Lý thuyết Tán sắc ánh sáng (mới 2024 + Bài Tập) - Vật lí 12

Lý thuyết Vật lí 12 Bài 24: Tán sắc ánh sáng

Bài giảng Vật lí 12 Bài 24: Tán sắc ánh sáng

1. Thí nghiệm về sự tán sắc ánh sáng của Niu – tơn

Kết quả thí nghiệm: Ánh sáng mặt trời khi đi qua lăng kính không những bị lệch về phía đáy của lăng kính do khúc xạ, mà còn bị trải dài thành một dải màu sặc sỡ. Quan sát kĩ dải màu ta phân biệt được bảy màu: đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím.

- Ranh giới giữa các màu không rõ rệt, tức là màu nọ chuyển dần sang màu kia một cách liên tục.

- Dải sáng màu này gọi là quang phổ của ánh sáng Mặt Trời, hay quang phổ của Mặt Trời. Ánh sáng mặt trời là ánh sáng trắng.

=> Hiện tượng trên gọi là sự tán sắc ánh sáng (gây ra bởi lăng kính P).

2. Thí nghiệm với ánh sáng đơn sắc của Niu – tơn

Niu - ton tách lấy một chùm sáng màu vàng trong dải màu, rồi cho nó khúc xạ qua lăng kính thứ hai.

- Kết quả thí nghiệm: chùm sáng chỉ bị lệch về phía đáy (do khúc xạ) mà không bị đổi màu.

- Hệ quả: Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng có một màu nhất định và không bị tán sắc mà chỉ bị lệch khi đi qua lăng kính.

3. Giải thích hiện tượng tán sắc:

- Sự tán sắc ánh sáng là sự phân tách một chùm ánh sáng phức tạp thành các chùm sáng đơn sắc.

- Ánh sáng đa sắc (ánh sáng phức tạp) là hỗn hợp của hai hay nhiều ánh sáng đơn sắc trở lên, và bị tán sắc khi đi qua lăng kính.

- Ánh sáng trắng là hỗn hợp của nhiều ánh sáng đơn sắc có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím. Ánh sáng trắng là một trường hợp của ánh sáng đa sắc (hay còn gọi là ánh sáng phức tạp).

Ví dụ:

+ Ánh sáng Mặt Trời

+ Ánh sáng bóng đèn

- Chiết suất của thủy tinh đối với các ánh sáng đơn sắc có màu khác nhau là khác nhau:

n_đỏ < n_cam < n_vàng < n_lục < n_lam < n_chàm < n_tím

=> Vì góc lệch của một tia sáng khúc xạ qua lăng kính tăng theo chiết suất, nên các chùm tia sáng có màu sắc khác nhau trong chùm sáng tới bị lăng kính làm lệch những góc khác nhau, dẫn đến khi nó ra khỏi lăng kính chúng không trùng nhau nữa, do đó chùm sáng ló bị xòe rộng thành nhiều chùm đơn sắc.

Chú ý: Chiết suất của mọi môi trường trong suốt (rắn, lỏng, khí) phụ thuộc vào màu sắc của ánh sáng truyền qua nó.

4. Ứng dụng

- Giải thích hiện tượng cầu vồng: Sau cơn mưa hay ở những nơi có nhiều hơi nước như thác nước,… thường xuất hiện cầu vồng là do sau cơn mưa trong không khí có rất nhiều các hạt nước li ti đóng vai trò là lăng kính, khi đó ánh sáng mặt trời (ánh sáng trắng) sẽ bị tán sắc qua các lăng kính nước thành dải màu cầu vồng.

- Ứng dụng trong máy quang phổ:

Máy phân tích một chùm sáng thành các chùm sáng đơn sắc cấu tạo lên nó.

Câu 1. Chọn khẳng định sai ?

A. Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng không bị tán sắc khi đi qua lăng kính.

