Phụ lục TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH KHOA KHOA HỌC CƠ BẢN TÀI LIỆU GIẢNG DẠY MÔN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG Ngành Cơng nghệ Hóa học GV biên soạn: Lê Thị Cẩm Loan Trà Vinh, Tháng năm 2014 Lưu hành nội KHOA KHOA HỌC CƠ BẢN BỘ MƠN VẬT LÝ TÌNH TRẠNG PHÊ DUYỆT TÀI LIỆU GIẢNG DẠY Tên tài liệu giảng dạy: VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG (Ngành Cơng nghệ Hóa học) Ngày hồn chỉnh: 02 tháng 07 năm 2014 Tác giả biên soạn: Lê Thị Cẩm Loan Đơn vị công tác: Bộ môn Vật lý, Khoa khoa học Cơ Bản Địa liên lạc: 126 Quốc lộ 53, Phường 5, Tp Trà Vinh Trà Vinh, ngày 02 tháng 07 năm 2014 Tác giả (Ký & ghi họ tên) Lê Thị Cẩm Loan PHÊ DUYỆT CỦA BỘ MÔN Đồng ý sử dụng tài liệu giảng dạy …………….…………………… ……… …………………………… biên soạn để giảng dạy môn… …… …… ……………… Trà Vinh, ngày … tháng … năm…… TRƯỞNG BỘ MƠN Cơ Thị Thúy PHÊ DUYỆT CỦA KHOA Trà Vinh, ngày … tháng … năm 201 TRƯỞNG KHOA Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương ngành Cơng nghệ Hóa học MỤC LỤC Nội dung Trang PHẦN LÝ THUYẾT BÀI MỞ ĐẦU CHƯƠNG .5 ĐỘNG HỌC CHẤT ĐIỂM BÀI CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN BÀI VẬN TỐC VÀ GIA TỐC .13 BÀI 14 MỘT SỐ CHUYỂN ĐỘNG ĐƠN GIẢN CỦA CHẤT ĐIỂM 14 CHƯƠNG 19 ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM .19 BÀI 19 CÁC ĐỊNH LUẬT NEWTON .19 BÀI 22 HỆ QUI CHIẾU KHÔNG QUÁN TÍNH – LỰC QUÁN TÍNH – NGUYÊN LÝ TƯƠNG ĐỐI GALILLE 22 BÀI 24 CÁC LỰC CƠ HỌC 24 CHƯƠNG 29 ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG 29 BÀI 29 CÔNG VÀ CÔNG SUẤT 29 BÀI 32 ĐỘNG NĂNG VÀ THẾ NĂNG 32 BÀI 35 ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN CƠ NĂNG 35 CHƯƠNG 37 KHÍ LÝ TƯỞNG .37 CHƯƠNG 40 NHỮNG NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 40 BÀI 40 NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 40 BÀI 44 NGUYÊN LÝ THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC .44 CHƯƠNG 50 ĐIỆN TRƯỜNG TĨNH ĐIỆN 50 BÀI 50 ĐIỆN TÍCH VÀ ĐỊNH LUẬT COULOMB 50 BÀI 54 ĐIỆN TRƯỜNG 54 BÀI 59 Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương ngành Cơng nghệ Hóa học ĐIỆN THẾ 59 CHƯƠNG 65 VẬT DẪN .65 BÀI 65 VẬT DẪN TRONG ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG TĨNH ĐIỆN HIỆN TƯỢNG ĐIỆN HƯỞNG HIỆN TƯỢNG PHÂN CỰC CHẤT ĐIỆN MÔI 65 BÀI 70 ĐIỆN DUNG CỦA VẬT DẪN 70 CHƯƠNG 74 DỊNG ĐIỆN KHƠNG ĐỔI .74 BÀI 74 DỊNG ĐIỆN KHƠNG ĐỔI ĐỊNH LUẬT OHM 74 BÀI 78 CÁC ĐỊNH LUẬT KIRCHOFF 78 CHƯƠNG 81 TỪ TRƯỜNG TĨNH .81 BÀI 81 VECTƠ CẢM ỨNG TỪ - VÉCTƠ CƯỜNG ĐỘ TỪ TRƯỜNG 81 BÀI 86 ĐƯỜNG CẢM ỨNG TỪ-TỪ THƠNG-ĐỊNH LÍ O-G ĐỐI VỚI TỪTRƯỜNG ĐỊNH LÍ AMPERE VỀ DỊNG ĐIỆN TỒN PHẦN .86 .86 BÀI 90 LỰC TỪ TÁC DỤNG LÊN PHÂN TỬ DÒNG ĐIỆN 90 CHƯƠNG 10 93 GIAO THOA, NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG 93 BÀI 93 GIAO THOA ÁNH SÁNG 93 BÀI 102 NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO .109 Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương ngành Cơng nghệ Hóa học PHẦN LÝ THUYẾT BÀI MỞ ĐẦU  Mục tiêu học tập: - Trình bày tầm quan trọng vật lý môn khoa