Sóng ánh sáng- Lý thuyết và công thức tính

I. Tán sắc ánh sáng

1.Định nghĩa tán sắc ánh sáng

Tán sắc ánh sáng là sự phân tách một chùm sáng phức tạp thành nhiều chùm sáng đơn sắc khác nhau.

2.Ánh sáng đơn sắc, ánh sáng trắng

+ Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng không còn bị tán sắc khi đi qua lăng kính. Mỗi ánh sáng đơn sắc có một màu khác nhau và được gọi là màu đơn sắc. Mỗi loại màu đơn sắc khác nhau khi trong các môi trường khác nhau sẽ có các bước sóng khác nhau.

+ Khi ánh sáng truyền qua các môi trường trong suốt khác nhau thì tốc độ truyền thay đổi, bước sóng của ánh sáng thay đổi nhưng tần số của ánh sáng thì không.

Công thức tính bước sóng của ánh sáng đơn sắc được tính:

λ=vf

Bước sóng của ánh sáng đơn sắc trong chân không được tính theo công thức:

λo= c/f => λ=λo/n

Trong đó:

c: vận tốc ánh sáng trong chân không;
v: vận tốc truyền ánh sáng trong môi trường có chiết suất n; chiết suất n tăng dần đối với ánh sáng đơn sắc từ đỏ tới tím).
+ Ánh sáng trắng là tập hợp của vô số các ánh sáng đơn sắc khác nhau có màu biến thiên liên tục từ màu đỏ sang màu tím.

+ Dải màu của cầu vồng (là tập hợp của vô số màu nhưng được chia thành 7 màu chính và dễ thấy nhất là đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím). Dải màu này là quang phổ của ảnh sáng trắng.

+ Chiết suất của các chất trong suốt sẽ biến thiên theo màu sắc ánh sáng và tăng dần từ màu đỏ đến màu tím.

Tham khảo: Ô nhiễm tiếng ồn

3.Ứng dụng của tán sắc ánh sáng trong đời sống hiện nay

 

+ Tán sắc ánh sáng được ứng dụng để tạo thành máy quang phổ để phân tích một chùm sáng đa sắc từ nguồn sáng, thành các thành phần đơn sắc.

+ Giải thích hiện tượng do sự tán sắc ánh sáng, các tia sáng Mặt Trời khi đi qua các giọt nước trong không khí bị tán sắc và phản xà. Từ đó xuất hiện dài màu mà ta nhìn thấy được.

 

II. Nhiễu xạ ánh sáng và giao thoa ánh sáng và các công thức sóng ánh sáng

1.Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng

Nhiễu xạ ánh sáng là hiện tượng đường truyền ánh sáng bị sai lệch với sự truyền thẳng khi đi qua vật cản hoặc lỗ nhỏ. Hiện tượng này giải thích cho việc ánh sáng có mang tính chất sóng.

2.Hiện tượng giao thoa ánh sáng

Khái niệm hai chùm sáng kết hợp: Đây là hai chùm phát ra ánh sáng có chung tần số. Bên cạnh đó, ánh sáng của 2 chùm sáng này có cùng pha hoặc có độ lệch pha không đổi theo thời gian.
Hiện tượng giao thoa xảy khi khi 2 chùm sáng này kết hợp với nhau
+Tại những chỗ hai sóng gặp nhau mà cùng pha nhau, ánh sáng của 2 chùm này sẽ tăng cường cho nhau và tạo những vân sáng.

+Tại những điểm hai sóng ngược pha gặp nhau, chúng sẽ triệt tiêu nhau tạo thành các vân tối.

Nếu 2 ánh sáng trắng giao thoa với nhau thì hệ thống vân của các ánh sáng đơn sắc khác nhau sẽ không trùng nhau:
+Ở chính giữa, vân sáng của ánh sáng đơn sắc khác nhau sẽ nằm trùng nhau tạo ra một vân sáng trắng. Vân sáng này gọi là vân trắng chính giữa (hay vân trung tâm) .

