Giao Thoa Sóng – Thí Nghiệm Y-âng
Hiện tượng giao thoa, hai nguồn kết hợp, công thức khoảng vân $i = \dfrac{\lambda D}{a}$
▸ Bố trí thí nghiệm
Dùng một cần rung gắn với hai quả cầu nhỏ $S_1$ và $S_2$ chạm nhẹ vào mặt nước. Khi cần rung dao động, hai quả cầu dao động cùng tần số, tạo ra hai sóng trên mặt nước.
▸ Kết quả quan sát
Trên mặt nước xuất hiện những gợn sóng ổn định có dạng các đường hypebol:
- Có những điểm nước dao động rất mạnh (biên độ cực đại).
- Có những điểm nước hầu như đứng yên (biên độ bằng $0$).
▸ Giải thích hiện tượng
| Vị trí | Trạng thái | Cơ chế |
|---|---|---|
| Cực đại | Dao động mạnh (biên độ lớn nhất) | Hai sóng đến cùng pha → tăng cường lẫn nhau. |
| Cực tiểu | Đứng yên (biên độ = 0) | Hai sóng đến ngược pha → triệt tiêu lẫn nhau. |
Để xảy ra hiện tượng giao thoa, hai nguồn sóng phải thoả mãn các điều kiện sau:
| Điều kiện | Giải thích |
|---|---|
| Cùng phương | Hai nguồn dao động theo cùng một phương. |
| Cùng tần số | Hai nguồn có cùng tần số dao động. |
| Độ lệch pha không đổi | Hiệu số pha giữa hai nguồn là hằng số theo thời gian. |
Trên đoạn thẳng nối hai nguồn $S_1S_2$, các điểm cực đại (và cực tiểu) giao thoa nằm xen kẽ, cách đều nhau.
$d = \dfrac{\lambda}{2}$
Trong đó $\lambda = \dfrac{v}{f}$ là bước sóng. Quy tắc này dùng cho giao thoa sóng nước, sóng âm trên đoạn nối 2 nguồn.
▸ Bố trí thí nghiệm
Các thành phần chính:
| Thành phần | Vai trò |
|---|---|
| Nguồn sáng đơn sắc (laser) | Phát ra ánh sáng có bước sóng xác định $\lambda$. |
| Hai khe hẹp $F_1, F_2$ | Tạo ra hai nguồn sáng kết hợp. |
| Màn quan sát $M$ | Hiển thị hệ vân giao thoa. |
▸ Các đại lượng quan trọng
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| $a$ | Khoảng cách giữa hai khe $F_1, F_2$ | m (thường cho mm) |
| $D$ | Khoảng cách từ mặt phẳng 2 khe đến màn | m |
| $\lambda$ | Bước sóng ánh sáng | m (thường cho nm hoặc μm) |
| $i$ | Khoảng vân (sẽ học ở mục sau) | m (thường cho mm) |
▸ Kết quả quan sát trên màn
- Vân sáng: nơi hai sóng ánh sáng gặp nhau và tăng cường lẫn nhau.
- Vân tối: nơi hai sóng ánh sáng gặp nhau và triệt tiêu lẫn nhau.
- Vân sáng trung tâm (vân chính giữa): nằm tại vị trí cách đều hai khe, ứng với $k = 0$.
▸ ① Công thức khoảng vân
Khoảng vân $i$ là khoảng cách giữa hai vân sáng (hoặc hai vân tối) liên tiếp.
▸ ② Công thức tính bước sóng
▸ ③ Vị trí vân sáng, vân tối trên màn
| Bậc $k$ | Ý nghĩa | Vị trí |
|---|---|---|
| $k = 0$ | Vân sáng trung tâm | $x = 0$ (chính giữa) |
| $k = \pm 1$ | Vân sáng bậc 1 | $x = \pm i$ |
| $k = \pm 2$ | Vân sáng bậc 2 | $x = \pm 2i$ |
| $k = \pm n$ | Vân sáng bậc $n$ | $x = \pm n \cdot i$ |
▸ ④ Điều kiện vân sáng – vân tối tại điểm A
Gọi $d_1, d_2$ là khoảng cách từ điểm A trên màn đến hai khe $F_1, F_2$. Hiệu đường đi là $\Delta d = d_2 - d_1$.
Vân tối: $d_2 - d_1 = \left(k + \dfrac{1}{2}\right)\lambda$
Ghi nhớ: Vân sáng ↔ hiệu đường đi bằng số nguyên lần bước sóng. Vân tối ↔ hiệu đường đi bằng số bán nguyên lần bước sóng.
▸ Dạng 1: Tính bước sóng từ $i, a, D$
Phương pháp:
- Đổi tất cả về đơn vị SI (mét): $a$ (mm → m), $i$ (mm → m), $D$ (m).
- Áp dụng $\lambda = \dfrac{a \cdot i}{D}$.
- Nếu cần tính tần số: $f = \dfrac{c}{\lambda}$ với $c = 3 \times 10^8$ m/s.
▸ Dạng 2: Tính bước sóng từ khoảng cách nhiều vân sáng liên tiếp
| Số vân sáng liên tiếp | Số khoảng vân |
|---|---|
| 2 | 1 |
| 5 | 4 |
| 12 | 11 |
| $n$ | $n - 1$ |
▸ Dạng 3: Tính vị trí vân sáng, vân tối
▸ Dạng 4: Giao thoa sóng nước
Phương pháp:
- Tính bước sóng: $\lambda = \dfrac{v}{f}$.
- Khoảng cách 2 cực đại (hoặc 2 cực tiểu) liên tiếp trên $S_1S_2$ bằng $\lambda/2$.
Toàn bộ lý thuyết, các dạng bài tập từ cơ bản đến nâng cao, sơ đồ tư duy chi tiết, mẹo giải nhanh.
Sau khi nắm vững lý thuyết, chuyển sang tab Bài Tập để luyện 25 câu bám sát SGK Kết Nối Tri Thức!
Cùng luyện Bài 12 – Giao thoa sóng!
25 câu: 19 trắc nghiệm · 2 đúng/sai · 4 tự luận
Tuyệt vời!
Thầy Phạm Trần Quốc Anh
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT
Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn