Sóng ánh sáng – Lý thuyết và công thức
Mặc dù là một chuyên đề không quá phức tạp, sóng ánh sáng lại xuất hiện đều đặn trong đề thi tốt nghiệp THPT môn Vật Lý trong những năm gần đây. Các câu hỏi về sóng ánh sáng thường được chia thành các loại như sau: câu dạng nhận biết (2 câu), câu thông hiểu (1 câu), câu vận dụng (1 câu) và câu vận dụng cao (1 câu).
Để hiểu rõ hơn về cấu trúc của đề thi, bạn có thể tham khảo thêm bài viết về “Cấu trúc đề thi Vật Lý tốt nghiệp THPT”.
Vì vậy, việc ôn tập chuyên đề này là vô cùng quan trọng. Chúng tôi muốn cung cấp cho bạn kiến thức cơ bản về sóng ánh sáng và các công thức liên quan mà bạn cần nhớ khi bạn ôn tập cho kỳ thi tốt nghiệp THPT và khi giải các bài tập liên quan đến sóng ánh sáng.
Lý thuyết về sóng âm thanh
I. Tán sắc ánh sáng
1.Định nghĩa tán sắc ánh sáng
Tán sắc ánh sáng là quá trình phân tách một tia sáng phức tạp thành nhiều tia sáng có một bước sóng cụ thể, tạo ra các tia sáng đơn sắc khác nhau.
2.Ánh sáng đơn sắc, ánh sáng trắng
- Ánh sáng đơn sắc là loại ánh sáng không trải qua hiện tượng tán sắc khi đi qua một lăng kính hoặc một môi trường quang học. Mỗi loại ánh sáng đơn sắc tương ứng với một màu sắc cụ thể và được gọi là màu đơn sắc. Khi chúng truyền qua các môi trường khác nhau, bước sóng của ánh sáng đơn sắc cũng có thể thay đổi, tạo ra các hiện tượng quan sát thú vị về màu sắc.
- Khi ánh sáng di chuyển qua các môi trường trong suốt với chỉ số khúc xạ khác nhau, tốc độ truyền ánh sáng thay đổi và theo đó, bước sóng của ánh sáng cũng thay đổi. Tuy nhiên, tần số của ánh sáng, tức số dao động của ánh sáng trên mỗi giây, không thay đổi trong quá trình truyền qua các môi trường khác nhau.
Công thức tính bước sóng của ánh sáng đơn sắc được xác định bằng:
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:
- Tham số “c” đại diện cho vận tốc ánh sáng trong môi trường chân không.
- Tham số “v” đại diện cho vận tốc truyền ánh sáng trong môi trường với chỉ số khúc xạ n; n tăng dần từ màu đỏ tới màu tím.
- Ánh sáng trắng là kết quả của việc kết hợp một loạt các ánh sáng đơn sắc khác nhau, mỗi loại có màu sắc biến thiên liên tục từ đỏ đến tím.
- Dải màu trong cầu vồng (bao gồm 7 màu chính, đặc biệt dễ nhận biết như đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím) được gọi là quang phổ của ánh sáng trắng.
- Chiết suất của các môi trường trong suốt sẽ thay đổi theo màu sắc của ánh sáng, và thường tăng dần từ màu đỏ đến màu tím.
3.Ứng dụng của tán sắc ánh sáng trong đời sống hiện nay
- Tán sắc ánh sáng được áp dụng trong việc xây dựng máy quang phổ, giúp phân tích một tia sáng đa dạng thành các thành phần ánh sáng đơn sắc riêng lẻ.
- Để giải thích hiện tượng tán sắc ánh sáng, hãy xem xét ví dụ về cách các tia sáng từ Mặt Trời khi đi qua các giọt nước trong không khí bị tán sắc và phản xạ. Kết quả là chúng ta thấy các dải màu dài xuất hiện, tạo nên hiện tượng cầu vồng.
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 mà ánh sáng trên đường truyền bị sai lệch so với hướng truyền thẳng khi nó đi qua các vật cản hoặc lỗ nhỏ. Hiện tượng này là một minh chứng cho tính chất sóng của ánh sáng.
2.Hiện tượng giao thoa ánh sáng
Khái niệm về giao thoa ánh sáng liên quan đến việc hai chùm ánh sáng kết hợp, có cùng tần số và có độ lệch pha không đổi theo thời gian.
Khi hai chùm ánh sáng này kết hợp với nhau, xảy ra hiện tượng giao thoa:
- Tại những điểm mà hai sóng gặp nhau và có cùng pha, ánh sáng của hai chùm này tăng cường lẫn nhau, tạo ra vân sáng.
