Đề ôn tập môn Vật lí Lớp 12 - Chủ đề 5: Giao thoa với ánh sáng trắng

Chủ đề 5: GIAO THOA VỚI ÁNH SÁNG TRẮNG
- Ánh sáng trắng là tập hợp của vô số ánh sáng đơn sắc khác nhau có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím. Dải có màu cầu vồng được chia thành 7 vùng chính đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím gọi là màu quang phổ của ánh sáng trắng.
- Hình ảnh giao thoa:
Khi thực hiện giao thoa với ánh sáng trắng có vùng nhìn thấy từ tím đến đỏ có bước sóng liên tục trong khoảng thì mỗi ánh sáng cho một hệ thống vân giao thoa riêng không chồng khí lên nhau.
+) Tại trung tâm , tất cả các ánh sáng đơn sắc đều cho vân sáng bậc 0 nên vân trung tâm là vân màu trắng. Hai bên vân trắng chính giữa, các vân sáng đơn sắc khác nhau nằm kề sát nhau và cho dải màu như ở cầu vồng.
+) Do nhỏ hơn suy ra nhỏ hơn nên làm cho tia tím gần vạch trung tâm hơn tia đỏ (xét cùng một bậc giao thoa).
+) Tập hợp các vạch từ tím đến đỏ của cùng một bậc (cùng giá trị k) tạo ra quang phổ của bậc k đó. Ví dụ: Quang phổ bậc 4 là bao gồm các vạch màu từ tím đến đỏ ứng với 
- Độ rộng của quang phổ bậc k là khoảng cách từ vị trí vân tím bậc k đến vị trí vân đỏ bậc k, ta có:
+) Nếu vị trí vân tím bậc n (cao) có tọa độ nhỏ hơn vị trí vân đỏ bậc thấp m (n > m) thì các bậc quang phổ chồng chập lên nhau. Ở các bậc càng cao sự chồng chập này càng lớn.
+) Bề rộng khoảng chồng chập: 
- Tìm số bức xạ cho vân sáng hoặc vân tối tại một điểm có tọa độ x trên màn:
Số các bức xạ của ánh sáng trắng cho vân sáng hoặc vân tối trùng nhau tại một điểm có tọa độ x trên màn là số giá trị k nguyên thỏa mãn:
Các vân sáng trùng nhau: 
Các vân tối trùng nhau: 
- Tìm tọa độ xmin để tại đó có (n + 1) bức xạ cho vân sáng:
Quang phổ bậc k bắt đầu chồng chập quang phổ bậc khi tọa độ vân sáng tím của quang phổ bậc k phải nhỏ hơn hoặc bằng tọa độ vân sáng đỏ của quang phổ bậc , tức là:
Vị trí M gần nhất để tại đó có bức xạ cho vân sáng là 
Ví dụ 1: Trong thí nghiệm giao thoa Y-âng, khoảng cách giữa hai khe là , khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến màn . Nguồn sáng S phát ánh sáng trắng có bước sóng nằm trong khoảng từ đến . Thí nghiệm thực hiện trong không khí.
a) Tính độ rộng của quang phổ bậc 4 quan sát được trên màn.
b) Tính bề rộng khoảng chồng chập của quang phổ bậc 3 và bậc 5.
c) Hỏi tại điểm M trên màn cách vân sáng trung tâm những bức xạ nào cho vân sáng? Cho vân tối?
d) Trên màn M là vị trí gần vân trung tâm nhất có đúng 3 bức xạ cho vân sáng. Tìm khoảng cách từ M đến vân trung tâm.