học khác - Dùng với đơn vị đo lường sử dụng vật lý I Đối tượng phương pháp nghiên cứu Vật lý học: Đối tượng nghiên cứu Vật lý học Vật lý học: môn khoa học tự nhiên nghiên cứu quy luật đơn giản tổng quát tượng tự nhiên, nghiên cứu tính chất cấu trúc vật chất định luật vận động vật chất Cơ học: phận Vật lý học Nghiên cứu dịch chuyển vật phận vật Chuyển động học (hay dịch chuyển) dạng đơn giản vận động vật chất Phương pháp nghiên cứu Vật lý học Phương pháp nghiên cứu Vật lý học biểu diễn theo sơ đồ sau: Quan sát Thí nghiệm Khảo sát Giả thuyết Lý luận giải thích Thí nghiệm Kiểm chứng giả thuyết Đúng Định luật Định lý Đ Thuyết Sai II Phép đo đơn vị đo vật lý Phép đo: chia thành phép đo sau: Phép đo trực tiếp: so sánh đại lượng cần đo với đại lượng loại chọn làm đơn vị Thí dụ: Đo chiều dài: so sánh với chiều dài thước đo Đo khoảng thời gian: so sánh với thời gian mà kim đồng hồ dịch chuyển qua vạch mặt đồng hồ Phép đo gián tiếp: tính đại lượng cơng thức Tốn học định luật Vật lý thông qua đại lượng biết Thí dụ: Đo khối lượng riêng vật vắn: tính khối lượng theo cơng thức: D = qua đại lượng biết khối lượng m thể tích V Tài liệu giảng dạy Mơn Vật lý đại cương ngành Cơng nghệ Hóa học m , thơng V Đo Vận tốc: tính vận tốc theo cơng thức: v = S thông qua hai đại lượng biết t quảng đường S thời gian t Như vậy, muốn thực phép đo, phải xác định đơn vị đo cơng thức để tính Đơn vị đo Đơn vị bản: đơn vị qui ước, nghĩa dùng định luật Vật lý đề suy từ đơn vị đơn vị Đơn vị dẫn xuất: đơn vị rút từ đơn vị công thức Vật lý Hệ đơn vị đo lường bản: hệ đơn vị đo trực tiếp, có tính quốc tế nhà khoa học thống sử dụng viết tắt SI Hệ SI (International System) bao gồm đơn vị đo sau: Tên đơn vị Độ dài Khối lượng Thời gian Nhiệt độ Cường độ dòng điện Cường độ ánh sáng Lượng vật chất 2.1 Đơn vị đo chiều dài: Ký hiệu L M T T I J N Đo đơn vị mét (m) kilôgam (kg) giây (s) độ Kenvin (0K) Ampere (A) Candela (Cd) Mol (mol) Đơn vị đo chiều dài mét Mét độ dài 1650763,73 lần bước sóng chân không vạch màu da cam nguyên tử Krypton (số thứ tự 36) chuyển từ mức 5d5 xuống 2p10 phát Mét gần phần 40 triệu độ dài kinh tuyến Trái đất Bảng 1: Các đơn vị đo độ dài khác tính mét (tham khảo) Tên Ký hiệu Inch in Yard Yd Leaque Le Dặm mi Năm ánh sáng Light year 2.2 Đơn vị đo khối lượng So với m 0,0254 0,9144 4828,04 1609,344 9,461.1015 Tên Feet Ăngstrong Leaque (nautica) Hải lý Đơn vị thiên văn Ký hiệu ft A0 Le-n Ae So với m 0,03048 10-10 5556 1850 1,49.1011 Đơn vị đo khối lượng kilogram (Kg); Kg khối lượng vật chuẩn Platin-Iridi giữ lại phòng cân đo quốc tế Sèvres gần Paris Khối lượng Kg khối lượng 1000 cm3 nước nguyên chất nhiệt độ 40C Bảng 2: Các đơn vị đo khối lượng khác tính Kg (tham khảo) Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương ngành Công nghệ Hóa học Tên Slug Catti Gin [China] Ounce Carat 2.3 Đơn vị đo thời gian: Tính kg 14,593903 0,604875 0,028349523 0,00002 Tên Pound, Ib, Ibs Chin Gin [Japan] Tonne, Ton Atomic mass unit Tính kg 0,45359237 0,6 1000 1,660538.1027 Đơn vị