Khúc xạ
Đã giới thiệu| English | Ý nghĩa |
|---|---|
| gap/ɡæp/ | khe |
| diffraction/dɪˈfrækʃn/ | nhiễu xạ |
| obstacle/ˈɒbstəkl/ | vật cản |
| wavelength/ˈweɪvleŋθ/ | bước sóng |
| ripple tank/ˈrɪpl tæŋk/ | bể gợn sóng |
| single slit/ˈsɪŋɡl slɪt/ | khe đơn |
| diffraction grating/dɪˈfrækʃn ˈɡreɪtɪŋ/ | lưới nhiễu xạ |
Nghe thấy nhưng không nhìn thấy
- Bạn có thể nghe thấy ai đó quanh góc tường — nhưng bạn không thể nhìn thấy họ.
- Cả âm thanh và ánh sáng đều chạm đến khe hở, nhưng chỉ có âm thanh mới bẻ cong quanh đó.
- Sự khác biệt nằm ở hiện tượng giải tán.
Giải tán là gì
- Giải tán là sự lan rộng của một sóng khi đi qua một khe hở hoặc quanh mép vật cản.
- Tất cả các loại sóng đều làm vậy — nước, âm thanh, ánh sáng, vi sóng. Tốc độ, bước sóng và tần số không thay đổi; chỉ có hướng lan truyền bị phân tán.
Sự cộng và triệt tiêu của sóng
Hai sóng giao thoa cộng lại ở những nơi cùng pha và triệt tiêu ở những nơi khác pha — hãy thay đổi pha để xem kết quả. Đây chính là nguyên nhân tạo ra các mẫu nhiễu xạ.
Khúc xạ là sự ____ của sóng khi truyền qua khe hở.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Khúc xạ là sự lan rộng (uốn cong) của sóng tại khe hở hoặc vật cản.
Tất cả các loại sóng đều có thể khúc xạ.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Có — nước, âm thanh, ánh sáng và sóng vi sóng đều lan rộng tại khe hở hoặc mép vật.
Khúc xạ là sự ____ của sóng khi truyền qua khe hở hoặc quanh vật cản.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Lan truyền, không bẻ cong: khúc xạ làm bẻ cong sóng tại ranh giới, và hai từ này được đánh dấu khác nhau.
Mức độ lan rộng
- Khe rộng hơn nhiều so với $\lambda$ → sóng đi qua gần như thẳng tay.
- Khe khoảng bằng kích thước của $\lambda$ → sóng phân tán mạnh.
Giải tán trong bể gợn sóng — khe rộng (a) làm sóng phân tán ít, khe hẹp (b) phân tán nhiều hơn
Một sóng lan truyền mạnh nhất khi khe hở:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Khi khe hở ≈ bước sóng, sóng tỏa ra mạnh; khe hở rộng hơn nhiều cho phép nó đi gần như thẳng.
Làm cho khe hẹp lại khiến các sóng lan truyền ____.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Khe hẹp hơn (gần một bước sóng) tạo ra nhiễu xạ mạnh hơn.
Nối mỗi khe hở với mức độ lan truyền của sóng vượt qua nó.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Nhiễu xạ lớn nhất khi khe hở và bước sóng có kích thước tương đương, và giảm dần khi khe hở lớn hơn nhiều so với bước sóng.
Khi nào một sóng bị nhiễu xạ nhiều nhất qua một khe hở? Chọn tất cả các đáp án đúng.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Đó là lý do bạn nghe thấy âm thanh từ phía sau cánh cửa nhưng không nhìn thấy ánh sáng: bước sóng âm thanh khoảng một mét, trong khi bước sóng ánh sáng nhỏ hơn một micromet.
Tại sao nghe thấy nhưng không nhìn thấy
- Âm thoại có $\lambda \approx 1\ \text{m}$ — tương đương với chiều rộng cửa ra vào, nên nó lan tỏa quanh góc tường.
- Ánh sáng có $\lambda \approx 500\ \text{nm}$ — nhỏ hơn rất nhiều so với khe hở, nên hầu như không phân tán.
Bạn có thể nghe mà không nhìn thấy xung quanh góc vì âm thanh có bước sóng lớn hơn nhiều so với ánh sáng.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Bước sóng âm thanh (~1 m) gần bằng kích thước khe hở nên bị nhiễu xạ; bước sóng ánh sáng (~500 nm) nhỏ hơn nhiều nên hầu như không bị nhiễu xạ.
Ánh sáng giải tán trông như thế nào
- Ánh sáng laser đi qua khe đơn tạo ra một dải trung tâm rộng, sáng và các dải mờ hơn ở hai bên.
