Bài tập Vật lí Lớp 12 - Chương 5: Sóng ánh sáng - Dạng 3: Giao thoa với ánh sáng hỗn hợp (Có lời giải)

Nội dung text: Bài tập Vật lí Lớp 12 - Chương 5: Sóng ánh sáng - Dạng 3: Giao thoa với ánh sáng hỗn hợp (Có lời giải)

1. CHƯƠNG 5. Sóng ánh sáng III. GIAO THOA VỚI ÁNH SÁNG HỖN HỢP 1. Giao thoa với ánh sáng trắng 1.1. Phương pháp Ánh sáng trắng là một dải màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím. 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). D - Do  nhỏ hơn suy ra i  . nhỏ hơn nên làm cho tia tím gần vạch trung tâm hơn tia đỏ (xét tím tím tím a cùng một bậc giao thoa). - Tập hợp các vạch từ tím đến đỏ của cùng một bậc (cùng giá trị k) tạo ra quang phổ của bậc k đó. Ví dụ: Quang phổ bậc 3 là bao gồm các vạch màu từ tím đến đỏ ứng với k 3. 1.2. Ví dụ minh họa Loại 1: Cho tọa độ x0 trên màn, hỏi tại đó có những bức xạ nào cho vạch tối hoặc sáng? Số các bức xạ của ánh sáng trắng cho vân sáng trùng nhau tại một điểm có tọa độ x khi D x k ax ax a k max D min D min  max Số giá trị của k chính là số bức xạ cho vân sáng trùng nhau tại một điểm cho tọa độ x trên trường giao thoa. Số các bức xạ của ánh sáng trắng cho vân tối trùng nhau tại một điểm có tọa độ x khi 1 D x k ax 1 ax 2 a k max D 2 min D min  max Số giá trị của k chính là số bức xạ cho vân tối trùng nhau tại một điểm cho tọa độ x trên trường giao thoa. Ví dụ 1: Trong thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng, hai khe đuợc chiếu bằng ánh sáng trắng có buớc sóng từ 380 nm đến 760 nm. Khoảng cách giữa 2 khe là 0,8 mm, khoảng cách từ mặt phẳng chứa 2 khe đến màn là 2 m. Trên màn tại vị trí cách vân trung tâm 3mm có vân sáng của những bức xạ nào? A. Hai bức xạ có bước sóng 0,4 m; 0,6 m. B. Hai bức xạ có bưóc sóng 0,45 m; 0,64 m. C. Hai bức xạ có bước sóng 0,6 m; 0,8 m. D. Hai bức xạ có bước sóng 0,65 m; 0,85 m. Lời giải Trang 1
2. D x k ax ax Ta có: a k max D min D min  max Thay số vào ta tìm được 3,15 k 1,57 k 2;3. Vậy: - Với k 2 ta có bức xạ có bước sóng  0,6.10 6 m 0,6μm 1,2.10 6 - Với k 3 ta có bức xạ có bước sóng  0,4μm . k Đáp án A. Ví dụ 2: Trong thí nghiệm giao thoa ánh sáng với khe Y-âng, khoảng cách giữa hai khe S1S2 bằng 2mm, khoảng cách từ hai khe tói màn quan sát D 2 m . Chiếu vào 2 khe bằng nguồn phát ánh sáng trắng có bước sóng 0,40μm  0,76μm . Có bao nhiêu bức xạ cho vân tối tại vị trí cách vân trung tâm 2,6mm? A. 3.B. 2.C. 4. D. 5. Lời giải Giả sử tại vị trí có tọa độ x 2,6 mm trùng với vân tối của bức xạ có bước sóng  , ta có: 1 D x k ax 1 ax 2 a k max D 2 min D min  max Thay số, ta có 2,92 k 6, suy ra k 3,4,5,6 nên có 4 bức xạ cho vân tối tại vị trí cách vân trung tâm 2,6 mm. Đáp án C. Ví dụ 3: Trong thí nghiệm của Y - âng về giao thoa ánh sáng, khoảng cách giữa hai khe là 0,8 mm, khoảng cách từ hai khe đến màn là 1,6 m. Dùng ánh sáng trắng 0,76μm  0,38μm để chiếu sáng hai khe. Hãy cho biết có bao nhiêu bức xạ cho vân sáng trùng với vân sáng bậc 4 của ánh sáng màu vàng có bước sóng V 0,60μm . A. 3.B. 2.C. 4. D. 5. Lời giải Vị trí vân sáng trùng với vân sáng bậc 4 của ánh sáng màu vàng:  D D 4 x 4 V k k V a a  Từ 0,76μm  0,38μm suy ra 3,2 k 6,3 k 4;5;6 . Đáp án A. Ví dụ 4: Trong thì nghiệm Y – âng về giao thoa ánh sáng, khoảng cách giữa hai khe là 2 mm, khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến màn quan sát là 1,2 m. Nguồn S đặt cách đều S1S2 phát ánh sáng Trang 2