B. Mỗi ánh sáng đơn sắc khác nhau có màu sắc nhất định khác nhau.

C. Ánh sáng trắng là tập hợp của 7 ánh sáng đơn sắc: đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím.

D. Lăng kính có khả năng làm tán sắc ánh sáng.

Hiển thị đáp án

Đáp án: C

Giải thích:

A – đúng

B – đúng

C – sai, vì ánh sáng trắng là hỗn hợp của nhiều ánh sáng đơn sắc, có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím.

D – đúng

Câu 2. Chọn câu trả lời không đúng:

A. Đại lượng đặc trưng cho ánh sáng đơn sắc là tần số.

B. Tốc độ của ánh sáng đơn sắc không phụ thuộc vào môi trường truyền.

C. Chiết suất của chất làm lăng kính đối với ánh sáng đỏ nhỏ hơn đối với ánh sáng lục.

D. Sóng ánh sáng có tần số càng lớn thì tốc độ truyền trong môi trường trong suốt càng nhỏ.

Hiển thị đáp án

Đáp án: B

Giải thích:

A – đúng

B – sai, vì ánh sáng truyền trong các môi trường trong suốt khác nhau thì tốc độ truyền sẽ khác nhau.

C – đúng

D – đúng

Câu 3. Gọi n_c, n_l, n_L, n_v lần lượt là chiết suất của thủy tinh đối với các tia chàm, lam, lục, vàng. Sắp xếp theo thứ tự nào dưới đây là đúng?

A. n_c > n_l > n_L > n_v.

B. n_c < n_L < n_l < n_v.

C. n_c > n_L > n_l > n_v.

D. n_c < n_l < n_L < n_v.

Hiển thị đáp án

Đáp án: A

Giải thích:

Chiết suất có giá trị nhỏ nhất đối với ánh sáng đỏ và tăng dần khi chuyển sang màu da cam, màu vàng, màu lục, màu lam, ... và có giá trị lớn nhất với ánh sáng tím.

Câu 4. Tại sao khi đi qua lớp kính cửa sổ, ánh sáng trắng không bị tán sắc thành các màu cơ bản?

A. Vì do kết quả của tán sắc, các tia sáng màu đi qua lớp kính và ló ra ngoài dưới dạng những chùm tia chồng chất lên nhau, tổng hợp trở lại thành ánh sáng trắng.

B. Vì kính cửa sổ là loại thủy tinh không tán sắc ánh sáng.

C. Vì kính cửa sổ không phải là lăng kính nên không tán sắc ánh sáng.

D. Vì ánh sáng trắng ngoài trời là những sóng không kết hợp, nên chúng không bị tán sắc.

Hiển thị đáp án

Đáp án: A

Giải thích:

Khi đi qua lớp kính cửa sổ, ánh sáng trắng không bị tán sắc thành các màu cơ bản vì do kết quả của tán sắc, các tia sáng màu đi qua lớp kính và ló ra ngoài dưới dạng những chùm tia chồng chất lên nhau, tổng hợp trở lại thành ánh sáng trắng.

Câu 5. Tán sắc ánh sáng là hiện tượng

A. đặc trưng của lăng kính thủy tinh.

B. chung cho mọi chất rắn, chất lỏng trong suốt.

C. chung cho mọi môi trường trong suốt, trừ chân không.

D. chung cho mọi môi trường trong suốt, kể cả chân không.

Hiển thị đáp án

Đáp án: C

Giải thích:

Tán sắc ánh sáng là hiện tượng chung cho mọi môi trường trong suốt, trừ chân không.

Câu 6. Hiện tượng cầu vồng được giải thích dựa trên hiện tượng nào dưới đây?

A. Hiện tượng tán sắc ánh sáng.

B. Hiện tượng giao thoa ánh sáng.

C. Hiện tượng quang điện.

D. Hiện tượng phản xạ toàn phần.

Hiển thị đáp án

Đáp án: A

Giải thích:

Hiện tượng tán sắc ánh sáng giúp ta giải thích được một số hiện tượng tự nhiên, ví dụ: cầu vồng và được ứng dụng trong máy quang phổ lăng kính.