Lời giải:
a) Bề rộng quang phổ bậc 4 trên màn tính theo công thức:
b) Bề rộng khoảng chồng chập của quang phổ bậc 3 và bậc 5 là:
c) Tai điểm M bức xạ cho vân sáng thì 
Do 
Thay các giá trị k vào ta tìm được bước sóng của các bức xạ cho vân sáng tại M:
k
5
6
7
8
9
7/12
7/16
7/18
Tại điểm M bức xạ cho vân tối thì 
Do 
Thay các giá trị k vào ta tìm được bước sóng của các bức xạ cho vân tối tại M:
k
5
6
7
8
7/11
7/13
7/15
7/17
d) Vị trí có 3 bức xạ cho vân sáng: 
Để tại M có đúng 3 bức xạ chồng nhau thì vân màu tím quang phổ bậc k phải chồng lên vân màu đỏ quang phổ bậc tức là:
Vị trí M gần nhất để tại đó có đúng 3 bức xạ cho vân sáng là 
Ví dụ 2: Trong thí nghiệm Y-âng, các khe và được chiếu sáng bởi ánh sáng gồm 3 đơn sắc: đỏ, vàng, chàm thì trong quang phổ bậc 1, tính từ vân chính giữa đi ra ta sẽ thấy các đơn sắc theo thứ tự là 
A. vàng, chàm, đỏ.	B. chàm, đỏ, vàng.	C. chàm, vàng, đỏ.	D. đỏ, vàng, chàm.
Lời giải:
Ở chính giữa, mỗi ánh sáng đơn sắc đều cho một vạch màu riêng, tổng hợp của chúng ta thấy có vạch sáng trắng.
Do bước sóng của tia tím nhỏ nhất khoảng vân của tia tím nhỏ nhất và làm cho tia tím gần vạch trung tâm nhất (xét cùng một bậc giao thoa).
 Thứ tự các vân sáng đơn sắc từ chính giữa đi ra là: tím, chàm, lục, lam, vàng, cam, đỏ.
Chọn C.
Ví dụ 3: Trong thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng, hai khe được chiếu bằng ánh sáng trắng có bước sóng từ đến . Khoảng cách giữa hai khe là , khoảng cách từ mặt phẳng chứ hai khe đến màn quan sát là Độ rộng quang phổ bậc 3 (nằm về một phía so với vân sáng trung tâm) là:
A. 	B. C. 	D. 
Lời giải:
Độ rộng quang phổ bậc 3 (nằm về một phía so với vân sáng trung tâm) là
Chọn C.
Ví dụ 4: Trong thí nghiệm giao thoa ánh sáng khe Y-âng, khoảng cách giữa 2 khe , bằng 
, khoảng cách từ hai khe đến màn quan sát là Chiếu vào 2 khe bằng chùm sáng trắng có bước sóng . Bề rộng đoạn chồng chập của quang phổ bậc và quang phổ bậc trên trường giao thoa bằng 
 A. 	B. 	C. 	D. 
Lời giải:
Bề rộng vùng chồng chập:
 Chọn B.
Ví dụ 5: Trong thí nghiệm Y-âng dùng ánh sáng trắng có bước sóng từ đến. Bề rộng quang phổ bậc 1 là Khi dịch màn ra xa khe thêm 40 cm thì bề rộng quang phổ bậc 1 là Khoảng cách giữa hai khe , là
A. 	B. 	C. 	D. 
Lời giải:
Độ rộng quang phổ bậc 1 là: 
Khi chưa dịch màn: 
Khi dịch màn: 
Chia vế cho vế của cho ta được: 
Thay lên , ta được: Chọn A.
Ví dụ 6: [Trích đề thi THPT QG năm 2010] Trong thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng, hai khe được chiếu bằng ánh sáng trắng có bước sóng từ đến Khoảng cách giữa hai khe là , khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến màn quan sát là Trên màn, tại vị trí cách vân trung tâm có vân sáng của các bức xạ với bước sóng
A. và 	B. và 
C. và 	D. và 
Lời giải:
Giả sử tại vị trí có tọa độ trùng với vân sáng bậc của bức xạ có bước sóng , ta có:
Do nên 
Do nên có 2 bức xạ cho vân sáng trùng nhau tại vị trí có và bước sóng tương ứng là
k
2
3
Chọn D.
Ví dụ 7: Trong thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng, hai khe được chiếu bằng ánh sáng trắng có bước sóng từ đến . Khoảng cách giữa hai khe là , khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến màn quan sát là Trên màn, tại vị trí cách vân trung tâm có vân tối của bức xạ có bước sóng
A. và 	B. 
C. 	D. và 
Lời giải:
Tại có sự trùng nhau của các vân tối:
Do nên 
Do nên có 1 bức xạ cho vân tối tại vị trí có và bước sóng tương ứng là
	 Chọn C.
Ví dụ 8: [Trích đề thi THPT QG năm 2009] Trong thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng, hai khe được chiếu bằng ánh sáng trắng có bước sóng từ đến Tại vị trí vân sáng bậc 4 của ánh sáng đơn sắc có bước sóng còn có bao nhiêu vân sáng nữa của các ánh sáng đơn sắc khác ?
A. 8.	B. 7.	C. 4.	D. 3.
Lời giải:
Tại vị trí là sự trùng nhau của vân sáng bậc 4 màu đỏ và bậc k của các màu khác, ta có:
	xM = 4iđ = ki 
Do 
Do nên có 4 giá trị của ứng với ứng với 4 vân sáng khác màu đỏ tại M. 
Chọn C.
Ví dụ 9: Thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng. Khoảng cách giữa hai khe là 1 mm, màn quan sát đặt song song với mặt phẳng chứa hai khe và cách hai khe . Chiếu sáng hai khe bằng ánh sáng trắng có bước sóng Bước sóng lớn nhất của các bức xạ cho vân tối tại điểm N trên màn, cách vân trung tâm là
A. 	B. 	C. 	D. 
Lời giải:
Bước sóng của bức xạ cho vân tối tại vị trí x:
Cho vào điều kiện bước sóng của ánh sáng trắng: 
Trong các bước sóng của các bức xạ cho vân tối tại M, bước sóng ứng với là bước sóng dài nhất (càng lớn khi càng nhỏ) là: Chọn C.
Ví dụ 10: Trong một thí nghiệm về giao thoa ánh sáng, khoảng cách giữa hai khe sáng là , khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến màn là . Dùng ánh sáng trắng có bước sóng từ đến Trên màn, khoảng cách từ vân sáng trung tâm đến vị trí gần nhất mà tại đó có sự trùng nhau của hai ánh sáng đơn sắc có bước sóng khác nhau là 
A. 	B. 	C. 	D. 
Lời giải:
Điều kiện để một vị trí có hai quang phổ bậc và chồng chập lên nhau là
Vậy hiện tượng chồng chập bắt đầu xảy ra giữa quang phổ bậc 2 và bậc 3. Vị trí có hai vân chồng chập lên nhau và gần vân trung tâm nhất chính là vị trí vân sáng bậc 3 của bức xạ 
Ta có Chọn B.
Ví dụ 11: [Trích đề thi THPT QG 2017] Trong thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng, khoảng cách giữa 2 khe là , khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến màn quan sát là Chiếu vào hai khe ánh sáng trắng có bước sóng đến Trên màn, M là vị trí gần vân trung tâm nhất có đúng 5 bức xạ cho vân sáng. Khoảng cách từ M đến vân trung tâm có giá trị gần nhất với giá trị nào sau đây?
A. 	B. 	C. 	D. 
Lời giải:
Có sự chồng chập của 5 bức xạ khi vân tím bậc cao ở dưới vân đỏ bậc thấp 
 Vị trí gần vân trung tâm nhất có 5 bức xạ trùng nhau là vị trí vân tím bậc 8
	 Chọn D.