3. trắng có bước sóng từ 0,4m đến 0,76m. Cho c 3.108 m/s . Tại M trên màn có hiệu khoảng cách từ M đến S1 , S2 là 5m. Tìm tần số ánh sáng lớn nhất của bức xạ cho vân sáng tại M: A. 4,2.1014 Hz .B. 7,6.1015 Hz .C. 7,8.1014 Hz .D. 7,2.1014 Hz . Lời giải ax 5 Tại M là vân sáng khi d d kx , suy ra  μm . 2 1 D k Vì 0,4  0,76 6,6 k 12,5. Tần số lớn nhất fmax khi min kmax 12 . c 12 6 8 14 Vậy fmax .10 .3.10 7,2.10 Hz . min 5 Đáp án D. Ví dụ 5: Ta chiếu sáng hai khe Y - âng bằng ánh sáng trắng với bước sóng ánh sáng đỏ là 0,75 m và ánh sáng tím là 0,4 m. Biết a 0,5 mm, D 2 m . Ở đúng vị trí vân sáng bậc 4 màu đỏ, có bao nhiêu bức xạ cho vân sáng nằm trùng ở đó? A. 5.B. 2.C. 3. D. 4. Lời giải  D 0,75.10 6.2 Vị trí vân sáng bậc 4 màu đỏ: x 4. đ 4. 12 mm 4đ a 0,5.10 3 D s .a 3 Vị trí các vân sáng: x x k.  4đ ,k ¢ 4đ s a k.D k 3 Với ánh sáng trắng: 0,4  0,75 0,4 0,75 4 k 7,5 và k ¢ . k Có 4 giá trị của k là 4, 5, 6, 7 nên có 4 bức xạ cho vân sáng nằm ở vị trí vân sáng bậc 4 màu đỏ. Đáp án D. Ví dụ 6: Một khe hẹp F phát ánh sáng trắng chiếu sáng hai khe S1, S2 cách nhau 1,5 mm. Màn M quan sát vân giao thoa cách mặt phẳng của hai khe một khoảng D 1,2 m . a) Tính các khoảng vân i1 và i2 cho bởi hai bức xạ giới hạn 750 nm và 400 nm của phổ khả kiến. b) Ở điểm A trên màn M cách vân chính giữa 2 mm có vân sáng của những bức xạ nào và vân tối của những bức xạ nào? Lời giải D 0,75.10 6.1,2 a) Với  750 nm 0,75.10 6 m thì i 0,6.10 3 m 1 1 a 1,5.10 3 D 0,4.10 6.1,2 Với  400 nm 0,4.10 6 m thì i 0,32.10 3 m 2 2 a 1,5.10 3 b) Các bức xạ có bước sóng thỏa mãn 0,4.10 6 m  0,75.10 6 m + Các bức xạ cho vân sáng tại A: Trang 3
4. D a.x 1,5.10 3.2.10 3 2,5 x k  A .10 6 m A a kD k.1,2 k Ứng với mỗi giá trị k khác nhau sẽ có vân sáng khác nhau. Ta có 3 3 3 3 axA axA 1,5.10 .2.10 1,5.10 .2.10 k 6 k 6 3,3 k 6,25 đ D t D 0,75.10 .1,2 0,4.10 .1,2 Có 3 giá trị k thỏa mãn k1 4,k2 5,k3 6 nên có 3 bức xạ cho vân sáng tại A là 2,5 6 6 1 .10 0,625.10 m k 1 2,5 6 6 2 .10 0,5.10 m k2 2,5 6 6 3 .10 0,4167.10 m k3 + Các bức xạ cho vân tối tại A: 3 3 1 D axA 1,5.10 .2.10 2,5 6 xA k  .10 m 2 a 1 k 0,5 .1,2 k 0,5 k D 2 ax ax 1,5.10 3.2.10 3 2,5 Với  A  A .10 6 t 1 đ  D k 0,5 .1,2 k 0,5 k D đ 2 Vậy có 3 giá trị k thỏa mãn là k1 3,k2 4,k3 5 nên có 3 bức xạ cho vân tối tại A là: 2,5 6 6 1 .10 m 0,7142.10 m 1 k1 2 2,5 6 6  2 .10 m 0,5556.10 m 1 k2 2 2,5  .10 6 m 0,4545.10 6 m 3 1 k3 2 Ví dụ 7: Trong thí nghiệm giao thoa ánh sáng với khe Y – âng, khoảng cách giữa hai khe S1S2 bằng 2mm, khoảng cách từ hai khe đến màn quan sát là D 2 m . Chiếu vào 2 khe bằng chùm sáng trắng có bước sóng  0,38m  0,76m . Có bao nhiêu bức xạ cho vân sáng tại vị trí cách vân trung tâm 3,2mm. A. 3.B. 4.C. 5. D. 6. Lời giải Giả sử tại vị trí có tọa độ x 3,2 mm trùng với vân sáng bậc k của bức xạ có bước sóng  , ta có: Trang 4
5. D ax x k k a D ax ax Vì 0,38m  0,76m k max D min D min max Từ đó ta có: 2.3,2 2.3,2 k 4,21 k 8,42 0,76.10 3.2.103 0,38.10 3.2.103 Do k ¢ nên có 4 bức xạ cho vân sáng trùng nhau tại đó có x 3,2 mm . Nếu đề bài hỏi thêm là những bước sóng đó có giá trị bao nhiêu thì ta có: ax 2.3,2 k 5  0,64 μm kD 5.2 ax 2.3,2 k 6  0,54 μm kD 6.2 ax 2.3,2 k 7  0,46 μm kD 7.2 ax 2.3,2 k 8  0,40 μm kD 8.2 Đáp án B. Loại 2: Xác định bề rộng quang phổ bậc k trong giao thoa với ánh sáng trắng Bề rộng quang phổ là khoảng cách giữa vân sáng màu đỏ và vân sáng màu tím của một vùng quang phổ. Bề rộng quang phổ bậc k được xác định bởi k   D x ki ki đ t k đ t a Ví dụ 1: Trong thí nghiệm về giao thoa ánh sáng trắng có a 3 mm, D 3 m , bước sóng từ 0,4 m đến 0,75 m. Trên màn quan sát thu được các dải quang phổ. Bề rộng của dải quang phổ thứ 2 kể từ vân sáng trắng trung tâm là bao nhiêu? A. 0,14 mm.B. 0,7 mm.C. 0,35 mm. D. 0,5 mm. Lời giải Bề rộng quang phổ bậc 2 ứng với k 2 , kD 2.3 x   .0,35.10 6 0,7.10 3 m 0,7mm 2 a t 3.10 3 Đáp án B. Ví dụ 2: Trong thí nghiệm giao thoa ánh sáng bằng khe Y - âng. Khoảng cách giữa 2 khe kết hợp là a 2 mm , khoảng cách từ hai khe đến màn là D 2 m . Nguồn phát ra ánh sáng trắng có bước sóng từ 380 nm đến 760 nm. Vùng phủ nhau giữa quang phổ bậc hai và quang phổ bậc ba có bề rộng là? A. 0,76 mm.B. 0,38 mm.C. 1,14 mm. D. 1,52 mm. Lời giải Trang 5
