫

Eo
2π x sin ϕ 

cos  ωt −
÷dx
b
λ



Tính toán chi tiết ta được sóng nhiễu xạ theo phương φ có biên độ :

25