đo thời gian giây: Giây khoảng thời gian tổng 9192631770 chu kỳ xạ ứng với chuyển hai mức trạng thái siêu tinh tế nguyên tử Xezi (113) Giây gần 1/86400 ngày mặt trời trung bình Bảng 3: Ý nghĩa số độ dài thời gian Thời gian (giây) Ý nghĩa -23 10 Ánh sáng qua proton 10-15 Chu kỳ sóng ánh sáng -8 10 Thời gian xạ photon nguyên tử bị kích thích -2 -9 10 →10 Thang thời gian cho người 107 Một năm mặt trời 16 10 Hệ mặt trời quay vòng quay trung tâm Thiên hà 17 10 Tuổi trái đất 1018 Tuổi vũ trụ Bảng 4: Các tiếp đầu ngữ để gọi tên bội số ước số đơn vị: Bội số Số mũ Cách đọc Kí hiệu Số mũ 1018 Exa E 10-1 1013 Peta P 10-2 12 10 Têra T 10-3 109 Giga G 10-6 106 Mega M 10-9 10 Kilo K 10-12 102 Hecto H 10-13 10 Deca Da 10-18 Chú ý: riêng khối lượng, đơn vị kilơgam, Ước số Cách đọc Kí hiệu đêxi d centi c mili m µ micrơ nanơ n picơ p femtơ f attô a 1kg=10 3g, tiếp đầu ngữ khác gắn với từ “gam”, khơng gắn với từ “kilơgam” Thí dụ: 1mg =10-3g=10-6kg; 1µg =10-6g=10-9kg; 1Gm =106m, Cơng thức thứ nguyên: Công thức thứ nguyên công thức biểu diễn quan hệ đơn vị dẫn xuất thông qua đơn đơn vị với định dạng sau: [X] = [M]p [L]q [T]r (1) Trong đó: p, q, r số nguyên [X] ký hiệu thứ nguyên tên đơn vị đại lượng vật lý X Thí dụ 1: Đơn vị vận tốc m/s nên đơn vị thứ nguyên vận tốc là: [v] = [L][T]-1 Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương ngành Cơng nghệ Hóa học Đơn vị lực kg.m/s2 nên đơn vị thứ nguyên lực là: [F] = [M][L][T]-2 Công thứ (1) dùng để kiểm tra xác cơng thức vật lý  Câu hỏi (bài tập) củng cố: Vận tốc xe du lịch 80 km/h, tương đương với a 22,2 m/s b 28,8 cm/s c 13,3 m/s d 48 cm/s Động xe Toyota Camry có tổng thể tích buồng đốt 2000 cm Nếu thể tích hình lập phương cạnh hình hộp bằng: a in b 126 mm c 41,3 ft d mi Một năm ánh sáng bằng: a 9,461.1015 m b 9,461 Pm c 107 d câu a b Một năm mặt trời bằng: a 1017 s b 107 s c 9,461.1015 m d 365 ngày Công thức thứ nguyên động ( lượng nói chung): a [M]2 [L]1 [T]2 b [M]1 [L]2 [T]-2 c [M]2 [L]2 [T]-1 d [M]1 [L]-1 [T]-2 Momen lực đo đơn vị Niutơn.mét (N.m) Xét xem hệ SI Nm có đơn vị là: a kg.m2 b ms/kg c kgm2/s2 Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương ngành Cơng nghệ Hóa học d kgm3/s3 CHƯƠNG ĐỘNG HỌC CHẤT ĐIỂM BÀI CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN  Mục tiêu học tập: - Nêu khái niệm học - Viết phương trình chuyển động, phương trình quỹ đạo chuyển động đơn giản Chuyển động học: Sự thay đổi vị trí vật so với vật khác Đối với vật vật mà ta khảo sát đứng yên, vật chuyển động Như vậy, chuyển động có tính chất tương đối phụ thuộc vào vật mà ta qui ước đứng yên Thực vũ trụ vật đứng yên cách tuyệt đối, vật chuyển động khơng ngừng Vì vậy, nói vật chuyển động ta phải nói rõ vật chuyển động vật mà ta qui ước đứng yên Động học: Là phần học, nghiên cứu hình thái chuyển động vật mà không xét đến lực nguyên nhân làm thay đổi trạng thái chuyển động Chất điểm: Vật có kích thước nhỏ so với qng đường mà chuyển động Khái niệm chất điểm có tính tương đối, ví dụ nghiên cứu chuyển động Trái