Bài 8. Giao thoa sóng trang 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55 Vật Lí 11 Chân trời sáng tạo

KĐ

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?

Lời giải chi tiết:

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.

CH

Quan sát thí nghiệm và mô tả lại hiện tượng quan sát được như trong Hình 8.3.

Lời giải chi tiết:

Trong thí nghiệm giao thoa sóng (Hình 8.2), hai sóng trên mặt nước được sinh ra từ sự dao động của hai viên bị có cùng phương dao động, cùng tần số và cùng pha với nhau do được nối vào cùng một nguồn dao động. 

Khi hai sóng kết hợp gặp nhau, trong môi trường xuất hiện những điểm dao động với biên độ cực đại và những điểm dao động với biên độ cực tiểu (có thể bằng không) lần lượt tương ứng với trường hợp hai sóng tăng cường (hai sóng cùng pha tại những điểm này) và làm suy giảm nhau (hai sóng ngược pha tại những điểm này). Đây chính là hiện tượng giao thoa sóng.

CH

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.

Lời giải chi tiết:

Trong thí nghiệm hai viên bị đóng vai trò như hai nguồn kết hợp. Hai sóng được tạo ra từ hai nguồn kết hợp được gọi là hai sóng kết hợp. Tổng quát, hai sóng kết hợp là hai sóng có cùng phương dao động, cùng tần số và độ lệch pha không đổi theo thời gian.

LT

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?

Lời giải chi tiết:

a) hai nguồn dao động cùng pha thì những điểm nằm trên đường trung trực của đoạn thẳng nối hai nguồn sẽ dao động với biên độ cực đại d₂–d₁=kλ
b) hai nguồn dao động ngược pha những điểm nằm trên đường trung trực của đoạn thẳng nối hai nguồn sẽ dao động với biên độ cực tiểu d₂–d₁=(k+\(\frac{1}{2}\))λ

VD

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

Lời giải chi tiết:

Vì trong tự nhiên rất khó để tự tạo ra được những sóng có cùng phương dao động cùng tần số và pha dao động, khó có thể đáp ứng được điều kiện tạo ra hiện tượng giao thoa.

CH

Quan sát Hình 8.6 và mô tả hình ảnh nhận được trên màn M.

Lời giải chi tiết:

Trên màn M sẽ thu được những hình ảnh vân sáng và vân tối đan xen với nhau vân trung tâm là một vân sáng

CH

Giải thích hiện tượng quan sát được trong thí nghiệm Young về giao thoa ánh sáng (Hình 8.6).

Lời giải chi tiết:

Hiện tượng trên là hiện tượng giao thoa ánh sáng. Các vạch sáng, vạch tối là vân giao thoa. Vạch sáng ứng với biên độ dao động tổng hợp cực đại được gọi là vân sáng, vạch tối ứng biên độ dao động tổng hợp cực tiểu gọi là vân tối.

LT

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?

Lời giải chi tiết:

Ta có: \(i = \frac{{\lambda D}}{a}\)

Từ công thức ta thấy nếu λ tăng thành 1,2λ để giữ nguyên i thì phải tăng a thành 1,2a

VD

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.

Lời giải chi tiết:

Khi thực hiện giao thoa với ánh sáng trắng ta thấy:

- Ở chính giữa mỗi ánh sáng đơn sắc đều cho một vạch màu riêng, tổng hợp của chúng cho ta vạch sáng trắng (Do sự chồng chập của các vạch màu đỏ đến tím tại vị trí này)

- Tia tím gần vạch trung tâm hơn tia đỏ (Xét cùng một bậc giao thoa)

- Tập hợp các vạch từ tím đến đỏ của cùng một bậc (cùng giá trị k) quang phổ của bậc k đó, (Ví dụ: Quang phổ bậc 2 là bao gồm các vạch màu từ tím đến đỏ ứng với k = 2).

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.

Lời giải chi tiết:

Ta có: d₂−d₁=kλ

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=5λ⇒λ=1,6cm

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.

Lời giải chi tiết:

Vì ta thấy vẫn sáng thứ năm cách vẫn trung tâm là 2,8 cm nên 5i=2,8⇒i=0,56cm

Bước sóng của ánh sáng được dùng trong thí nghiệm là:

\(\lambda  = \frac{{ai}}{D} \Rightarrow \lambda  = \frac{{0,2.0,56}}{{1,5}} = 0,7467\mu m\)

Bài 3

Trong thí nghiệm Young về giao thoa ánh sáng, người ta sử dụng một nguồn sáng phát ra đồng thời hai ánh sáng đơn sắc có bước sóng lần lượt là 400 nm và 600 nm. Biết khoảng cách giữa hai khe là 0,2 mm và khoảng cách từ hai khe đến màn là 1,5 m.

a) Tính khoảng cách giữa hai vân sáng bậc ba cùng phía với vân trung tâm.

b) Vân trung tâm có màu gì? Tìm khoảng cách gần nhất của một văn cùng màu với vân trung tâm cho đến vân trung tâm này.

Lời giải chi tiết:

a) Khoảng vân của ánh sáng có bước sóng là 400 nm: \({i_1} = \frac{{{\lambda _1}D}}{a} = \frac{{400.1,5}}{{0,2}} = 3mm\)

⇒Vân sáng bậc ba cùng phía với vân trung tâm nằm ở vị trí 3i₁=3.3=9mm

Khoảng vân của ánh sáng có bước sóng là 600 nm: \({i_2} = \frac{{{\lambda _2}D}}{a} = \frac{{600.1,5}}{{0,2}} = 4,5mm\)

⇒Vân sáng bậc ba cùng phía với vân trung tâm nằm ở vị trí 3i₂=3.4,5=13,5mm

Khoảng cách giữa hai vân sáng bậc ba cùng phía với vân trung tâm là: 13,5-9=4,5 mm

b) ánh sáng đơn sắc có bước sóng là 400 nm nằm trong khoảng ánh sáng màu tím (380-435 nm)và ánh sáng có bước sóng 600 nm nằm trong khoảng ánh sáng màu cam (590-625 nm) trộn hia ánh sáng này lại với nhau ta sẽ thu được ánh sáng trắng.

Ta có: \(\frac{{{\lambda _1}}}{{{\lambda _2}}} = \frac{{400}}{{600}} = \frac{2}{3}\) ⇒3λ₁=2λ₂ 

Vân sáng thứ 3 của ánh sáng thứ nhất trùng với vân sáng thứ 2 của ánh sáng thứ hai nên khoảng cách là 9mm

Lí thuyết