6. Vùng phủ nhau giữa quang phổ bậc hai và quang phổ bậc ba có bề rộng là:  D  D 2 2 t 3 t 2.0,76 3.0,38 0,38mm x a a 2 Đáp án B. Ví dụ 3: Trong thí nghiệm giao thoa ánh sáng với khe Y - âng, khoảng cách giữa hai khe S1S2 bằng 1mm, khoảng cách từ hai khe đến màn quan sát là D 2 m . Chiếu vào 2 khe bằng chùm sáng trắng có bước sóng  0,38m  0,76m . Chiều rộng của quang phổ bậc 3 trên màn là: A. x3 1,14mm . B. x3 2,28mm . C. x3 3,42mm .D. x3 2,44mm . Lời giải Chiều rộng quang phổ bậc k là khoảng cách từ vân đỏ bậc k đến vân tím bậc k, ta có:  D  D   D x xđ xt k đ k t k đ t k k k a a a Chiều rộng quang phổ bậc k 3 là:   D 0,76 0,38 .10 3.2.103 x 3 đ t 3 2,28mm 3 a 1 Đáp án B. Ví dụ 4: Trong thí nghiệm giao thoa ánh sáng với khe Y - âng, khoảng cách giữa hai khe S1S2 bằng 1mm, khoảng cách từ hai khe đến màn quan sát là D 2 m . Chiếu vào 2 khe bằng chùm sáng trắng có bước sóng  0,38m  0,76m . Tính bề rộng đoạn chồng chập của quang phổ bậc n 5 và quang phổ bậc t 7 trên truờng giao thoa A. x 0,76mm . B. x 2,28mm .C. x 1,14mm .D. x 1,44mm . Lời giải Đoạn chồng chập của quang phổ bậc n với quang phổ bậc t được tính theo công thức:  D  D x xđ xt n đ t t n t n t a a Có hai khả năng như sau:  D  D Khả năng 1: x xđ nt n đ t t 0 thì hai dải quang phổ có chồng nhau. n t n t a a  D  D Khả năng 2: x xđ nt n đ t t 0 thì hai dải quang phổ không chồng nhau. Áp dụng công n t n t a a thức trên với ví dụ này ta có:  D  D 0,76.2 0,38.2 x xđ xt 5 đ 7 t 5 7 2,28mm 5 7 5 7 a a 1 1 Đáp án B. Ví dụ 5: Trong thí nghiệm Y - âng về giao thoa ánh sáng, khoảng cách giữa hai khe là 0,5 mm, khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến màn quan sát là 2 m. Nguồn sáng phát ra vô số ánh sáng đơn sắc có Trang 6
7. bước sóng biến thiên liên tục từ 380 nm đến 750 nm. Trên màn, khoảng cách gần nhất từ vân sáng trung tâm đến vị trí mà ở đó có hai bức xạ cho vân sáng là A. 9,12 mm.B. 4,56 mm.C. 6,08 mm. D. 3,04 mm. Lời giải Vị trí cần tìm là vị trí vân sáng bậc 3 của ánh sáng tím.  D 0,38.2 x 3. t 3. 4,56mm .(Quang phổ bậc 2 sẽ có 1 phần trùng với quang phổ bậc 3) t a 0,5 Lập luận chặt chẽ như sau: Để hai quang phổ có phần trùng lên nhau thì tọa độ vân sáng bậc n của ánh sáng đỏ thuộc quang phổ bậc n phải lớn hơn hoặc bằng tọa độ vân sáng bậc n 1 của ánh sáng tím thuộc  D  D  380 quang phổ bậc n 1, tức là ta có: n đ n 1 t n t n 1 n 1 n 1,027 . a a đ 750 Vì ta cần tìm khoảng cách gần nhất nên ta lấy n min. Suy ra n 2 . Đáp án B. Ví dụ 6: Trong thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng, nguồn sáng phát ra vô số ánh sáng đơn sắc có bước sóng  biến thiên liên tục trong khoảng từ 400 nm đến 760 nm 400 nm  760 nm . Trên màn quan sát, tại M chỉ có một bức xạ cho vân sáng và hai bức xạ có bước sóng 1 và 2 1 2 cho vân tối. Giá trị nhỏ nhất của 2 là A. 667 nm.B. 608 nm.C. 507 nm. D. 560 nm. Lời giải + Điều kiện cần để có 2 vân tối trùng nhau là:  D  D k 0,5 max k 1,5 min k 0,5 ,0.76 k 1,5 .0,4 k 0,61 1 a a + Điều kiện đủ để số vân tối trùng nhau không vượt quá 2 là:  D  D k 1,5 min k 0,5 max 0,4 k 1,5 0,76 k 0,5 k 2,73 2 a a Với k ¥ và kết hợp với (1) và (2) k 1;2 + Hơn nữa tại M có 2 vân tối trùng lên nhau nên chắc chắn đã có 1 vân sáng tại M, vậy để cho tại M chỉ có 1 vân sáng thì:  D  D D  D  D k max k 1,5 1 k 1 k 0,5 2 k 2 min a a a a a + Với k 1, ta có: 1.0,76 1,52 2 507nm 2min 507nm 1,5 Ta có   304,2nm 400nm (loại) 1 2,5 2 + Với k 2 , ta có: 2.0,76 2,52 2 608nm 2min 608nm Trang 7
