Trả lời nhanh
Hiện tượng giao thoa sóng ánh sáng chỉ quan sát được khi hai nguồn ánh sáng là hai nguồn kết hợp. Nghĩa là hai nguồn phát sóng có cùng tần số (cùng bước sóng trong cùng môi trường) và hiệu số pha dao động tại mỗi điểm không thay đổi theo thời gian. Chỉ khi đó các vân sáng, vân tối mới đứng yên và quan sát được.
Nguồn kết hợp là gì?
Hai nguồn sáng được gọi là kết hợp khi thoả mãn đồng thời hai điều kiện:
- Phát ra hai sóng có cùng tần số (ánh sáng đơn sắc có cùng bước sóng);
- Có hiệu số pha không đổi theo thời gian.
Khi hai sóng kết hợp gặp nhau, tại mỗi điểm trong vùng gặp nhau hiệu đường đi là một giá trị xác định nên điểm đó luôn sáng hoặc luôn tối. Đó chính là hệ vân giao thoa ổn định.
Vì sao phải là nguồn kết hợp?
Nếu hiệu số pha của hai nguồn thay đổi ngẫu nhiên và rất nhanh thì vị trí vân sáng, vân tối cũng “nhảy” liên tục. Mắt và các dụng cụ ghi chỉ thấy một vùng sáng đều, không thấy vân.
Hai bóng đèn dây tóc, hai ngọn nến hay hai đèn natri riêng biệt đều không phải nguồn kết hợp. Mỗi nguyên tử phát ra các đoạn sóng rất ngắn (cỡ 10-8 s), pha của các đoạn sóng này hoàn toàn độc lập giữa hai nguồn.
Muốn có nguồn kết hợp, người ta lấy cùng một nguồn rồi tách ánh sáng thành hai chùm. Trong thí nghiệm Y-âng, ánh sáng từ một khe hẹp S chiếu tới hai khe S1, S2. Hai khe này trở thành hai nguồn kết hợp vì cùng nhận sóng từ S.
Loại trừ các cách nói dễ nhầm
Trong đề trắc nghiệm, các phương án nhiễu thường là những tính chất “nghe có vẻ đúng”. Bạn đối chiếu như sau:
| Cách nói | Có đủ không? | Giải thích |
|---|---|---|
| Cùng màu sắc / đơn sắc | Chưa đủ | Hai đèn riêng biệt phát cùng một màu vẫn không giao thoa, vì độ lệch pha biến đổi hỗn loạn. |
| Cùng cường độ sáng | Không cần | Cường độ bằng nhau chỉ làm vân tối tối hẳn, vân rõ hơn. Khác cường độ vẫn có giao thoa. |
| Chuyển động ngược chiều, cùng độ sáng… | Sai | Không liên quan đến điều kiện về tần số và pha. |
| Kết hợp | Đúng | Đây là điều kiện cần và đủ về nguồn để có hình ảnh giao thoa ổn định. |
Mẹo nhớ: nghĩ đến “ổn định về pha”. Chữ “kết hợp” luôn đi với tần số bằng nhau và pha không đổi, không phải với màu hay độ sáng.
Công thức khoảng vân (nhắc lại)
Với thí nghiệm Y-âng, khoảng cách hai khe là a, khoảng cách từ hai khe tới màn là D, bước sóng λ:
- Khoảng vân: i = λD/a;
- Vị trí vân sáng: x = k·i (k = 0, ±1, ±2, …);
- Vị trí vân tối: x = (k + 1/2)·i.
Ví dụ tự đặt: λ = 0,6 μm, a = 1 mm, D = 2 m. Khi đó i = 0,6·10-6·2 / 10-3 = 1,2·10-3 m = 1,2 mm. Vân sáng bậc 3 cách vân trung tâm 3,6 mm.
Lỗi sai thường gặp
- Chọn “cùng màu sắc” hoặc “đơn sắc” vì nghĩ giao thoa cần một bước sóng. Điều này cần nhưng chưa đủ.
- Nhầm “cùng cường độ” là điều kiện bắt buộc.
- Nghĩ rằng chỉ cần hai đèn giống hệt nhau đặt cạnh nhau là có giao thoa.
Bài luyện tập
- Vì sao hai đèn laser riêng biệt cùng bước sóng đặt cạnh nhau thường không cho vân giao thoa ổn định?
Đáp án: hiệu số pha của hai nguồn độc lập thay đổi theo thời gian, nên chúng không phải nguồn kết hợp. - Trong thí nghiệm Y-âng, vai trò của khe S đặt trước hai khe S1, S2 là gì?
Đáp án: làm cho S1, S2 nhận sóng từ cùng một nguồn, nên trở thành hai nguồn kết hợp. - Cho λ = 0,64 μm, a = 2 mm, D = 1,5 m. Tính khoảng vân.
Đáp án: i = 0,64·10-6·1,5 / (2·10-3) = 0,48·10-3 m = 0,48 mm.
Câu hỏi thường gặp
Nguồn kết hợp là gì?
Là hai nguồn phát sóng có cùng tần số và hiệu số pha không đổi theo thời gian. Hai sóng từ các nguồn này gặp nhau sẽ tạo ra hệ vân giao thoa ổn định.
Hai nguồn sáng cùng màu có giao thoa được với nhau không?
Không chắc. Cùng màu chỉ cho biết bước sóng gần bằng nhau, còn pha của hai nguồn độc lập vẫn thay đổi ngẫu nhiên nên không có vân ổn định. Cần thêm điều kiện hiệu số pha không đổi.
Hai nguồn có cường độ khác nhau thì có giao thoa không?
Vẫn có giao thoa nếu hai nguồn kết hợp. Chỉ khác là vân tối không tối hẳn nên độ tương phản của vân giảm.
Làm thế nào để tạo ra hai nguồn sáng kết hợp?
Tách ánh sáng từ cùng một nguồn thành hai chùm, ví dụ dùng hai khe hẹp trong thí nghiệm Y-âng hoặc dùng laser chiếu qua hai khe.