đất quanh Mặt trời ta xem trái đất chất điểm, nghiên cứu chuyển động tự quay quanh trục ta khơng thể xem Trái đất chất điểm Không gian thời gian: Theo học cổ điển, không gian chuyển động xem không gian ba chiều đẳng hướng Thời gian không phụ thuộc vào chuyển động Thời gian đôc lập với vật qui ước đứng n Thời gian khơng gian có tính chất tuyệt đối Lưu ý vật chuyển động nhanh cỡ vận tốc ánh sáng nghiên cứu học tương đối khái niệm khơng gian thời gian khơng cịn đơc lập với vận tốc chuyển động Hệ qui chiếu Vật chọn làm mốc xem đứng yên để xét chuyển động vật khác không gian đo thời gian chuyển động chất điểm Với hệ qui chiếu khác nhau, chuyển động có dạng khác Việc chọn hệ quy chiếu tùy ý nên chọn cho việc khảo sát thích hợp tiện lợi Hệ tọa độ: Là hệ thống đường thẳng cố định véctơ đơn vị góc định hướng dùng để xác định vị trí chuyển động vật Tùy theo đặc điểm chuyển động mà ta chọn hệ tọa độ này, hệ tọa độ khác cho thích hợp hệ tọa độ thơng dụng học: Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương ngành Cơng nghệ Hóa học Hệ toạ độ ĐềCác z z M  r  j  k  i y x y M’ x Hình 1.1 Hệ gồm ba trục Ox, Oy, Oz vng góc đôi một, chúng tạo thành tam diện thuận Điểm O gốc tọa độ Vị trí điểm M xác định hồn tồn   véctơ định vị r = OM , hay tập hợp ba số (x, y, z)    Gọi i , j , k véctơ đơn vị hướng theo trục Ox, Oy, Oz ta viết:     r = OM = x.i + y j + z.k (1.1) r = x2 + y2 + z2 Trong đó: x, y, z : toạ độ M Hệ tọa độ cong : O M (C) Hình 1.2 Hệ tọa độ dùng cho chuyển động chiều chuyển động xảy dọc theo đường cong (C) tùy ý quỹ đạo xác định trước không gian Vị trí chất điểm xác định bởi: s = OM ( O : điểm gốc ; s : tọa độ M) Hệ tọa độ cầu : Ở hệ tọa độ cầu, vị trí điểm M xác định ba tọa độ r, θ, ϕ Trong r   độ dài bán kính r , θ góc định hướng từ trục Oz đến r ϕ góc định hướng từ trục  Ox đến tia hình chiếu r mặt phẳng Oxy với qui ước góc quay ln theo chiều kim đồng hồ Như vậy, ta có : ≤ r ; ≤ θ ≤ 1800 Biết ba tọa độ cầu điểm M bất kỳ, ta tính tọa độ Descarter điểm M theo công thức sau : Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương ngành Cơng nghệ Hóa học Khi hai hay nhiều sóng ánh sáng gặp sóng riêng biệt khơng bị sóng khác làm nhiễu loạn Sau gặp sóng ánh sáng truyền cũ, điểm gặp nhau, dao động sóng tổng dao động thành phần Hình 10.3 1.5 Nguyên lý Huyghens – Fresnell B A C D Hình 10.4 Bất kỳ điểm nhận sóng ánh sáng truyền đến trở thành nguồn sáng thứ cấp phát ás phía trước Ngun lý mơ tả đơn giản hình 10.4: Sóng phẳng phát từ nguồn sáng vơ tới mặt AB, tất điểm mặt sóng AB trở thành nguồn thứ cấp lại phát sóng cầu phía trước, bao hình CD tất sóng cầu lại trở thành mặt sóng Khái niệm giao thoa ánh sáng Vân tối Vùng giao thoa Hình 10.5 Vân sáng Vân sáng Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương ngành Cơng nghệ Hóa học 95 2.1 Hiện tượng giao thoa ánh sáng: Là tượng gặp hai hay nhiều sóng ánh sáng kết hợp, kết trường giao thoa xuất miền sáng miền tối gọi vân giao thoa 2.2 Điều kiện giao thoa: tượng giao thoa xảy sóng sáng kết