8. 2,5 Ta có:   434nm 400nm (thỏa mãn điều kiện) 1 3,5 2 Vậy giá trị nhỏ nhất của 2 là 608 nm. Đáp án B. 2. Giao thoa với hai ánh sáng đơn sắc 2.1. Phương pháp Phương pháp được trình bày cụ thể ở ví dụ minh họa 2.2. Ví dụ minh họa Loại 1: Vân sáng trùng nhau của hai ánh sáng đơn sắc, số vân quan sát được Vị trí vân sáng trùng nhau của hai bức xạ:  D  D k  p x x k 1 k 2 k  k  1 2 S1 S2 1 2 1 1 2 2 a a k2 1 q p k1 pn Trong đó là một phân số tối giản. Suy ra ta có thể viết . q k2 qn  D  D Tọa độ vân trùng (vị trí trùng) là: x pn 1 qn 2 .  a a Muốn tìm số vân (vạch) trùng nhau, ta chỉ việc cho x nằm trong khoảng mà ta khảo sát, sẽ tìm được số giá trị của n chính là số vân trùng. Do đã trùng nhau một số vân trùng là N nên số vân quan sát được là: N N1 N2 N Trong đó N1 là số vân sáng của ánh sáng có bước sóng 1 ; N2 là số vân sáng của ánh sáng có bước sóng 2 . Ví dụ 1: Tiến hành giao thoa bằng ánh sáng tổng hợp của hai bức xạ có bước sóng 1 0,6μm và 2 0,4μm . Khoảng cách giữa hai khe Y – âng là 1 mm, khoảng cách từ hai khe đến màn quan sát là 2. Bề rộng trường giao thoa L 2,5cm . Hỏi trên trường giao thoa quan sát thây bao nhiêu vân sáng? A. 43 vân sáng.B. 62 vân sáng.C. 41 vân sáng. D. 73 vân sáng. Lời giải Cách 1: Ta sẽ tìm số vân sáng của riêng bức xạ 1 , của riêng bức xạ 2 và số vân sáng trùng nhau của hai bức xạ. Khi đó: N N1 N2 N Trong đó N1 là số vân sáng của ánh sáng có bước sóng 1 ; N2 là số vân sáng của ánh sáng có bước sóng 2 . • Tìm số vân sáng của 1 . Số vân sáng do bức xạ có bước sóng 1 tạo ra là: Trang 8
9. L 25 N1 .2 1 .2 1 21 2i1 2.1,2 • Tìm số vân sáng của 2 . Số vân sáng do bức xạ có bước sóng 2 tạo ra là: l 25 N2 .2 1 .2 1 31 2i2 2.0,8 • Tìm số vân trùng. k  0,4 2 k 2n Vị trí vân trùng: x x 1 2 1 S1 S2 k2 1 0,6 3 k2 3n  D 0,6.2 Tọa độ vân trùng: x 2n. 1 2n. 2,4n  a 1 Số vân trùng là số giá trị n thỏa mãn L L x 12,5 2,4n 12,5 5,21 n 5,21 2  2 Có 11 giá trị n thỏa mãn nên có tổng cộng 11 vân trùng. • Số vân sáng quan sát được là: N N1 N2 11 41 (vân sáng) Cách 2: Khoảng vân do bức xạ có bước sóng 1 sinh ra:  D 0,6.10 3.2.103 i 1 1,2mm 1 a 1 Khoảng vân do bức xạ có bước sóng 2 sinh ra:  D 0,4.10 3.2.103 i 2 0,2mm 2 a 1 Số vân sáng do bức xạ có bước sóng 1 tạo ra là: L 25 N1 .2 1 .2 1 21 2i1 2.1,2 Số vân sáng do bức xạ có bước sóng 2 tạo ra là: L 25 N2 .2 1 .2 1 31 2i2 2.0,8 Trong các vân quan sát được trên màn, có các vân của hai bức xạ trên trùng nhau. k  2 Vị trí các vân trùng nhau thỏa mãn hệ thức: 1 2 k2 1 3 L 25 Trong đó giá trị lớn nhất của k thỏa mãn: k 10,42 1 1max 2i1 2.1,2 Trang 9
10. Vậy có 11 vân sáng trùng nhau, các bậc được lập như trong bảng sau: k1 0 2 4 6 8 10 k1 0 3 6 9 12 15 Số vân sáng quan sát được trên màn là: N N1 N2 11 41 (vân sáng) Đáp án C. Ví dụ 2: Trong thí nghiệm giao thoa ánh sáng với hai khe Y-âng, nguồn sáng phát ra đồng thòi 2 bức xạ có các bước sóng lần lượt là 1 0,4μm và 2 0,6μm .Hai điểm M và N trên trường giao thoa nằm cùng một phía so với vân trung tâm. Điểm M trùng với vân sáng bậc 7 của bức xạ 1 , điểm N nằm trùng với vân sáng bậc 13 của bức xạ 2 . Hỏi số vân sáng quan sát được trong đoạn MN? A. 17 vân sáng.B. 18 vân sáng.C. 19 vân sáng. D. 16 vân sáng. Lời giải Ta sẽ dùng phương pháp tương tự ví dụ trên. Tại điểm P nằm trên đoạn MN, có vân sáng của bức xạ 1 có bậc k1 thỏa mãn: i2 2 0,6 OM k1i1 ON 7i1 k1i1 13i2 7 k1 13 13 13 19,5 i1 1 0,4 k1 7;8;9; ;19 S Số vân sáng do bức xạ 1 phát ra là: N1 19 7 1 13 (vân sáng). Tại điểm P nằm trên đoạn MN, có vân sáng của bức xạ 2 có bậc k2 thỏa mãn: i1 2 0,4 OM k2i2 ON 7i1 k2i2 13i2 7 7 7 4,76 k2 13 i2 1 0,6 k2 5;6;7; ;13 . S Số vân sáng do bức xạ 2 phát ra là: N2 13 5 1 9 (vân sáng). Bây giờ ta sẽ tìm số vân trùng nhau. Ta có: k  0,6 3 k 3n x x 1 2 1 x 3n.i 2n.i S1 S1  1 2 k2 1 0,4 2 k2 2n 7 13 i2 13 2 13 0,6 Từ đó ta có: 7i1 3n.i1 13i2 n . . . 