- Tại những điểm mà hai sóng gặp nhau với độ lệch pha ngược, chúng sẽ triệt tiêu lẫn nhau và tạo ra vân tối.
Khi hai tia ánh sáng trắng giao thoa với nhau, hệ thống vân của các ánh sáng đơn sắc khác nhau sẽ không trùng nhau:
- Giữa hai vân tối, vân sáng của các ánh sáng đơn sắc sẽ trùng nhau và tạo thành vân sáng trắng chính giữa, còn gọi là vân trắng trung tâm.
- Ở hai bên của vân trắng trung tâm, các vân sáng khác của các sóng ánh sáng đơn sắc sẽ không trùng khớp, mà chúng sẽ nằm gần nhau và tạo ra một quang phổ với các màu sắc giống như cầu vồng.
Hiện tượng giao thoa ánh sáng cung cấp bằng chứng thực nghiệm rõ ràng về tính chất sóng của ánh sáng.
3.Vị trí vân, khoảng vân trong giao thoa ánh sáng khe Young
+ Vị trí vân sáng theo công thức: xs = k ; với điều kiện k ∈ Z.
+ Vị trí vân tối theo công thức: xt = (2k + 1); với k ∈ Z.
+ Khoảng vân theo công thức: i =
=> Bước sóng theo công thức:
+ 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 chúng ta có một bản mỏng có độ dày là e và có chỉ số khúc xạ là n:
- Chiều dài của quang lộ từ điểm S1 đến điểm M có thể được tính bằng công thức: S1M = (d1 – e) + n * e.
- Chiều dài của quang lộ từ điểm S2 đến điểm M có thể được tính bằng công thức: S2M = d2.
- Hiệu của quang trình này có thể được tính bằng công thức: δ = S2M – S1M = d2 – d1 – e * (n – 1) = ax/D – e(n-1).
- Vị trí của vân sáng có thể được tính bằng công thức: xs = kλD/a + e * D * (n – 1)/a.
- Vị trí của vân tối có thể được tính bằng công thức: xt = (k + 0.5)λD/a + e * D * (n – 1)/a.
- Đối với hệ vân dời một khoảng về phía có bản mặt song song, vị trí này có thể được tính bằng công thức: x0 = e * D * (n – 1)/a.
III. Bước sóng và màu sắc ánh sáng
- Ánh sáng đơn sắc là loại ánh sáng có một bước sóng duy nhất xác định trong môi trường chân không.
- Tất cả ánh sáng đơn sắc mà chúng ta có thể quan sát (gọi là ánh sáng khả kiến) có bước sóng nằm trong khoảng từ 0,38μm (ánh sáng tím) đến 0,76μm (ánh sáng đỏ) trong môi trường chân không hoặc không khí.
- Các màu chính trong quang phổ ánh sáng trắng (đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím) thường có các bước sóng nằm gần nhau. Để tìm hiểu chi tiết hơn về bước sóng cụ thể của từng loại ánh sáng đơn sắc, bạn có thể tham khảo bảng dưới đây:
IV. Hiện tượng Quang phổ
a. Máy quang phổ lăng kính
- Như đã đề cập trước đó, máy quang phổ được tạo ra thông qua hiện tượng tán sắc ánh sáng. Đơn giản mà nói, máy quang phổ là một thiết bị được sử dụng để phân tích một chùm sáng thành các thành phần riêng biệt của ánh sáng đơn sắc.
- Máy quang phổ được áp dụng để phân tích các chùm sáng phức tạp từ một nguồn sáng cụ thể, cho phép chúng ta rút ra thông tin về cấu trúc và thành phần của nguồn sáng đó.
- Máy quang phổ thường bao gồm ba phần chính:
- Trụ chuẩn trực: Đây là thành phần tạo ra một dải ánh sáng song song.
- Hệ tán sắc: Được sử dụng để chia tách dải ánh sáng song song thành nhiều dải ánh sáng đơn sắc riêng biệt.
- Buồng ảnh: Thường được dùng để quan sát hoặc chụp ảnh về 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
Ngoài những màu sắc trong phạm vi quang phổ mà mắt người có thể quan sát trực tiếp, tức là từ màu đỏ tới màu tím, ở cả hai đầu của phổ này còn tồn tại các dải ánh sáng mà mắt thường không thể nhìn thấy. Các khoảng ánh sáng này đã được các nhà khoa học phát hiện và có thể được quan sát bằng cách sử dụng các thiết bị đặc biệt. Cụ thể, chúng ta nói đến tia tử ngoại và tia hồng ngoại.
b. Sử dụng ống Cu-lít-giơ để tạo ra tia X:
Ống Cu-lít-giơ là một ống thủy tinh hình chân được thiết kế với hai điện cực:
- Catot K, làm từ một kim loại, có hình dạng như một đầu chỏm cầu, giúp tập trung các electron từ dây FF’ vào một điểm duy nhất trước khi chúng chuyển đến anot A.
