Giáo án Bài 12. Giao thoa sóng

HS nhận biết hiện tượng có vùng gợn sóng mạnh và vùng lặng xen kẽ khi hai sóng gặp nhau, từ đó nêu được vấn đề cần giải quyết trong bài.

GV cho HS quan sát đoạn video hoặc biểu diễn trực tiếp: cần rung hai mũi nhọn chạm mặt nước trong khay, đèn chiếu hiện các vân trên màn. HS trả lời câu hỏi: (1) Tại sao trên mặt nước có chỗ gợn sóng rất mạnh, có chỗ hầu như phẳng lặng? (2) Nếu hai mũi nhọn rung lệch pha liên tục thì hình ảnh có ổn định không? (3) Điều gì quyết định vị trí các vùng cực đại và cực tiểu?

HS nêu được: các vùng gợn mạnh và lặng là kết quả tổng hợp hai sóng từ hai nguồn; hình ảnh chỉ ổn định khi hai nguồn có cùng tần số và độ lệch pha không đổi; vị trí các vùng phụ thuộc vào hiệu đường đi từ hai nguồn đến điểm xét. Vấn đề bài học: điều kiện giao thoa và vị trí cực đại, cực tiểu.

HS nêu được điều kiện giao thoa của hai sóng kết hợp; giải thích và vận dụng điều kiện cực đại, cực tiểu với hai nguồn cùng pha.

HS làm việc nhóm 4 người theo phiếu học tập số 1, kết hợp quan sát mô phỏng NeoEdu “Hai nguồn kết hợp” và “Điểm M và hiệu đường đi”. Nhiệm vụ: (a) Hai sóng kết hợp là gì? Điều kiện để có giao thoa là gì? (b) Hai nguồn S₁, S₂ cùng pha, bước sóng λ = 2 cm. Điểm M có hiệu đường đi d₂ − d₁ = 4 cm thì là cực đại hay cực tiểu? Điểm N có d₂ − d₁ = 3 cm thì sao? (c) Viết điều kiện cực đại và cực tiểu cho hai nguồn cùng pha, nêu ý nghĩa của bậc k. (d) Xét thêm: hai nguồn cùng tần số 20 Hz, tốc độ truyền sóng 40 cm/s, S₁S₂ = 8 cm.

• Sóng kết hợp: hai sóng cùng tần số và có độ lệch pha không đổi theo thời gian; điều kiện giao thoa là hai nguồn kết hợp.
• Điều kiện cực đại (hai nguồn cùng pha): $d_2-d_1=k\lambda$, với k = 0, ±1, ±2,…
• Điều kiện cực tiểu (hai nguồn cùng pha): $d_2-d_1=\left(k+\dfrac{1}{2}\right)\lambda$.
• Điểm M: $d_2-d_1=4$ cm $=2\lambda$, là cực đại bậc k = 2.
• Điểm N: $d_2-d_1=3$ cm $=1{,}5\lambda$, là cực tiểu.
• Bước sóng: $\lambda=\dfrac{v}{f}=\dfrac{40}{20}=2$ cm, khớp với giá trị đã cho.
• Kết luận: hiện tượng giao thoa là sự tổng hợp hai sóng kết hợp tạo các vùng tăng cường (cực đại) và triệt tiêu (cực tiểu) cố định trong không gian.

HS giải thích được sự hình thành vân sáng, vân tối trong thí nghiệm Young; nêu và vận dụng được công thức $i=\dfrac{\lambda D}{a}$ để tính khoảng vân.

GV biểu diễn thí nghiệm Young với bút laser, tấm hai khe hẹp, màn chắn và thước; đồng thời HS quan sát mô phỏng NeoEdu “Vân giao thoa” và “Hai sóng chồng lên nhau”. HS theo dõi và trả lời phiếu học tập số 2: (a) Mô tả hình ảnh trên màn. (b) Khoảng vân i là gì? Lập luận vì sao i = λD/a. (c) Trong mô phỏng, đặt a = 1 mm, D = 2 m, λ = 0,65 µm; tính i. (d) Khi tăng D, giảm a, hoặc đổi laser sang bước sóng nhỏ hơn thì i thay đổi thế nào? (Lưu ý: khi đo, đổi các đại lượng về cùng hệ đơn vị SI.)

• Hình ảnh: trên màn xuất hiện các vân sáng và vân tối xen kẽ, cách đều nhau; vân sáng trung tâm nằm chính giữa.
• Khoảng vân i là khoảng cách giữa hai vân sáng (hoặc hai vân tối) liên tiếp; công thức $i=\dfrac{\lambda D}{a}$.
• Tính toán: $i=\dfrac{0{,}65\times10^{-6}\times 2}{1\times10^{-3}}=1{,}3\times10^{-3}$ m $=1{,}3$ mm.
• Nhận xét: i tỉ lệ thuận với λ và D, tỉ lệ nghịch với a. Khi tăng D, giảm a hoặc giảm λ thì khoảng vân thay đổi theo đúng quy luật đó.
• Kết luận: thí nghiệm Young cho thấy ánh sáng có tính chất sóng; từ khoảng vân đo được có thể xác định bước sóng ánh sáng.