Ví dụ 12: Trong thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng, nguồn sáng phát ra ánh sáng trắng có bước sóng từ đến Trên màn quan sát, tại điểm M có đúng 4 bức xạ cho vân sáng có bước sóng Tổng giá trị bằng
A. 	B. 	C. 	D. 
Lời giải:
Tại M có 4 vân trùng: 
Tại M ngoài 2 bức xạ cho vân sáng thì còn có 2 bức xạ khác cũng cho vân sáng.
+) Với n = 1: Tại M có 2 bức xạ cho vân sáng (loại)
+) Với n = 2: Tại M có 4 bức xạ cho vân sáng (thỏa mãn) ứng với:
 Chọn C.
BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM
Câu 1: Thực hiện giao thoa với ánh sáng trắng có bước sóng Hai khe cách nhau màn hứng vân giao thoa cách hai khe Tại điểm M cách vân trung tâm có bao nhiêu ánh sáng đơn sắc cho vân sáng tại đó ?
A. 5 ánh sáng đơn sắc.	B. 3 ánh sáng đơn sắc.	
C. 4 ánh sáng đơn sắc.	D. 2 ánh sáng đơn sắc.
Câu 2: Trong thí ngiệm Y-âng người ta chiếu sáng hai khe bằng ánh sáng trắng có bước sóng từ đến Khoảng cách giữa hai khe là khoảng cách từ hai khe đến màn là Tại 1 điểm M trên màn cách vân sáng trung tâm 3 mm có bao nhiêu bức xạ cho vân tối trong dải ánh sáng trắng?
A. 2.	B. 3.	C. 4.	D. 5.
Câu 3: Hai khe Y-âng cách nhau được chiếu bằng ánh sáng trắng khoảng cách từ hai khe đến màn là Tại điểm A trên màn cách vân trung tâm 2 mm có các bức xạ cho vân tối có bước sóng
A. và 	B. và 	
C. và 	D. và 
Câu 4: Hai khe Y-âng cách nhau được chiết sáng bằng ánh sáng trắng khoảng cách từ hai khe đến màn là Tại điểm A trên màn cách vân trung tâm có các bức xạ cho vân sáng có bước sóng
A. và 	B. và 
C. và 	D. và 
Câu 5: Thực hiện giao thoa ánh sáng qua khe Y-âng, biết Nguồn S phát ánh sáng trắng gồm vô số bức xạ đơn sắc có bước sóng từ đến Xác định số bức xạ bị tắt tại điểm M trên màn E cách vân trung tâm ?
A. 2.	B. 3.	C. 4.	D. 5.
Câu 6: Thực hiện giao thoa ánh sáng qua khe Y-âng, biết khoảng cách giữa hai khe khoảng cách từ màn chứa hai khe tới màn quan sát là Nguồn S phát ánh sáng trắng gồm vô số bức xạ đơn sắc có bước sóng từ đến Hỏi ở đúng vị trí vân sáng bậc 4 của bức xạ đỏ còn có bao nhiêu bức xạ cho vân sáng nằm trùng tại đó?
A. 3.	B. 4.	C. 5.	D. 6.
Câu 7: Trong thí nghiệm giao thoa Y-âng đối với ánh sáng trắng khoảng cách từ 2 nguồn đến màn là khoảng cách giữa 2 nguồn là Số bức xạ cho vân sáng tại M cách vân trung tâm là 
A. 4.	B. 7.	C. 6.	D. 5.
Câu 8: Trong thí nghiệm giao thoa Y-âng khoảng cách hai khe khoảng cách hai khe đến màn Giao thoa với ánh sáng đơn sắc thì trên màu chỉ quan sát được 11 vân sáng mà khoảng cách hai vân ngoài cùng là Xác định bước sóng 
A. 	B. 	C. 	D. 
Câu 9: Giao thoa với hai khe Y-âng có Nguồn sáng dùng là ánh sáng trắng có bước sóng từ đến Tính bề rộng của quang phổ bậc 3.