hợp Sóng sáng kết hợp : Là sóng có hiệu số pha không thay đổi theo thời gian Nguyên tắc chung để tạo hai sóng kết hợp từ đồn sóng cách tách thành hai sóng riêng biệt 2.2 Khảo sát tượng giao thoa Điều kiện cực đại, cực tiểu giao thoa : M α H Hình 10.6 7.4 Xét hai nguồn sáng đơn sắc kết hợp S1 S2, M ta nhận hai dao động sáng: + Nếu hai dao động pha, hiệu số pha Δφ = 2kπ, biên độ dao động sáng tổng hợp M có giá trị cực đại cường độ sáng điểm M cực đại Như điều kiện để có cực đại giao thoa : Δφ = 2π ( L2 − L1 ) = 2kπ λ (10.6) => L2 – L1 = kλ; k = 0, ± 1, ± 2, + Nếu hai dao động ngược pha, hiệu số pha Δφ = (2kπ + 1) , biên độ dao động sáng tổng hợp M có giá trị cực tiểu cường độ sáng điểm M cực tiểu Như điều kiện để có cực tiểu giao thoa : Δφ = 2π ( L2 − L1 ) = (2kπ + 1) λ => L2 – L1 = (2k + 1) (10.7) λ ; k = 0, ± 1, ± 2, Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương ngành Công nghệ Hóa học 96 Vị trí vân giao thoa: Hệ thống khe Young hình 10.6 đặt khơng khí Xét điểm M màn, cách điểm O khoảng x Từ S1 kể S1H ⊥ S2M Vì S1S2 = a nhỏ so với khoảng cách D từ hai khe đến nên S2H ≈ d2- 21 ≈ asinα ≈ atgα d2- d1 = ax D (10.8) * Vị trí vân sáng (cực đại giao thoa): d2- d1 = axs = kλ D => xs = k λD , với k = 0, ± 1, ± 2, a (10.9) * Vị trí vân tối (cực tiểu giao thoa): d2- d1 = axt λ = (2k + 1) D => xt = (2k + 1) λD , với k = 0, ± 1, ± 2, 2a (10.10) Từ công thức (10.9) (10.10) ta thấy ảnh giao thoa có đặc điểm : + Với k = x s = 0, tức gốc O trùng với vân cực đại giao thoa Vân gọi vân cực đại + Với vân cực đại giao thoa ứng với k = ± 1, ± 2, vân cực tiểu giao thoa nằm xen kẻ cách hai phía cực đại * Khoảng vân khoảng cách giưa hai vân sáng hai vân tối liên tiếp : i = xk+1 – xk = λD a (10.11) Giao thoa với ánh sáng trắng Nếu S1, S2 nguồn phát ánh sáng trắng (được phát từ nguồn sáng trắng đó) bao gồm nhiều thành phần đơn sắc có bước sóng nằm giới hạn 0,4μm < λ< 0,76μm, thành phần đơn sắc cho hệ vân giao thoa riêng có vị trí phụ thuộc vào bước sóng + Với vân sáng bậc (k = 0), thành phần cho vân sáng, vân trùng khít lên C, nên C ta thu vân sáng trắng gọi vân sáng trung tâm + Với vân sáng bậc (k = ±1 ) thành phần đơn sắc tách rời tạo thành hai dãy màu cầu vòng hai bên vân sáng trung tâm, màu tím trong, màu đỏ ngồi + Với bậc giao thoa lớn hơn, có chồng chất số vân sáng đơn sắc khác thoả mãn điều kiện: k1 λ = k2 λ Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương ngành Cơng nghệ Hóa học (10.12) 97 Với k lớn, vân đơn sắc chồng lên nhiều ta không phân biệt vân thấy màu trắng Màu trắng không đủ thành phần đơm sắc màu vân sáng trung tâm nên gọi màu trắng bậc cao Giao thoa gây mỏng Khi nhìn lên mỏng, thí dụ bong bóng xà phòng, ván dầu mặt nước… ta thấy màu sắc đẹp Các màu sắc có giao thoa tia phản xạ hai mặt mỏng gây nên Trong phần nghiên cứu tượng giao thoa gây mỏng 4.1 Giao thoa phản xạ d2 S d1 S’ I G M O E Hình 10.7 Thí nghiệm Loyd: Những điểm M mà lí thuyết dự đốn sáng lại tối ngược lại Điều chứng tỏ: phản xạ gương, pha sóng ánh sáng thay đổi lượng