- Đi qua lưới nhiễu xạ (nhiều khe), ánh sáng tập trung thành các vạch sắc nét, hẹp ở các góc xác định: cực đại trung tâm cao, sau đó là các đỉnh đối xứng tại $\pm\theta_1$, $\pm\theta_2$ yếu dần về phía ngoài.
- Các góc tuân theo $d\sin\theta = n\lambda$ — bài học tiếp theo sẽ sử dụng công thức đầy đủ này.
Một cách tử có 500 vạch/mm. Khoảng cách khe d là bao nhiêu, tính theo đơn vị 1e-6 m?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
d = 1e-3/500 = 2.0e-6 m. Đưa trực tiếp số vạch trên milimet vào công thức d sin(theta) = n lambda là lỗi phổ biến; bạn phải lấy nghịch đảo trước.
Ví dụ minh họa: Vị trí các vạch sáng
Ánh sáng laser có bước sóng $600\ \text{nm}$ chiếu vuông góc lên lưới nhiễu xạ có các vạch cách nhau $5.0 \times 10^{-6}\ \text{m}$. Tìm góc của vạch bậc hai và mô tả đồ thị cường độ từ $-15^\circ$ đến $+15^\circ$. Sau đó, một kính phân cực được đặt vào chùm tia.
- Bậc hai: $\sin\theta = \dfrac{n\lambda}{d} = \dfrac{2 \times 600 \times 10^{-9}}{5.0 \times 10^{-6}} = 0.24$, do đó $\theta = 14^\circ$.
- Bậc một: $\sin\theta = 0.12$, do đó $\theta = 6.9^\circ$.
- Đồ thị: một spike cao hẹp tại $0^\circ$, các spike nhỏ hơn tại $\pm 6.9^\circ$, còn nhỏ hơn nữa tại $\pm 14^\circ$, và hầu như không có gì ở giữa.
- Với kính phân cực: mỗi spike đều chỉ còn một nửa chiều cao (ánh sáng không phân cực đi qua một kính), nhưng các góc không thay đổi — kính phân cực không làm thay đổi bước sóng.
Ánh sáng có bước sóng $500\ \text{nm}$ chiếu vuông góc lên cách tử có các vạch cách nhau $4.0 \times 10^{-6}\ \text{m}$. Góc của cực đại bậc hai là bao nhiêu, tính bằng độ?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
$\sin\theta = \dfrac{n\lambda}{d} = \dfrac{2 \times 500 \times 10^{-9}}{4.0 \times 10^{-6}} = 0.25$, do đó $\theta = 14.5^\circ$.
Giải tán không phải là khúc xạ và không phải là phản xạ: sóng giữ nguyên tốc độ, bước sóng và tần số, chỉ có hướng lan truyền bị phân tán. Lan tỏa nhiều hơn không có nghĩa là năng lượng nhiều hơn — cùng một lượng năng lượng được chia sẻ trên một vùng rộng hơn, nên sóng vượt qua khe hẹp sẽ yếu hơn ở bất kỳ hướng nào.
Một sóng nước đi qua khe hẹp và lan truyền. Đại lượng nào không đổi? Chọn tất cả các đáp án đúng.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Nhiễu xạ chỉ thay đổi hướng truyền năng lượng. Tốc độ, bước sóng và tần số được xác định bởi môi trường và nguồn phát, không thay đổi tại khe hở.
Quan sát trong phòng thí nghiệm
- Bể gợn sóng: sóng phẳng va chạm vào rào chắn có khe; thu hẹp khe (hoặc kéo dài $\lambda$ bằng cách giảm tốc độ mái chèo) và các mặt sóng cong sẽ lan tỏa nhiều hơn.
- Laser và khe đơn: tạo ra mẫu vân trên màn hình ở xa; khe càng hẹp thì dải trung tâm càng rộng.
- Laser và lưới nhiễu xạ: tạo ra hàng chấm sắc nét; lưới tinh hơn (nhiều vạch hơn trên mm) đẩy các chấm xa nhau hơn.
Bạn đã nắm vững
- giải tán = một sóng lan rộng qua khe hoặc quanh vật cản (tất cả các loại sóng đều làm vậy; tốc độ, $\lambda$ và $f$ không đổi)
- Lan tỏa tối đa khi khe có độ rộng khoảng một bước sóng
- âm thanh giải tán quanh góc (có $\lambda$ lớn); ánh sáng hầu như không (có $\lambda$ nhỏ), nên cần khe hoặc lưới để quan sát được
- lưới nhiễu xạ cho cực đại sắc nét tại $d\sin\theta = n\lambda$; kính phân cực làm giảm một nửa chúng mà không di chuyển vị trí