6,5 3 3 i1 3 1 3 0,4 2,3 n 6,5 n 3;4;5;6 Có 4 giá trị nguyên của n nên có 4 vân sáng trùng nhau. Vậy số vân sáng quan sát được trên đoạn MN là: N 13 9 4 18 (vân sáng). Đáp án B. Ví dụ 3: Trong thí nghiệm giao thoa ánh sáng với hai khe Y-âng, nguồn sáng phát ra đồng thời 2 bức xạ có các bước sóng lần lượt là 1 0,45μm và 2 0,6μm .Hai điểm M và N trên trường giao thoa nằm Trang 10
11. cùng một phía so với vân trung tâm. Điểm M trùng với vân sáng bậc 11 của bức xạ 1 , điểm N nằm trùng với vân sáng bậc 13 của bức xạ 2 . Hỏi số vân sáng quan sát được trong đoạn MN? A. 47 vân sáng.B. 44 vân sáng.C. 40 vân sáng. D. 42 vân sáng. Lời giải Tại điểm P nằm trên đoạn MN, có vân sáng của bức xạ 1 có bậc k1 thỏa mãn: i2 2 0,6 OM k1i1 ON 11i1 k1i1 13i2 11 k1 13 13 13 17,33 i1 1 0,45 k1 11; 10; ;0;1; ;17 S Số vân sáng do bức xạ 1 phát ra là: N1 17 11 1 29 (vân sáng). Tại điểm P nằm trên đoạn MN, có vân sáng của bức xạ 2 có bậc k2 thỏa mãn: OM k2i2 ON 11i1 k2i2 13i2 i1 2 0,45 11 11 11 4 8,25 k2 13 k2 8; 7; 0;1; ;13 . i2 1 0,6 S Số vân sáng do bức xạ 2 phát ra là: N2 13 8 1 22 (vân sáng). Bây giờ ta sẽ tìm số vân trùng nhau. Ta có: k  0,6 4 k 4m x x 1 2 1 x 4n.i 3n.i S1 S2  1 2 k2 1 0,45 3 k2 3n 11 13 i2 13 2 13 0,6 Từ đó ta có: 11i1 4n.i1 13i2 n . . . 64,33 4 4 i1 4 1 4 0,45 2,75 n 4,33 n 2; 1; ;3;4 . Có 7 giá trị nguyên của n nên có 7 vân sáng trùng nhau trên đoạn MN thỏa mãn. Vậy số vân sáng quan sát được trên đoạn MN là: N 29 22 7 44 (vân sáng). Đáp án B. Ví dụ 4: Thí nghiệm giao thoa ánh sáng Y - âng. Chiếu vào hai khe đồng thời hai bức xạ đơn sắc nhìn thấy có bước sóng 1 0,42μm và 2 thì trên màn quan sát giữa hai điểm M, N cùng màu với vân trung tâm người ta thấy có 16 khoảng vân của bức xạ 1 . Giữa M và N còn 3 vị trí khác cho màu giống như màu của vân trung tâm. Bước sóng 2 có giá trị là A. 0,48m.B. 0,56m.C. 0,63m.D. 0,49m. Lời giải Gọi xmin là khoảng cách nhỏ nhất giữa hai vân sáng cùng màu với vân trung tâm. Do giữa M và N còn có 3 vị trí khác cùng màu với màu của vân trung tâm nên khoảng cách giữa M và N là khoảng cách giữa 5 vân sáng liên tiếp cùng màu với vân trung tâm, do đó ta có: MN 4 xmin 16i1 . Suy ra khoảng cách nhỏ nhất giữa hai vân sáng cùng màu với vân trung tâm thỏa mãn: Trang 11
12. 4i1 41 4.0,42 1,68 xmin 4i1 k2i2 k2 i2 2 2 2 Vì bức xạ 2 là ánh sáng nhìn thấy nên 0,38μm  0,76μm . Từ đó ta có 1,68 1,68 1,68 k2 2,21 k2 4,42 0,76 2 0,38 1,68 1,68 Vì 1 2 nên chọn k2 3 2 0,5μm . k2 3 Đáp án B. Ví dụ 5: Tiến hành giao thoa với hai khe Y - âng có khoảng cách giữa hai khe là a 2mm , khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe tới màn quan sát là D 2m . Ánh sáng giao thoa là chùm sáng tổng hợp có bước sóng biến thiên liên tục trong giới hạn 1 0,52μm 1 2 0,68μm . Tìm khoảng cách nhỏ nhất từ vân sáng trung tâm tới vị trí mà tại đó có hai vân sáng trùng nhau? A. xmin 2,08mm .B. xmin 1,04mm .C. xmin 2,72mm .D. xmin 2,60mm . Lời giải Điều kiện để một vị trí có hai quang phổ bậc k và k 1 chồng chập lên nhau là:  D  D xk 1 xk k 1 1 k 2 k 1  k 0 1 2 a a 1 2 k 1 .0,52 k.0,68 0 k 3,25 Vậy hiện tuợng chồng chập bắt đầu xảy ra giữa quang phổ bậc 4 và quang phổ bậc 5. Vị trí có hai vân chồng chập lên nhau và gần vân trung tâm nhất chính là vị trí vân sáng bậc 5 của bức xạ 1 . Ta có:  D 0,52.10 3.2.103 x 5 1 5 2,60 mm min a 2 Đáp án D. Ví dụ 6: Trong thí nghiệm Y – âng về giao thoa ánh sáng, hai khe đuợc chiếu sáng đồng thời bởi hai bức xạ đơn sắc có bước sóng lần lượt là 1 và 2 . Trên màn quan sát, có vân sáng bậc 12 của 1 trùng với 1 vân sáng bậc 10 của 2 . Tỉ số bằng: 2 6 2 5 3 A. .B. .C. . D. . 