π Lí thuyết chứng tỏ, ánh sáng phản xạ bề mặt mơi trường có chiết suất lớn mơi trường tới tia phản xạ ngược pha với tia tới * Vị trí điểm tối: d =k λ , với k = 0, 1, 2, (10.13) * Vị trí điểm sáng: d = (2k + 1) λ (10.14) 4.2 Vân nêm không khí: S R K I Hình 10.8 Nêm khơng khí lớp khơng khí mỏng giới hạn hai thuỷ tinh đặt nghiêng với góc α nhỏ Mặt Σ1, Σ2 mặt nêm, cạnh CC' cạnh nêm Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương ngành Cơng nghệ Hóa học 98 * Vị trí điểm tối: d =k λ , với k = 0, 1, 2, cạnh nêm vân tối k = (10.15) * Vị trí điểm sáng: d =k λ λ − , với k = 1, 2,3, (10.16) Vân sáng vân tối đoạn thẳng song song với cạnh nêm 4.3 Vân trịn Newton d 7.9Hình 10.9a 7.1 Hình 10.9b Đặt thấu kính phẳng lồi kính phẳng Lớp khơng khí thấu kính kính mỏng có bề dầy khơng đổi Nhưng điểm có bề dày nằmh đường trịn có tâm nằm trục thấu kính vân giao thoa có dạng vịng tròn gọi vân tròn Newton Chiếu chùm tia đơn sắc vào song song vào mặt phẳng thấu kính vân giao thoa xuất mặt thấu kính * Vị trí vân sáng ứng với bề dày: ds = (2k - 1) λ (10.17) * Vị trí vân tối: dt = k λ (10.18) * Bán kính vân sáng rs vân tối rt: r2 = R2 - (R2 - d)2 = 2Rd - d2 Vì dIo , điểm M sáng khơng có AB Đặc biệt lỗ trịn chứa đới cầu thì: Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương ngành Cơng nghệ Hóa học 103 a1 a1 + = a1 I = a12 = 4Io 2 a= (10.25) Cường độ sáng điểm P gấp lần so với khơng có + Nếu lỗ trịn chứa số chẳn đới cầu: a1 an − 2 a= I= ( a1 an − 2 (10.28) )2 (10.29) I < Io , điểm M tối lỗ trịn Nếu lỗ trịn chứa hai đới cầu thì: a= a1 a2 − ≈ , I = , điểm P tối 2 Tóm lại, điểm P sáng tối khơng có lỗ trịn tùy theo kích thước lỗ vị trí quan sát (Lỗ trịn chứa số chẳn lần đới cầu, P tối Lỗ trịn chứa số lẻ lần đới cầu, P sáng hơn) Nhiễu xạ ánh sáng sóng phẳng qua khe hẹp Nhiễu xạ qua khe hẹp (nhiễu xạ Fraunhofer) A L1 φ L2 S B Hình 10.12 E M O ∑3 ∑1 ∑o Chiếu chùm sáng đơn sắc song song bước sóng λ vào khe hẹp có bề rộng b (Hình 10.8) Sau qua khe hẹp, tia sáng bị nhiễu xạ góc φ, tia nhiễu xạ gặp vô Để quan sát ảnh nhiễu xạ, ta sử dụng thấu kính hội tụ L, chùm tia nhiễu xạ hội tụ điểm M mặt phẳng tiêu thấu kính hội tụ L Với giá trị φ khác chùm nhiễu xạ hội tụ điểm khác Tùy theo giá trị φ điểm M sáng tối Những điểm sáng, tối nằm dọc đường thẳng vng góc với chiều dài khe hẹp gọi cực đại, cực tiểu nhiễu xạ Ánh sáng gởi đến khe sóng phẳng nên mặt phẳng khe mặt sóng, sóng thứ cấp mặt khe dao động pha Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương ngành Cơng nghệ Hóa học 104 Trường hợp φ = 0, tia nhiễu xạ hội tụ O Mặt phẳng khe mặt phẳng quan sát hai mặt phẳng trực giao Theo định lý Malus, tia sáng gởi từ mặt phẳng khe tới điểm O có quang lộ dao động pha nên O sáng gọi cực đại Trường hợp φ ≠ Áp dụng ý tưởng phương pháp đới cầu Fresnel ta vẽ mặt phẳng ∑o, ∑1, ∑3, …vng góc với chùm tia nhiễu xạ cách khoảng λ , chúng chia mặt khe thành dải sáng nằm song song với bề rộng khe hẹp Bề rộng dải : l= λ sin ϕ N= b 2b sin ϕ = l λ số dải khe là: (10.30) Quang lộ hai