A. 	B. 	C. 	D.
Câu 10: Trong thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng khoảng cách giữa hai khe khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến màn quan sát Hai khe được chiếu bằng ánh sáng trắng. Khoảng cách từ vân sáng bậc 1 màu đỏ đến vân sáng bậc 1 màu tím 
 cùng một phía của vân sáng trung tâm là
A. 	B. 	C. 	D. 
Câu 11: Trong thí nghiệm giao thoa ánh sáng bằng khe Y-âng. Khoảng cách giữa hai khe kết hợp là khoảng cách từ hai khe đến màn Nguồn S phát ra ánh sáng trắng có bước sóng từ đến Vùng phủ nhau giữa quang phổ bậc hai và quang phổ bậc ba có bề rộng là
A. 	B. 	C. 	D. 
Câu 12: Trong thí nghiệm giao thoa ánh sáng dùng khe Y-âng. Khoảng cách hai khe khoảng cách hai khe tới màn Chiếu bằng ánh sáng trắng có bước sóng thỏa mãn Khoảng cách gần nhất từ nơi có hai vạch màu đơn sắc khác nhau trùng nhau đến vân sáng trung tâm ở trên màn là
A. 	B. 	C. 	D. 
Câu 13: Trong thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng, hai khe được chiếu bằng ánh sáng trắng có bước sóng từ đến Khoảng cách giữa hai khe là khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến màn quan sát là Trên màn, tại vị trí cách vân trung tâm có vân sáng của các bức xạ với bước sóng
A. và 	B. và 	
C. và 	D. và 
LỜI GIẢI BÀI TẬP TỰ LUYỆN
Câu 1: Tại điểm M cho vân sáng ta có: 
Giải điều kiện: 
Vậy có 4 ánh sáng đơn sắc tại M cách vân trung tâm cho vân sáng. Chọn C.
Câu 2: Tại điểm M cho vân tối ta có:
Giải điều kiện: 
Vậy có 4 ánh sáng đơn sắc tại M cách vân trung tâm cho vân tối. Chọn C.
Câu 3: Tại điểm A cho vân tối ta có:
Giải điều kiện: Chọn D.
Câu 4: Tại điểm A cho vân sáng: 
Giải điều kiện: Chọn A.
Câu 5: Tại điểm M cho vân tối ta có:
Giải điều kiện: 
Vậy có 4 ánh sáng đợn sắc tại M cách vân trung tâm cho vân tối. Chọn C.
Câu 6: Vân sáng bậc 4 của bức xạ đỏ có tọa độ: 
Các vân sáng khác trùng nhau tại vân bậc 4 này có tọa độ thỏa mãn:
Lại có: , giải điều kiện: 
Trừ bức xạ đỏ còn 3 bức xạ cho vân sáng nằm trùng tại đó. Chọn A.
Câu 7: Tại điểm M cho vân sáng ta có: 
Giải điều kiện: 
Vậy có 5 ánh sáng đơn sắc tại M cách vân trung tâm cho vân sáng. Chọn C.
Câu 8: Có 11 vân sáng mà khoảng cách hai vân ngoài cùng là do đó: mm
Khi đó: Chọn B.
Câu 9: Tính bề rộng của quang phổ bậc 3 là: Chọn C.
Câu 10: Ta có 
Do đó khoảng cách từ vân sáng bậc 1 màu đỏ đến vân sáng bậc 1 màu tím cùng một phía của vân sáng trung tâm là Chọn B.
Câu 11: Vùng phủ nhau giữa quang phổ bậc hai và quang phổ bậc ba có bề rộng là
 Chọn B.
Câu 12: Để hai vạch sáng đơn sắc trùng nhau thì quang phổ bậc phải phủ lên quang phổ bậc 
Do đó: 
 Do nguyên, vị trí trùng nhau gần nhất nên Chọn D.
Câu 13: Tại điểm M cho vân sáng ta có: 
Giải điều kiện: 
Vậy có 2 bức xạ với các bước sóng Chọn B.