+Tại 2 bên của vân trắng chính giữa, các vân sáng khác của sóng ánh sáng đơn sắc khác nhau sẽ không trùng với nhau nữa, chúng sẽ nằm kề sát nhau và tạo ra quang phổ có các màu sắc giống như cầu vồng.

Hiện tượng giao thoa ánh sáng chính là bằng chứng thực nghiệm cho việc ánh sáng mang tính chất của sóng.

3.Vị trí vân, khoảng vân trong giao thoa ánh sáng khe Young

 

+ Vị trí vân sáng theo công thức: xs = k λD/a;  với điều kiện k ∈ Z.

+ Vị trí vân tối theo công thức: xt = (2k + 1)λD/2a; với k ∈ Z.

+ Khoảng vân theo công thức: i = λD/a.

=> Bước sóng theo công thức: λ= ia/D.

+ Số khoảng vân của n vân sáng sẽ là n-1

=> Vị trí vân sáng theo công thức: xs = ki

=>  Vị trí vân tối theo công thức:   xt = (2k + 1)i/2

 

4.Thí nghiệm Young khi có bản mặt song song

 

– Giả sử bản mỏng có bề dày là e và có chiết suất n :

+ Quang lộ từ S1 đến M được tính theo công thức : S1M = (d1 – e)+ n.e

+ Quang lộ từ S2 đến M được tính theo công thức : S2M = d2

– Hiệu quang trình được tính theo công thức :

δ = S2M – S1M = d2 – d1 – e (n-1) = ax/D – e(n-1)

– Vị trí vân sáng được tính theo công thức:    xs = kλD/a + e.D(n-1)/a

– Vị trí vân tối được tính theo công thức:       xt = (k + 0,5)λD/a + e.D(n-1)/a

– Hệ vân dời một đoạn về phía có đặt bản mặt song song được tính theo công thức:

x0 = e.D(n-1)/a

 

III. Bước sóng và màu sắc ánh sáng

+ Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng có chỉ một bước sóng xác định trong môi trường chân không.

+ Mọi ánh sáng đơn sắc mà ta nhìn thấy (ánh sáng khả kiến) đều sẽ bước sóng trong môi trường chân không (hoặc không khí) nằm trong khoảng 0,38μm (ánh sáng màu tím) đến 0,76μm (ánh sáng có màu đỏ).

+ Những màu chính trong quang phổ của ánh ánh sáng trắng (đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím) sẽ có bước sóng nằm ở khoảng lân cận nhau. Để hiểu rõ hơn về bước sóng của từng loại ánh sáng đơn sác, các bạn có thể tham khảo bảng sau:

IV. Hiện tượng Quang phổ

a. Máy quang phổ lăng kính

+ Như đã nói ở trên máy quang phổ được tạo ra khi áp dụng ứng tán sắc ánh sáng. Về cơ bản, máy quang phổ là dụng cụ được sử dụng để phân tích chùm sáng thành nhiều thành phần các ánh sáng đơn sắc khác nhau.

+ Máy quang phổ được dùng để phân tích những chùm sáng phức tạp từ nguồn sáng xác định. Từ đó, người ta có thể biết được cấu trúc về cấu tạo của nguồn sáng!

+ Cấu tạo của máy quang phổ bao gồm 3 phần chính:

– Ống chuẩn trực: Đây là bộ phận tạo ra chùm sáng song song.

– Hệ tán sắc: có chức năng phân tích chùm tia song song thành nhiều chùm tia đơn sắc song song.