HS vận dụng được điều kiện cực đại, cực tiểu và công thức khoảng vân để giải các bài tập định lượng và định tính; rèn kĩ năng đổi đơn vị và lập luận có căn cứ.

HS làm việc cá nhân trong 8 phút, sau đó đổi chéo phiếu với bạn cùng bàn để kiểm tra; thảo luận nhóm 4 cho các câu khó. Đề bài:

1. Hai nguồn kết hợp cùng pha, λ = 2 cm; điểm xét có d₂ − d₁ = 4 cm. Bậc cực đại k bằng bao nhiêu?
2. λ = 500 nm, D = 2 m, a = 1 mm. Khoảng vân i bằng bao nhiêu mm?
3. i = 1,2 mm. Hai vân sáng cách nhau 5 khoảng vân thì cách nhau bao nhiêu mm?
4. i = 0,8 mm, a = 0,5 mm, D = 1 m. Bước sóng λ bằng bao nhiêu nm?
5. Điều kiện để hai nguồn kết hợp là gì? A. Chỉ cùng biên độ, tần số có thể khác nhau. B. Chỉ cùng tần số, độ lệch pha có thể thay đổi tùy ý. C. Chỉ cùng công suất phát sóng. D. Cùng tần số và độ lệch pha không đổi.
6. Trong thí nghiệm Young trong cùng môi trường, xét các phát biểu: a) i tỉ lệ thuận với D; b) i tỉ lệ thuận với a; c) i tỉ lệ thuận với λ; d) vân sáng trung tâm có hiệu đường đi bằng 0. Phát biểu nào đúng, sai?
7. Hai nguồn cùng pha, điểm xét có Δd = 1,5λ thì đó là vị trí nào? A. Luôn không giao thoa. B. Cực tiểu. C. Cực đại bậc 1. D. Cực đại bậc 2.
8. Khe Young ban đầu có i = 0,9 mm. Tăng D gấp 2 và tăng a gấp 3, giữ nguyên λ. Tìm khoảng vân mới.

Đáp án:

1. k = Δd/λ = 4/2 = 2.
2. $i=\dfrac{5\times10^{-7}\times 2}{10^{-3}}=10^{-3}$ m = 1 mm.
3. Khoảng cách = 5i = 5 × 1,2 = 6 mm.
4. $\lambda=\dfrac{ia}{D}=\dfrac{0{,}8\times10^{-3}\times0{,}5\times10^{-3}}{1}=4\times10^{-7}$ m = 400 nm.
5. Đáp án D: hai điều kiện này bảo đảm hình giao thoa ổn định.
6. a) Đúng; b) Sai (i tỉ lệ nghịch với a); c) Đúng; d) Đúng.
7. Đáp án B: $1{,}5\lambda=\left(1+\dfrac{1}{2}\right)\lambda$ là cực tiểu.
8. $\dfrac{i'}{i}=\dfrac{D'/D}{a'/a}=\dfrac{2}{3}$, suy ra $i'=0{,}9\times\dfrac{2}{3}=0{,}6$ mm.
   Tiêu chí chấm: đúng công thức và điều kiện, đổi đơn vị đúng, lập luận ngắn gọn.

HS vận dụng công thức khoảng vân vào tình huống đo bước sóng ánh sáng và nêu được ứng dụng của giao thoa ánh sáng trong thực tế.

Nhóm dùng số liệu đo được trong hoạt động 3 (hoặc số liệu mô phỏng: a = 1 mm, D = 2 m, i = 1,3 mm) để tính bước sóng λ của laser, so sánh với nhãn ghi trên bút laser (nếu có) hoặc với giá trị 0,65 µm. Sau đó HS trả lời: (a) Vì sao có thể đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa? (b) Nêu hai ứng dụng thực tế của giao thoa ánh sáng được đề cập trong bài (đo bước sóng; lớp phủ chống phản xạ trên kính). (c) Nếu muốn vân rộng hơn trên màn, cần thay đổi a hoặc D như thế nào? Giải thích.

• Tính toán: $\lambda=\dfrac{ia}{D}=\dfrac{1{,}3\times10^{-3}\times1\times10^{-3}}{2}=0{,}65\times10^{-6}$ m = 650 nm (0,65 µm).
• Giải thích: khoảng vân tỉ lệ với bước sóng nên đo được i, a, D thì suy ra được λ.
• Ứng dụng: đo bước sóng ánh sáng; lớp phủ chống phản xạ trên kính dựa trên giao thoa để làm giảm phản xạ.
• Muốn vân rộng hơn: tăng D hoặc giảm a (vì i = λD/a).
• Kết luận: giao thoa là bằng chứng quan trọng cho bản chất sóng của ánh sáng và là công cụ đo đạc trong vật lí.