5 3 6 2 Lời giải Vị trí vân sáng trùng nhau của hai bức xạ:  D  D  k 10 5 x x k 1 k 2 k  k  1 2 S1 S2 1 2 1 1 2 2 a a 2 k1 12 6 Đáp án C. Trang 12
13. Ví dụ 7: Trong thí nghiệm Y – âng về giao thoa ánh sáng, nguồn sáng phát đồng thời hai bức xạ đơn sắc, trong đó bức xạ màu đỏ có bước sóng đ 720nm và bức xạ màu lục có bước sóng l (có giá trị trong khoảng từ 500 nm đến 575 nm). Trên màn quan sát, giữa hai vân sáng gần nhau nhất và cùng màu với vân sáng trung tâm có 8 vân sáng màu lục. Tính bước sóng l của áng sáng màu lục. A. 720 nm.B. 560 nm.C. 480 nm. D. 360 nm. Lời giải kll Vi trí các vân trùng có: kđ đ kll kđ . đ Vì giữa hai vân trùng gần nhau nhất có 8 vân màu lục nên vân trùng đầu tiên tính từ vân trung tâm là vân sáng bậc 9 của ánh sáng màu lục. Theo bài ra ta có 9.500 9.575 6,25 k 7,12 720 đ 720 Vì kđ ¢ kđ 7 . Từ đó suy ra bước sóng của ánh sáng màu lục là: kđ đ l 560 nm kl Đáp án B. Ví dụ 8: Trong thí nghiệm Y – âng, hai khe được chiếu đồng thời bức xạ đơn sắc, trong đó một bức xạ 1 450 nm , còn bức xạ 2 có bước sóng có giá trị từ 600 nm đến 750 nm. Trên màn quan sát, giữa hai vân sáng gần nhất cùng màu với vân trung tâm có 6 vân sáng màu của 1 . Giá trị của 2 bằng A. 630 nm.B. 450 nm.C. 720 nm. D. 600 nm. Lời giải Xét khoảng cách giữa vân sáng đầu tiên cùng màu với vân trung tâm và vân trung tâm. Khoảng này có 6 vân sáng với bức xạ 1 . Như vậy tại vị trí vân sáng đầu tiên cùng màu với vân trung tâm có chứa vân sáng bậc 7 của bức xạ 1 . Vị trí này là vân sáng bậc k2 của bức xạ 2 . 7 3,15 Ta có điều kiện vân trùng: k11 k22 2 1 μm k2 k2 Vì 0,6 2 0,75 nên 4,2 k2 5,25 . Suy ra k2 5 . Vậy bước sóng 2 630 nm . Đáp án A. Ví dụ 9: Trong thí nghiệm Y – âng về giao thoa ánh sáng, khoảng cách giữa hai khe là 0,5 mm, khoảng cách từ hai khe đến màn là 2 m. Nguồn sáng dùng trong thí nghiệm gồm hai bức xạ có bước sóng 1 0,45μm và 2 0,6μm . Trên màn quan sát, gọi M và N là hai điểm ở cùng một phía so với vân trung tâm và cách vân trung tâm lần lượt là 5,5 mm và 22 mm. Trên đoạn MN, số vị trí vân sáng trùng nhau của hai bức xạ trên là? Trang 13
14. A. 5.B. 2.C. 3. D. 4. Lời giải Vị trí vân sáng trùng nhau của hai bức xạ trên là:  D  D k 600 4 x x k 1 k 2 k  k  1 S1 S2 1 2 1 1 2 2 a a k2 450 3 k 4x 1 1D 0,45.2 Suy ra . Vị trí trùng nhau là: x k1 4x 7,2x mm . k2 3x a 0,5 Vì xM x xN nên 5,5 7,2 x 22 0,76 x 3,1 Có 3 giá trị của x thỏa mãn nên có 3 vị trí vân sáng trùng nhau của hai bức xạ trên đoạn MN. Đáp án C. Ví dụ 10: Trong thí nghiệm Y – âng về giao thoa ánh sáng, khoảng cách giữa hai khe là 2 mm, khoảng cách từ hai khe đến màn là 2 m. Nguồn sáng dùng trong thí nghiệm gồm hai bức xạ có bước sóng 1 0,45μm và 2 0,6μm . Trên bề rộng trường giao thoa 13 mm, số vân sáng quan sát được là bao nhiêu? A. 50.B. 21.C. 29. D. 43. Lời giải Ta sẽ đi tìm số vân sáng chỉ do 1 0,45μm tạo ra, số vân sáng chỉ do 2 0,6μm tạo ra trên trường giao thoa. Sau đó ta trừ đi số vân sáng trùng nhau của hai bức xạ.  D - Khoảng vân của bức xạ  0,45μm là i 1 0,45mm . 1 1 a L 13 Số vân sáng chỉ do 1 0,45μm tạo ra là: N1 2 1 2. 1 29 2i1 2.0,45  D - Khoảng vân của bức xạ  0,6μm là i 2 0,6mm . 2 2 a L 13 Số vân sáng chỉ do 2 0,6μm tạo ra là: N2 2 1 2. 1 21 2i2 2.0,6 - Tìm số vân trùng: Vị trí vân sáng trùng nhau của hai bức xạ trên là:  D  D k 0,6 4 x x k 1 k 2 k  k  1 S1 S2 1 2 1 1 2 2 a a k2 0,45 3 k1 4x Suy ra ta có thể viết . k2 3x  D 0,45.2 Vị trí trùng nhau là x k 1 4x 1,8x mm .  1 a 2 Trang 14
