Giải Vật lí 11 Bài 3 (Cánh diều): Giao thoa sóng

Giải Vật lí 11 Bài 3: Giao thoa sóng

Giải Vật lí 11 trang 48

Mở đầu trang 48 Vật Lí 11: Một quả cầu chạm nhẹ mặt nước thì khi quả cầu dao động, mỗi điểm trên mặt nước sẽ dao động khi nhận được sóng truyền đến (Hình 3 la).

Nhưng khi cho hai quả cầu chạm mặt nước và dao động đồng thời thì lại có những điểm đứng yên dù nhận được sóng từ hai nguồn truyền đến (Hình 3.1b) Tại sao có những điểm đứng yên đó?

Lời giải:

Những điểm đứng yên là do hai sóng tới gặp nhau tại điểm đó ngược pha.

I. Sự giao thoa của hai sóng mặt nước

Giải Vật Lí 11 trang 50

Luyện tập 1 trang 50 Vật Lí 11: Điểm M nằm cách đều hai nguồn sóng cùng tần số 90 Hz thì có thuộc hệ vân giao thoa của hai sóng đó không?

Lời giải:

Điểm M có thuộc hệ vân giao thoa của hai sóng. Khi đó điểm M nằm trên đường trung trực của đoạn nối hai nguồn sóng.

- Nếu hai nguồn dao động cùng pha thì M dao động với biên độ cực đại.

- Nếu hai nguồn dao động ngược pha thì M dao động với biên độ cực tiểu.

Câu hỏi 1 trang 50 Vật Lí 11: Biết bước sóng là khoảng cách giữa đỉnh hai gợn lồi hoặc đỉnh hai gợn lõm liên tiếp trên cùng một phương truyền sóng. Hãy nêu cách xác định bước sóng do hai nguồn phát ra trên hình 3.6.

Lời giải:

- Cách xác định bước sóng do hai nguồn phát ra:

+ Đo khoảng cách giữa hai nguồn.

+ Đếm số khoảng cách giữa đỉnh hai gợn lồi liên tiếp hoặc số khoảng cách giữa đỉnh hai gợn lõm liên tiếp do hai nguồn tạo ra.

+ Dựa vào khái niệm bước sóng là khoảng cách gần nhau nhất giữa hai gợn lồi hoặc hai gợn lõm.

- Áp dụng:

+ Giả sử đối với hình 3.6 ở trên ta đo được khoảng cách giữa hai nguồn S₁S₂ = a

+ Khoảng giữa hai nguồn có 4 gợn lồi (không tính 2 nguồn) bằng 3.

Khi đó hoàn toàn tính được bước sóng $\lambda =\frac{a}{3}.$

Giải Vật Lí 11 trang 51

Câu hỏi 3 trang 51 Vật Lí 11: Quan sát hình ảnh mặt nước thu được trên màn khi thay đổi tần số dao động của một quả cầu thì không còn thấy các điểm dao động cực đại và cực tiểu nằm trên các đường xác định nữa. Vậy điều kiện để quan sát được hệ vân giao thoa là gì?

Lời giải:

Điều kiện để quan sát được hệ vân giao thoa: là hai sóng phải xuất phát từ hai nguồn dao động có cùng tần số, cùng phương dao động và có độ lệch pha không đổi theo thời gian.

II. Giao thoa ánh sáng

Câu hỏi 3 trang 51 Vật Lí 11: Quan sát hình ảnh mặt nước thu được trên màn khi thay đổi tần số dao động của một quả cầu thì không còn thấy các điểm dao động cực đại và cực tiểu nằm trên các đường xác định nữa. Vậy điều kiện để quan sát được hệ vân giao thoa là gì?

Lời giải:

Điều kiện để quan sát được hệ vân giao thoa: là hai sóng phải xuất phát từ hai nguồn dao động có cùng tần số, cùng phương dao động và có độ lệch pha không đổi theo thời gian.

Giải Vật lí 11 trang 52

Luyện tập 2 trang 52 Vật Lí 11: Trong một thí nghiệm giao thoa ánh sáng với khe Young, người ta được khoảng cách đo từ vân trung tâm đến vân sáng thứ mười là 4,0 mm. Ở vị trí cách vân trung tâm 1,0 mm sẽ là vân sáng hay tối?

Lời giải:

Khoảng cách từ vân trung tâm đến vân thứ mười tương ứng với 10 khoảng vân.

$i=\frac{4}{10}=\mathrm{0,4}mm$

Ở vị trí cách vân trung tâm 1,0 mm khi đó: $k=\frac{x}{i}=\frac{1}{\mathrm{0,4}}=\mathrm{2,5}=3-\mathrm{0,5}$

Vị trí này tương ứng với vị trí của vân tối thứ 3.

Giải Vật Lí 11 trang 53

Vận dụng trang 53 Vật Lí 11: Nêu phương án xác định bước sóng ánh sáng bằng thí nghiệm giao thoa với khe Young.

Lời giải:

Phương án xác định bước sóng ánh sáng bằng thí nghiệm giao thoa với khe Young.

1. Mục đích thực hành

- Quan sát hệ vân giao thoa tạo bởi khe Young, sử dụng chùm sáng laser.

- Đo bước sóng ánh sáng.

2. Dụng cụ thí nghiệm

- Nguồn phát laser.

- Khe Young: Một màn chắn có hai khe hẹp song song, độ rộng mỗi khe bằng 0,05 mm hoặc 0,1 mm, khoảng cách a giữa hai khe cho biết trước.