Câu 7. Trong chùm ánh sáng trắng có

A. vô số ánh sáng đơn sắc khác nhau.

B. bảy loại ánh sáng màu là: đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím.

C. ba loại ánh sáng đơn sắc thuộc màu đỏ, lục, lam.

D. một loại ánh sáng màu trắng duy nhất.

Hiển thị đáp án

Đáp án: A

Giải thích:

Chùm ánh sáng trắng gồm vô số màu đơn sắc khác nhau.

Câu 8. Hiện tượng tán sắc ánh sáng xảy ra

A. chỉ với lăng kính thuỷ tinh.

B. chỉ với các lăng kính chất rắn hoặc chất lỏng.

C. ở mặt phân cách hai môi trường chiết quang khác nhau.

D. ở mặt phân cách một môi trường rắn hoặc lỏng, với chân không (hoặc không khí).

Hiển thị đáp án

Đáp án: C

Giải thích:

Hiện tượng tán sắc ánh sáng xảy ra ở mặt phân cách giữa hai môi trường chiết quang khác nhau.

Câu 9. Sự phụ thuộc của chiết suất vào bước sóng

A. xảy ra với mọi chất rắn, lỏng hoặc khí.

B. chỉ xảy ra với chất rắn và chất lỏng.

C. chỉ xảy ra đối với chất rắn.

D. là hiện tượng đặc trưng của thuỷ tinh.

Hiển thị đáp án

Đáp án: A

Giải thích:

Sự phụ thuộc của chiết suất vào bước sóng xảy ra đối với mọi chất rắn, lỏng hoặc khí (các môi trường trong suốt).

Câu 10. Hiện tượng tán sắc ánh sáng, trong thí nghiệm I của Niu-tơn, xảy ra do ánh sáng trắng là một hỗn hợp của nhiều ánh sáng đơn sắc khác nhau, và do

A. lăng kính làm bằng thuỷ tinh.

B. lăng kính có góc chiết quang quá lớn.

C. lăng kính không đặt ở độ lệch cực tiểu.

D. chiết suất của mọi chất - trong đó có thuỷ tinh - phụ thuộc bước sóng của ánh sáng.

Hiển thị đáp án

Đáp án: D

Giải thích:

Mỗi ánh sáng đơn sắc có một bước sóng (tần số) xác định, chiết suất của môi trường trong suốt có giá trị phụ thuộc vào tần số và bước sóng của ánh sáng.

Câu 11. Bước sóng của bức xạ da cam trong chân không là 600 nm thì tần số của bức xạ đó là

A. 5.10¹² Hz.

B. 5.10¹³ Hz.

C. 5.10¹⁴ Hz.

D. 5.10¹⁵ Hz.

Hiển thị đáp án

Đáp án: C

Giải thích:

Tần số của bức xạ: $f=\frac{v}{\lambda }=\frac{{3.10}^8}{{600.10}^{-9}}={5.10}^{14}Hz$

Câu 12. Một sóng điện từ có tần số 60 GHz thì có bước sóng trong chân không là

A. 5 mm.

B. 5 cm.

C. 500 μm.

D. 50 μm.

Hiển thị đáp án

Đáp án: A

Giải thích:

Bước sóng điện từ trong chân không là: $\lambda =\frac{v}{f}=\frac{{3.10}^8}{{60.10}^9}={5.10}^{-3}m$

Câu 13. Một ánh sáng đơn sắc có tần số dao động là 5.10¹³ Hz, khi truyền trong một môi trường có bước sóng là 600 nm. Tốc độ ánh sáng trong môi trường đó bằng

A. 3.10⁸ m/s.

B. 3.10⁷ m/s.

C. 3.10⁶ m/s.

D. 3.10⁵ m/s.

Hiển thị đáp án

Đáp án: B

Giải thích:

Tốc độ của ánh sáng trong môi trường đó là:

v = λ.f = 600.10^-9.5.10¹³ = 3.10⁷ m/s

Câu 14. Bước sóng của một ánh sáng đơn sắc trong môi trường vật chất chiết suất

n = 1,6 là 600 nm. Bước sóng của nó trong nước chiết suất n’ = $\frac{4}{3}$ là

A. 459 nm.

B. 500 nm.

C. 720 nm.

D. 760 nm.

Hiển thị đáp án

Đáp án: C

Giải thích:

Mối quan hệ của bước sóng λ’ của ánh sáng trong môi trường chiết suất n với bước sóng λ trong môi trường chân không (hoặc không khí):

${\lambda }^{\text{'}}=\frac{\lambda }{n}$

+ Bước sóng của ánh sáng đơn sắc trong môi trường chân không là:

$\lambda ={\lambda }^{\text{'}}.n=600.1,6=960nm$

+ Bước sóng của ánh sáng trong môi trường nước chiết suất n’ là:

${\lambda }^{\text{'}}=\frac{\lambda }{n^{\text{'}}}=\frac{960}{\frac{4}{3}}=720nm$

Câu 15. Một ánh sáng đơn sắc có bước sóng của nó trong không khí là 0,7 μm và trong chất lỏng trong suốt là 0,56 μm. Chiết suất của chất lỏng đối với ánh sáng đó bằng bao nhiêu?

A. 1,2.

B. 1,25.

C. 1,3.

D. 1,333.

Hiển thị đáp án

Đáp án: B

Giải thích:

+ Trong không khí: ${\lambda }_1=\frac{c}{f}\left(1\right)$

+ Trong môi trường chiết suất n:

${\lambda }_2=\frac{v}{f}$ mà $v=\frac{c}{n}\Rightarrow {\lambda }_2=\frac{c}{n.f}\left(2\right)$

+ Từ (1) và (2) $\Rightarrow {\lambda }_2=\frac{{\lambda }_1}{n}\Rightarrow n=\frac{{\lambda }_1}{{\lambda }_2}=1,25$

Câu 16. Chiết suất của môi trường là n = 1,65 khi ánh sáng chiếu vào có bước sóng 0,5 μm. Vận tốc truyền và tần số của sóng ánh sáng đó là

A. v = 1,82.10⁸ m/s; f = 3,64.10¹⁴ Hz.

B. v = 1,82.10⁶ m/s; f = 3,64.10¹² Hz.

C. v = 1,28.10⁸ m/s; f = 3,46.10¹⁴ Hz.

D. v = 1,28.10⁶ m/s; f = 3,46.10¹² Hz.

Hiển thị đáp án

Đáp án: A

Giải thích:

+ Vận tốc truyền của ánh sáng đó là

$v=\frac{c}{n}=\frac{{3.10}^8}{1,65}=1,{82.10}^8\text{m/s}$

+ Tần số của ánh sáng đó là:

$f=\frac{v}{\lambda }=\frac{1,{82.10}^8}{0,{5.10}^{-6}}=3,{64.10}^{14}Hz$

Câu 17. Một lăng kính có góc chiết quang là 60⁰. Biết chiết suất của lăng kính đối với ánh sáng đỏ là 1,5. Chiếu tia sáng màu đỏ vào mặt bên của lăng kính với góc tới 60⁰. Tính góc lệch của tia ló so với tia tới.

A. 38,8⁰.

B. 40,6⁰.

C. 42,5⁰.

D. 37,3⁰.

Hiển thị đáp án

Đáp án: A

Giải thích:

+ Ta có: sinr₁ = $\frac{\sin i_1}{n}$$\iff$$\sin r_1=\frac{\sin {60}^0}{1,5}\Rightarrow r_1=35,3^0$

r₂ = A – r₁ = 24,7⁰;

$\sin i_2=n\sin r_2\iff \sin i_2=1,5.\sin 24,7^0\Rightarrow i_2=38,8^0$

+ Vậy góc lệch của tia ló với tia tới là

D = i₁ + i₂ – A = 38,8⁰.