15. L L Vì x 6,5 1,8x 6,5 3,6 x 3,6 . 2  2 Có 7 giá trị của x thỏa mãn nên có 7 vị trí vân sáng trùng nhau của hai bức xạ. Vậy số vân sáng quan sát được trên trường giao thoa là 29 21 7 43 vân. Đáp án D. Ví dụ 11: Trong thí nghiệm giao thoa ánh sáng với khe Y – âng, khoảng cách giữa hai khe S1S2 bằng 2mm, khoảng cách từ hai khe đến màn quan sát là D 2,5 m . Chiếu vào hai khe đồng thòi hai bức xạ với buóc sóng 1 0,45μm và 2 0,75μm . Tìm khoảng cách nhỏ nhất giữa hai vân sáng trùng nhau? A. 2,8425 mm.B. 2,8125 mm.C. 2,2425 mm. D. 3,8125 mm. Lời giải Điều kiện các vân sáng bậc k1 của bức xạ 1 trùng với vân sáng bậc k2 của bức xạ 2 là: 1D 2 D k1 i2 2 k1 0,75 5 k1i1 k2i2 k1 k2 a a k2 i1 1 k2 0,45 3 k1 5n x 5n.i1 3n.i2 k2 3n Vậy khoảng cách nhỏ nhất giữa hai vân sáng trùng nhau ứng với n 1 là:  D 0,45.10 3.2,5.103 x 5i 3i ;i 1 0,5625 mm min 1 2 1 a 2 xmin 5i1 5.0,5625 2,8125 mm Đáp án B. Ví dụ 12: Trong thí nghiệm giao thoa ánh sáng với khe Y – âng, khoảng cách giữa hai khe S1S2 bằng 2mm, khoảng cách từ hai khe đến màn quan sát là D 2 m . Chiếu vào hai khe đồng thời hai bức xạ với bước sóng 1 0,60μm và 2 chưa biết. Trong khoảng rộng L 18 mm đối xứng qua vân trung tâm, đếm đuợc 61 vân sáng, trong đó có 7 vân là kết quả trùng nhau của hệ vân. Tính 2 biết 2 trong 7 vân trùng nhau nằm ở mép ngoài cùng của truòng giao thoa. A. 2 0,50μm .B. 2 0,55μm . C. 2 0,75μm . D. Không tồn tại 2 . Lời giải  D 0,6.10 3.2.103 Khoảng vân đối với bước sóng  : i 1 0,6 mm 1 1 a 2 Số vân sáng của bức xạ có bước sóng 1 quan sát được trên màn hình là: L 18 NS .2 1 .2 1 31 2i 2.0,6 Trong 61 vân sáng đếm được trên màn thì có 7 vân trùng nhau chỉ được đếm một lần. Số vân sáng thực tế 1 S do hai bức xạ phát ra là: NS N2 61 7 68 Trang 15
16. 2 1 Số vân sáng bức xạ 2 phát ra là: N 68 N 68 31 37 Do đó hai vân trùng nhau ở mép ngoài cùng của khoảng L chia hết cho cả i1 và i2 , do đó: 2 L L NS .2 1 .2 1 37 2i2 2i2 18 18 i2a 0,5.2 3 36 i2 0,5mm 2 3 0,5.10 mm 0,5μm . i2 36 D 2.10 Đáp án A. Ví dụ 13: Trong thí nghiệm giao thoa ánh sáng với khe Y – âng, khoảng cách giữa hai khe S1S2 bằng 2mm, khoảng cách từ hai khe đến màn quan sát là D 2 m . Chiếu vào hai khe đồng thời hai bức xạ với bước sóng 1 0,50μm và 2 chưa biết. Trong khoảng rộng L 8 mm đối xứng qua vân trung tâm, đếm đuợc 31 vân sáng, trong đó có 7 vân là kết quả trùng nhau của hệ vân. Tính 2 biết 2 trong 7 vân trùng nhau nằm ở mép ngoài cùng của truòng giao thoa. A. 2 0,45μm .B. 2 0,55μm . C. 2 0,75μm . D. 2 0,40μm . Lời giải  D 0,5.10 3.2.103 Khoảng vân đối với bước sóng  : i 1 0,5 mm 1 1 a 2 Số vân sáng của bức xạ có bước sóng 1 quan sát được trên màn hình là: L 8 NS .2 1 .2 1 17 2i 2.0,5 Trong 31 vân sáng đếm được trên màn thì có 7 vân trùng nhau chỉ được đếm một lần. Vậy số vân sáng 1 2 thực tế do hai bức xạ phát ra là: NS NS 31 7 38 2 1 Số vân sáng bức xạ 2 phát ra là: N 38 NS 38 17 21 Do đó hai vân trùng nhau ở mép ngoài cùng của khoảng L chia hết cho cả i1 và i2 , do đó: 2 L 8 NS .2 1 .2 1 21 2i2 2i2 8 8 i2a 0,4.2 3 20 i2 0,4mm 2 3 0,4.10 mm 0,4μm i2 20 D 2.10 Đáp án D. Ví dụ 14: Trong một thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng, nguồn sáng phát đồng thời hai ánh sáng đơn sắc: ánh sáng đỏ có bước sóng 686 nm, ánh sáng lam có bước sóng  , với 450nm  510nm . Trên màn, trong khoảng giữa hai vân sáng gần nhau nhất và cùng màu với vân sáng trung tâm có 6 vân sáng lam. Trong khoảng này có bao nhiêu vân sáng đỏ? A. 4.B. 7.C. 5. D. 6. Lời giải Trang 16