- Thước cuộn 3000 mm.

- Thước kẹp, độ chia nhỏ nhất 0,02 hoặc 0,05 mm.

- Giá thí nghiệm.

- Một tờ giấy trắng.

3. Cơ sở lý thuyết

Tia laser là một chùm sáng song song, đơn sắc. Khi chiếu chùm tia laser vuông góc với màn chắn P có hai khe hẹp song song F₁, F₂. Hai khe hẹp này trở thành hai nguồn kết hợp phát sóng ánh sáng về phía trước. Cách màn chắn P một khoảng D, ta đặt màn quan sát E song song với P.

Các sóng ánh sáng từ F₁, F₂ gặp nhau sẽ giao thoa với nhau, trên màn E xuất hiện hệ vân màu gồm những dải sáng tối xen kẽ. Khoảng vân i (khoảng cách giữa hai vân sáng, hoặc hai vân tối liên tiếp) liên hệ với a, D và bước sóng λ theo công thức:

$i=\frac{\lambda D}{a}$

Nếu khoảng cách a giữa hai khe cho biết trước, đo khoảng cách D và khoảng vân i, ta tính được bước sóng λ của tia laser.

Đánh dấu vị trí của các vân sáng trên tờ giấy trắng phân bố trên n khoảng vân, n tùy chọn. Dùng thước cặp đo khoảng cách L giữa n vân sáng đã được đánh.

Khoảng vân i: $i=\frac{L}{n}$(mm)

Bước sóng của chùm laser được tính theo công thức: $\lambda =\frac{ai}{D}=\frac{aL}{Dn}$

Tắt công tắc K, rút phích điện của nguồn laser ra khỏi ổ cắm điện. Kết thúc thí nghiệm.

Tìm hiểu thêm trang 53 Vật Lí 11: Trong giao thoa ánh sáng trắng, ngoài vân trung tâm có màu trắng, còn có các vân sáng màu trắng khác do sự chồng lấn của các quang phổ bậc khác nhau. Hãy tìm hiểu để nêu cách xác định vị trí của vân sáng màu trắng gần vân trung tâm nhất.

Lời giải:

- Ánh sáng trắng là tổng hợp của vô số ánh sáng đơn sắc có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím. Do vậy, để có được vân sáng màu trắng khác thì phần chập quang phổ vân sáng bậc k phải trùng toàn bộ với vân sáng bậc (k+1) .

- Các em làm thí nghiệm quan sát sự giao thoa của ánh sáng trắng trên màn và tìm ra vị trí vân sáng màu gần trung tâm nhất, sau đó dùng thước đo khoảng cách từ vị trí vân trung tâm tới vân sáng trắng gần vân trung tâm nhất.

Lý thuyết Giao thoa sóng

I. Sự giao thoa của hai sóng mặt nước

Sự tạo thành vân giao thoa

- Giả sử A và B là hai nguồn dao động cùng phương, cùng tần số và cùng pha. Sóng do hai nguồn tạo ra cùng truyền đến điểm M ở cách A và B các khoảng lần lượt là x₁ và x₂

- Những điểm dao động với biên độ lớn nhất là những điểm mà hiệu đường đi của sóng từ hai nguồn đến đó là

$x_2-x_1=k\lambda$ (k là số nguyên)

- Những điểm dao động với biên độ nhỏ nhất là những điểm mà hiệu đường đi của sóng từ hai nguồn đến đó là

$x_2-x_1=(k+\frac{1}{2})\lambda$ (k là số nguyên)

- Tổng hợp các điểm dao động với biên độ lớn nhất hoặc dao động với biên độ nhỏ nhất tạo thành các đường xác định trong vùng giao nhau của hai sóng được gọi là hệ vân giao thoa của hai sóng

- Hai nguồn kết hợp là hai nguồn dao động cùng phương, cùng tần số và có độ lệch pha không đổi theo thời gian

- Hai sóng do hai nguồn kết hợp tạo ra là hai sóng kết hợp

- Hiện tượng hai sóng kết hợp, khi gặp nhau tại những điểm xác định, luôn luôn hoặc làm tăng cường, hoặc làm yếu nhau được gọi là hiện tượng giao thoa của sóng

- Điều kiện để có hiện tượng giao thoa sóng là hai sóng phải xuất phát từ hai nguồn dao động có cùng tần số, cùng phương dao động và có độ lệch pha không đổi theo thời gian

- Hiện tượng giao thoa là hiện tượng đặc trưng của sóng

II. Giao thoa ánh sáng

- Hiện tượng giao thoa ánh sáng là hiện tượng xuất hiện các vạch sáng xen kẽ với các vạch tối khi hai sóng ánh sáng kết hợp gặp nhau

- Khoảng cách giữa hai vân sáng (hoặc hai vân tối) liên tiếp được gọi là khoảng vân, kí hiệu là i

$i=\frac{\lambda D}{a}$

- Khoảng cách từ vân sáng thứ k đến vân sáng trung tâm được tính bằng

$x_s=ki$

- Khoảng cách từ vân tối thứ k đến vân sáng trung tâm được tính bằng

$x_t=(k-\frac{1}{2})i$

Sơ đồ tư duy về “Giao thoa sóng”

Xem thêm lời giải bài tập Vật lí 11 Cánh diều hay, chi tiết khác:

Bài 2: Sóng dọc và sóng ngang

Bài 3: Giao thoa sóng

Bài 4: Sóng dừng

Bài tập chủ đề 2 trang 59

Bài 1: Lực tương tác giữa các điện tích