– Buồng ảnh: có tác dụng quan sát hay chụp ảnh quang phổ.

 b. Các loại quang phổ

V. Tia hồng ngoại – Tia tử ngoại và Tia X

a. Tia hồng ngoại và tia tử ngoại

Ở ngoài quang phổ ánh sáng mà ta có thể trực tiếp nhìn thấy bằng mắt thường, ở cả hai đầu của ánh sáng đơn sắc đỏ và tím, còn có những bức xạ mà mắt ta không thể nhìn thấy. Những ánh sáng này các nhà khoa học tìm ra và có thể nhìn thấy thông qua những thiết bị chuyên dụng. Đây là tia tử ngoại và tia hồng ngoại.

b. Sử dụng ống Cu-lít-giơ để tạo ra tia X:

Ống Cu-lít-giơ là ống thủy tinh chân có cấu tạo bên trọng gồm 2 điện cực:

– Catot K được làm từ kim loại, có cấu tạo hình chỏm cầu làm cho các electron từ FF’ hội tụ vào anot A

– Anot A được làm từ kim loại có khối lượng nguyên tử lớn và điểm nóng chảy cao.

– Dây FF’ được nung nóng bằng một dòng điện, các electron bay từ FF’ đến đập vào A và phát ra tia X.

c. Tia hồng ngoại

Bản chất tia: Sóng điện từ
Bước sóng tia hồng ngoại: 7,6.10^-7 m -> 10^-3 m
Nguồn phát tai hồng ngoại: Các vật có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường. Ví dụ: Bóng đèn dây tóc, dây mai-so trong bếp hồng ngoại,…
Tính chất:
+ Tác dụng nhiệt.
+ Xúc tác của một số phương trình hóa học
+ Hiện tượng quang điện trong các chất bán dẫn
Ứng dụng thực tế của tia hồng ngoại:
+ Sấy khô, sưởi ấm
+ Làm thiết bị điều khiển từ xa.
+ Chụp ảnh hồng ngoại.
+ Được ứng dụng trong quân sự: Tên lửa nhiệt, máy dò nhiệt,…
d. Tia tử ngoại

Bản chất tia tử ngoại: Sóng điện từ
Bước sóng: 3,8. 10^-7 m -> 10^-8 m
Nguồn phát: Các vật, chất liệu có nhiệt độ trên 2000 độ C.
Tính chất:
+ Tạo ra hiện tượng quang điện trong, ngoài.
+ Làm phát quang một số hợp chất, có tác dụng sinh lí, i-on hóa chất khí, hủy hoại tế bào, diệt khuẩn.
+ Bị thủy tinh và nước hấp thụ
Ứng dụng:
+ Dụng cụ y tế, các dụng có có các dụng diệt khuẩn
+ Chữa bệnh còi xương
+ Ứng dụng trong việc tìm vết nứt trên bề mặt các vật dụng
e. Kiến thức tổng hợp của các loại tia:

f. Thang sóng điện từ:

+ Sóng vô tuyến, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, tia Rơn-ghen, tia gam-ma đều có tính chất là sóng điện từ.

Các loại sóng điện từ đó được tạo ra bởi những phương pháp rất khác nhau, nhưng về cơ bản thì các loại sóng này cũng chỉ là một và giữa chúng không có một ranh giới nào rỏ rệt.

+Tuy vậy, vì có bước sóng và tần số khác nhau dẫn tới các sóng điện từ có những tính chất rất khác nhau (khả năng quan sát nhìn thấy hay không thấy, khả năng đâm xuyên vật thể hay khả năng bị hấp thụ,…)

Các tia có bước sóng càng ngắn (như tia Gamma hay tia X) thì khả năng đâm xuyên càng mạnh, làm phát quang các chất và càng dễ ion hóa không khí.

Những tia có bước sóng càng lớn thì mắt người càng dễ quan sát hơn.

 

Trên đây là toàn bộ kiến thức các bạn cần nắm được về sóng ánh sáng để phục vụ cho ôn thi tốt nghiệp THPT môn Vật Lý. Hy vọng bài viết sẽ cung cấp những kiến thức bổ ích. Chúc các bạn có kỳ thi tốt nghiệp THPT đạt điểm cao!