tia sáng từ hai dải liên tiếp gởi đến điểm M sai khác λ nên dao động sáng hai dải gởi tới M ngược pha chúng khử Kết quả: + Nếu khe chứa số chẳn dải ( N = 2k ) dao động sáng cặp dải gởi tới điểm M khử lẫn điểm M tối, gòi cực tiểu nhiễu xạ Điều kiện để có cực tiểu nhiễu xạ M là: sinφ = k λ b với k = ± 1, ± 2, ±3, … (10.31) Nếu khe chứa số lả dải ( N = 2k + 1) dao động sáng cặp dải gởi tới điểm M khử lẫn nhau, dải cuối gởi tới điểm M không bị khử, điểm M sáng, gọi cực đại nhiễu xạ Điều kiện để có cực đại nhiễu xạ M là: sinφ = k (2k + 1) λ 2b với k = ± 1, ± 2, ±3, … (10.32) Tóm lại, điều kiện để có cực đại, cực tiểu nhiễu xạ qua khe hẹp là: - Cực đại (k = 0): - Cực đại nhiễu xạ : sinφ = k sinφ = λ b - Cực tiểu nhiễu xạ : sinφ = k (2k + 1) λ 2b * Hình ảnh nhiễu xạ: Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương ngành Công nghệ Hóa học 105 Hình 10.13 Tại C0 có vân sáng trung tâm sáng rộng gấp đôi cực đại phụ Hai bên vân sáng trung tâm vân tối xen kẽ với cực đại phụ có độ sáng nhỏ Cách tử nhiễu xạ Hình 10.14 d 5.1 Định nghĩa Cách tử nhiễu xạ tập hợp khe hẹp giống nhau, song song, cách nằm mặt phẳng Khoảng cách d hai khe liên tiếp gọi chu kì cách tử 5.2 Hiện tượng giao thoa qua cách tử: Từ kết ta nhận thấy khe hẹp cho hệ vân nhiễu xạ có vân trung tâm C0, hệ vân chồng khít lên Ánh sáng nhiễu xạ kết hợp nên lần chúng lại giao thoa với Kết ảnh vân sáng nhiễu xạ lại xuất hệ vân giao thoa: Trên ảnh điểm có cực tiểu nhiễu xạ qua khe hẹp cực tiểu hệ vân giao thoa qua N khe gọi cực tiểu chính, có vị trí: sinφ = k λ b với k=±1,±2,… (10.33) Xét phân bố cường độ sáng hai cực tiểu chính: Hai tia sáng phát từ hai khe liên tiếp đến M có hiệu quang lộ là: L2 –L1 =d.sinφ Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương ngành Công nghệ Hóa học 106 Nếu: L2 –L1 = dsinφ = kλ dao động sáng hai tia gây M pha tăng cường lẫn Kết điểm M sáng gọi cực đại Vị trí cực đại chính: sinφ = k λ d với k = 0, ±1,±2,… (10.34) k = 0, ta có cực đại giữa; d > b nên hai cực tiểu có nhiều cực đại Xét phân bố cường độ sáng hai cực đại chính: Tại điểm hai cực đại lền kề, góc nhiễu xạ thỏa mãn điều kiện: sinφ =(2 k+ 1) λ 2d với k = 0, ±1,±2,… Tại điểm này, hiệu quang lộ hai tia gởi tới có giá trị: dsinφ = (2 k+ 1) λ : Đây điều kiện cực tiểu giao thoa, hai tia khử lẫn Tuy nhiên điểm chưa tối Để minh họa cụ thể ta xét trường hợp đơn giản sau: + Nếu số khe hẹp N = (số chẵn) dao động sáng hai khe hẹp gởi tới khử lẫn nhau, điểm tối Điểm tối gọi cực tiểu phụ + Nếu số khe hẹp N = (số lẻ) dao động sáng hai khe hẹp gởi tới khử lẫn nhau, dao động sáng khe thứ ba gây không bị khử Kết hai cực đại cực đại Cực đại có cường độ nhỏ nên gọi cực đại phụ Người ta chứng minh rằng, cách tử có N khe hẹp hai cực đại có N-1 cực tiểu phụ N-2 cực đại phụ Ứng dụng cách tử nhiễu xạ: dùng để đo bước sóng ánh sáng Từ biểu thức (10.34) ta biết chu kỳ cách tử, ta đo góc φ ứng với cực đại bậc k ta xác định bước sóng ánh sáng Quang phổ nhiễu xạ Hình 10.15 Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương ngành Cơng nghệ Hóa học 107 Ta xét trường hợp cách tử rọi sáng ánh sáng trắng, cho hệ thống cực đại Tại C0 ánh sáng đơn sắc cho cực đại C nên có vạch sáng trắng Những cực đại ánh sáng đơn sắc khơng trùng Tập hợp cực đại hợp thành quang phổ bậc k Trong quang phổ vạch tím nằm trong, vạch đỏ nằm ngồi Ra xa vân sáng trung tâm quang phổ bâc cao chồng lên Các quang phổ cho cách từ gọi quang phổ nhiễu xạ  Bài tập củng cố: Trình bày tượng nhiễu xạ ánh sáng Dùng nguyên lý Huyghens giải thích tượng nhiễu xạ Giải thích định tính trường hợp sau: Chiếu chùm sóng ánh sáng đơn sắc qua hai khe hở hẹp giống nhau, kích tước hai khe giống thỏa điều kiện sin ϕ = kλ phía sau hai b khe luôn tối Mệnh đề sau sai: a Điều kiện để có cực tiểu nhiễu xạ qua khe sinφ = k λ b b Điều kiện để có cực đại nhiễu xạ qua khe sinφ = (2k + 1) λ 2b c Điều kiện để có cực đại cho nhiễu xạ qua nhiều khe sinφ = k λ d d Điều kiện để có cực tiểu cho nhiễu xạ qua nhiều khe sinφ = k λ d Ánh nắng mặt trời có cường độ đồng với bước sóng nằm vùng khả khiến 430nm - 690nm đến đập vng góc với mỏng nước có bề dày 320nm, chiết suất 1,33 lơ lửng khơng khí Ứng với bước sóng ánh sáng phản từ mỏng sáng người quan sát a λ = 0,6μm b λ = 567nm c λ = 1700nm d λ = 340nm Khi ánh sáng truyền từ chân không vào thủy tinh, đại lượng không đổi ? a Bước sóng b tần số c vận tốc d a b Chiếu chùm sáng đơn sắc có bước sóng 480nm thẳng góc với hai khe hẹp, sát hai khe có đặt thấu kính hội tụ tiêu cự 52cm Phía sau cách hai khe 52cm đặt quan sát Nếu độ rộng khe 0,025mm khoảng cách từ cực đại đến cực tiểu nhiễu xạ thứ bằng: a 9,98 mm b 6,89 mm c 16,89 mm d Đáp án khác Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương ngành Công nghệ Hóa học 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO  TÀI LIỆU THAM KHẢO ĐỂ BIÊN SOẠN NỘI DUNG MÔN HỌC: Bài giảng Vật lý đại cương A1, Đặng Diệp Minh Tân Đại học Trà Vinh Bài giảng Vật lý đại cương A2, Nguyễn Văn Sáu Đại học Trà Vinh Vật lý đại cương (tập 1) Lương Duyên Bình, nnk, NXB Giáo Dục, 2000 Cơ nhiệt đại cương, Nguyễn Thành Vấn, Dương Hiếu Đẩu, NXB Đại học Quốc Gia Tp HCM, 2008 Bài tập nhiệt đại cương, Nguyễn Thành Vấn, Dương Hiếu Đẩu, NXB Đại học Quốc Gia Tp HCM, 2006 Vật lý đại cương 2, Nguyễn Thành Vấn, Tủ sách Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp HCM Bài tập vật lý đại cương 2, Nguyễn Thành Vấn, Tủ sách Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp HCM Bài tập vật lý đại cương tập 2, Lương Duyên Bình, nnk, NXB Giáo dục-1997  TÀI LIỆU THAM KHẢO ĐỀ NGHỊ CHO HỌC VIÊN: Bài giảng Vật lý đại cương; (lưu hành nội bộ); Bộ môn Vật lý – khoa Khoa học Cơ - Trường Đại học Trà Vinh Bài tập vật lý đaị cương tập 1, Lương Duyên Bình, nnk, NXB Giáo dục-1997 Bài tập vật lý đaị cương tập 2, Lương Duyên Bình, nnk, NXB Giáo dục-1997 Bài giảng Vật lý đại cương A1, Đặng Diệp Minh Tân Đại học Trà Vinh Bài giảng Vật lý đại cương A2, Nguyễn Văn Sáu Đại học Trà Vinh Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương ngành Cơng nghệ Hóa học 109