- Anot A làm từ một kim loại có khối lượng nguyên tử lớn và điểm nóng chảy cao.
- Dây FF’ được nung nóng bằng dòng điện đi qua, khiến các electron bay từ FF’ và chạm vào anot A, kết quả trong việc phát ra tia X.
c. Tia hồng ngoại
Tính chất của tia hồng ngoại:
- Loại sóng: Tia hồng ngoại là dạng sóng điện từ.
- Bước sóng: Tia hồng ngoại có bước sóng trong khoảng từ 7,6 x 10^-7 m đến 10^-3 m.
- Nguồn phát: Tia hồng ngoại được phát ra từ các vật thể có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường xung quanh. Ví dụ bao gồm bóng đèn dây tóc, dây mài-so trong bếp hồng ngoại và nhiều nguồn khác.
Tính chất chính của tia hồng ngoại bao gồm:
- Tác dụng nhiệt: Tia hồng ngoại có khả năng tạo ra hiện tượng nhiệt, được sử dụng trong các ứng dụng như sấy khô và sưởi ấm.
- Xúc tác: Tia hồng ngoại có thể tác động lên một số phản ứng hóa học.
- Hiện tượng quang điện trong các chất bán dẫn: Tia hồng ngoại có thể tạo ra hiện tượng quang điện trong các vật liệu bán dẫn.
Ứng dụng thực tế của tia hồng ngoại:
- Sấy khô và sưởi ấm.
- Được sử dụng trong thiết bị điều khiển từ xa.
- Sử dụng trong chụp ảnh hồng ngoại.
- Ứng dụng trong lĩnh vực quân sự, bao gồm tên lửa nhiệt và máy dò nhiệt.
d. Tia tử ngoại
Tính chất của tia tử ngoại:
- Loại sóng: Tia tử ngoại là dạng sóng điện từ.
- Bước sóng: Tia tử ngoại có bước sóng trong khoảng từ 3,8 x 10^-7 m đến 10^-8 m.
- Nguồn phát: Tia tử ngoại được phát ra từ các vật thể hoặc chất liệu có nhiệt độ vượt quá 2000 độ C.
Tính chất chính của tia tử ngoại bao gồm:
- Tạo ra hiện tượng quang điện, cả trong và ngoài.
- Có khả năng làm phát quang một số hợp chất, có tác dụng sinh lí, i-on hóa chất khí, gây hủy hoại tế bào, và diệt khuẩn.
- Tia tử ngoại bị thủy tinh và nước hấp thụ.
Ứng dụng thực tế của tia tử ngoại:
- Sử dụng trong các thiết bị y tế và các dụng cụ diệt khuẩn.
- Được áp dụng trong việc chữa bệnh còi xương.
- Sử dụng để tìm kiếm 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 mà ta có thể thấy, tia tử ngoại, tia Rơntgen và tia gamma đều thuộc loại sóng điện từ.
- Dù chúng được tạo ra bằng cách khác nhau, các loại sóng này không có một ranh giới cụ thể phân biệt chúng một cách rõ ràng.
- Tuy vậy, những khác biệt về bước sóng và tần số của các sóng điện từ này dẫn đến các tính chất riêng biệt, bao gồm khả năng quan sát, khả năng xâm thực qua các vật thể, và khả năng bị hấp thụ.
- Các tia với bước sóng ngắn hơn, như tia gamma hoặc tia X, có khả năng xâm thực cao hơn, làm cho chúng có khả năng làm phát quang các chất và dễ dàng ion hóa khí quanh chúng.
- Trong khi đó, các tia với bước sóng dài hơn thường dễ dàng quan sát hơn bởi mắt người.
Công thức sóng ánh sáng cần nhớ
Mình muốn chia sẻ toàn bộ lý thuyết và các công thức liên quan đến sóng ánh sáng mà các bạn cần thuộc để giải quyết các loại bài tập và cả trong kỳ thi tốt nghiệp THPT.
Các bạn có thể tìm hiểu chi tiết về kiến thức sóng ánh sáng tại:
>>Xem tài liệu và công thức về sóng ánh sáng <<
Nói chung, trên đây đã cung cấp một cái nhìn tổng quan về kiến thức về sóng ánh sáng mà các bạn cần nắm để chuẩn bị cho kỳ thi tốt nghiệp THPT. Chúc các bạn thi tốt và đạt được điểm số cao!