Câu 18. Một lăng kính thủy tinh có góc chiết quang A = 60⁰, có chiết suất đối với tia tím là 1,532. Tính góc lệch cực tiểu của tia này?

A. 50⁰.

B. 40⁰.

C. 45⁰.

D. 60⁰.

Hiển thị đáp án

Đáp án: B

Giải thích:

Với tia tím: sin $\frac{D_{t\min }+A}{2}$= $n_t.\sin \frac{A}{2}-1,532.\sin \frac{{60}^o}{2}=0,766$

$\Rightarrow \frac{D_{t\min }+A}{2}={50}^0$$\Rightarrow D_{t\min }={2.50}^0-A={40}^0$

Câu 19. Góc chiết quang của lăng kính bằng 8⁰. Chiếu một tia sáng trắng vào mặt bên của lăng kính, theo phương vuông góc với mặt phẳng phân giác của góc chiết quang. Đặt một màn quan sát, sau lăng kính, song song với mặt phẳng phân giác của lăng kính và cách mặt phân giác này một đoạn 1,5 m. Chiết suất của lăng kính đối với tia đỏ là n_đ = 1,50 và đối với tia tím là n_t = 1,54. Độ rộng của quang phổ liên tục trên màn quan sát bằng

A. 7,0 mm.

B. 8,4 mm.

C. 6,5 mm.

D. 9,3 mm.

Hiển thị đáp án

Đáp án: B

Giải thích:

Nhận xét: Tia tím bị lệch nhiều nhất, tia đỏ bị lệch ít nhất.

+ Vì A = 8⁰ < 10⁰ nên ta có góc lệch D được tính theo công thức:

$D=\left(\frac{n_2}{n_1}-1\right).A$ với n₁ = 1

+ Góc lệch của tia đỏ: D_đỏ = (n_đ – 1).A = (1,50 – 1).8⁰ = 4⁰

+ Góc lệch của tia tím: D_tím = (n_t – 1).A = (1,54 – 1).8⁰ = 4,32⁰

+ Độ rộng quang phổ liên tục trên màn quan sát là DT = TE - DE

+ Với: DE = AE.tanD_đỏ = 1,5.tan4⁰

TE = AE.tanD_tím = 1,5.tan4,32⁰

+ Suy ra: DT = TE – DE = 1,5.(tan4,32⁰ - tan4⁰) = 8,4.10^-3 m = 8,4 mm.

Câu 20. Một lăng kính thuỷ tinh có góc chiết quang A = 8⁰. Chiết suất của thuỷ tinh làm lăng kính đối với ánh sáng màu đỏ và ánh sáng màu tím lần lượt là n_đ = 1,6444 và n_t = 1,6852. Chiếu một chùm ánh sáng trắng rất hẹp, coi như một tia sáng, vào mặt bên của lăng kính theo phương vuông góc với mặt đó. Góc tạo bởi tia ló màu đỏ và màu tím là

A. 0,057 rad.

B. 0,57 rad.

C. 0,0057 rad.

D. 0,0075 rad.

Hiển thị đáp án

Đáp án: C

Giải thích:

+ Góc lệch của tia đỏ : D_đ = (n_đ – 1).A = (1,6444 – 1).8⁰

+ Góc lệch của tia tím : D_t = (n_t – 1).A = (1,6852 – 1).8⁰

+ Góc hợp bởi tia ló màu đỏ và tia ló màu tím:

∆D = D_t – D_đ = (1,6852 – 1).8⁰ - (1,6444 – 1).8⁰ = 0,3264⁰ = 0,0057 rad

Xem thêm các bài tổng hợp lý thuyết Vật lí lớp 12 đầy đủ, chi tiết khác:

Lý thuyết Bài 25: Giao thoa ánh sáng

Lý thuyết Bài 26: Các loại quang phổ

Lý thuyết Bài 27: Tia hồng ngoại và tia tử ngoại

Lý thuyết Bài 28: Tia X

Lý thuyết Bài 30: Hiện tượng quang điện. Thuyết lượng tử ánh sáng