17. - Xét hai vân gần nhất cùng màu với vân sáng trung tâm: vân trung tâm và vân trùng thứ nhất. - Vì trong khoảng trên có 6 vân sáng lam nên vân trùng thứ nhất có vân sáng lam bậc 7. Ta có: đ kđ kđ kđ klil kđ iđ l đ  686. 98kđ nm l kl kl 7 - Vì 450nm  510nm nên: 450 98kđ 510 4.59 kđ 5,20 kđ 5 - Vậy vị trí vân trùng thứ nhất có vân sáng đỏ bậc 5. Suy ra trong khoảng này có 4 vân sáng đỏ. Đáp án A. Loại 2: Vân tối trùng nhau của hai ánh sáng đơn sắc, số vân quan sát được Vị trí vân tối trùng nhau của hai bức xạ: 1  D 1  D 2k 1  p x x k 1 k 2 1 2 T1 T2 1 2 2 a 2 a 2k2 1 1 q p 2k1 1 p 2n 1 Trong đó là một phân số tối giản. Suy ra ta có thể viết q 2k2 1 q 2n 1  D  D Vị trí trùng là x p 2n 1 1 q 2n 1 2 .  2a 2a Muốn tìm số vạch trùng nhau, ta chỉ việc cho x nằm trong khoảng mà ta khảo sát, sẽ tìm được số giá trị của n. Ví dụ 1: Trong thí nghiệm Y – âng về giao thoa ánh sáng, khoảng cách giữa hai khe là 0,5 mm, khoảng cách từ hai khe đến màn là 2 m. Nguồn sáng dùng trong thí nghiệm gồm hai bức xạ có bước sóng 1 0,45μm và 2 0,6μm . Trên màn quan sát, gọi M và N là hai điểm ở cùng một phía so với vân trung tâm và cách vân trung tâm lần lượt là 5,5 mm và 22 mm. Trên đoạn MN, số vị trí vân tối trùng nhau của hai bức xạ trên là? A. 5.B. 2.C. 3. D. 4. Lời giải Vị trí vân tối trùng nhau của hai bức xạ: 1  D 1  D 2k 1 0,6 4 x x k 1 k 2 1 T1 T2 1 2 2 a 2 a 2k2 1 0,45 3 2k1 1 4 2n 1 Suy ra ta có thể viết . 2k2 1 3 2n 1  D Vị trí trùng là x 4 2n 1 1 3,6 2n 1 .  a Vì xM x xN nên 5,5 3,6 2n 1 22 0,26 n 2,5. Có 2 giá trị của n thỏa mãn nên có 2 vị trí vân tối trùng nhau của hai bức xạ trên đoạn MN. Đáp án B. Trang 17
18. Ví dụ 2: Trong thí nghiệm giao thoa Y – âng thực hiện đồng thời hai bức xạ đơn sắc với khoảng vân trên màn thu đuợc lần luợt là: i1 0,5mm;i2 0,3mm . Biết bề rộng truờng giao thoa là 5 mm, số vị trí trên trường giao thoa có 2 vân tối của hai hệ trùng nhau là bao nhiêu? A. 5.B. 2.C. 3. D. 4. Lời giải Vị trí vân tối trùng nhau của hai bức xạ: 1 1 2k 1 i 0,3 3 x x k i k i 1 2 T1 T2 1 1 2 2 2 2 2k2 1 i1 0,5 5 2k1 1 3 2n 1 Suy ra ta có thể viết . 2k2 1 5 2n 1 i 0,5 Vị trí trùng là x 3 2n 1 2 3 2n 1 . .  2 2 L L 5 3 2n 1 .0,5 5 Vì x nên 2  2 2 2 2 5 3n 1,5 5 2,16 n 1,167 n 0; ; 2 Có 4 giá trị của n thỏa mãn nên có 4 vị trí vân tối trùng nhau của hai bức xạ trên trường giao thoa. Đáp án D. 3. Giao thoa với ba ánh sáng đơn sắc Dưới đây tác giả trích dẫn một số bài toán về giao thoa với ba ánh sáng đơn sắc của thầy Lê Văn Thành. Ví dụ 1: Trong thí nghiệm giao thoa với hai khe Y – âng, nguồn sáng phát ra đồng thời ba bức xạ có các bước sóng lần lượt là 1 0,45μm;2 0,54μm và 3 0,72μm . Hỏi giữa hai vân sáng liên tiếp cùng màu với vân trung tâm: 1. Có bao nhiêu vân sáng mà mỗi bức xạ có thể phát ra? 2. Có bao nhiêu vân sáng đôi một trùng nhau? 3. Có bao nhiêu vân sáng độc lập của mỗi bức xạ? 4. Đếm được bao nhiêu vân sáng? 5. Quan sát được bao nhiêu màu sắc khác nhau? Lời giải Do .khoảng vân tỉ lệ thuận với bước sóng nên ta có: 1 : 2 : 3 i1 :i2 :i3 0,45: 0,54 : 0,72 5: 6 :8 Đặt i1 5i;i2 6i;i3 8i , vân sáng cùng màu với vân trung tâm phải là nơi chồng chập của cả ba vân sáng. Gọi xmin là khoảng cách giữa hai vân sáng liên tiếp cùng màu với vân trung tâm thì xmin phải là bội số chung nhỏ nhất (BSCNN) của i1,i2 và i3 và xmin 120i 24i1 20i2 15i3 Trang 18