Bài giảng Dao động và Sóng (Phần 12)

4.3 Các hiệu ứng giao thoa Nếu bạn nhìn vào mặt trước của một cặp ống nhòm chất lượng cao, bạn sẽ để ý thấy một lớp phủ màu hơi xanh trên các thấu kính.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Dao động và Sóng (Phần 12) Bài giảng Dao động và Sóng (Phần 12) 4.3 Các hiệu ứng giao thoa Nếu bạn nhìn vào mặt trước của một cặp ống nhòm chất lượng cao, bạn sẽđể ý thấy một lớp phủ màu hơi xanh trên các thấu kính. Ở đây rõ ràng sự phản xạlà không ai trông đợi – chúng ta muốn ánh sáng đi vào trong ống nhòm – nhưng từtrước đến giờ tôi đã mô tả sự phản xạ là một hiệu ứng không thể thay đổi của tựnhiên, chỉ tùy thuộc vào tính chất của hai môi trường sóng. Lớp phủ ngoài khônglàm thay đổi tốc độ ánh sáng trong không khí hay trong thủy tinh, vậy làm thế nàonó có thể hoạt động ? Vấn đề là bản thân lớp phủ ngoài là một môi trường sóng.Nói cách khác, chúng ta có ba lớp sandwich vật liệu: không khí, lớp phủ ngoài, vàthủy tinh. Chúng ta sẽ phân tích cách thức lớp phủ ngoài hoạt động, không phải vìcác lớp phủ quang là một phần quan trọng của chương trình học của bạn, mà vì nómang lại một ví dụ tốt cho những hiện tượng chung của các hiệu ứng giao thoasóng. Có hai mặt tiếp giáp khác nhau giữa các môi trường: một ranh giới khôngkhí-lớp phủ và một ranh giới lớp phủ-thủy tinh. Để cho dễ hình dung, hãy bắt đầubằng cách xét một hệ tương đương gồm ba đoạn dây không giống nhau buộc lạivới nhau, và một dạng sóng lúc ban đầu gồm một xung đơn lập. Hình l/1 cho thấyxung tới chuyển động qua sợi dây nặng, trong đó vận tốc của nó thấp. Khi nó đi tớisợi dây nhẹ hơn ở chính giữa, một môi trường nhanh hơn, nó bị phản xạ một phầnvà một phần truyền qua. (Xung truyền qua lớn hơn, tuy vậy nó chỉ có một phần củanăng lượng ban đầu) Xung truyền qua bởi ranh giới thứ nhất sau đó bị phản xạmột phần và một phần truyền qua bởi ranh giới thứ hai, 3. Trong hình 4, hai xungtrên đường truyền trở về bên trái, và một xung tiến sang bên phải. (Vẫn có mộtxung yếu bắt giữa hai ranh giới, và xung này sẽ chạy tới lui, nhanh chóng yếu đi rấtnhiều để phát hiện vì nó thất thoát năng lượng ra bên ngoài với từng sự phản xạmột phần). Hãy lưu ý làm thế nào, trong hai xung phản xạ ở hình 4, một xung bị lộnngược và một xung không lộn ngược. Một xung chịu sự phản xạ tại ranh giới thứnhất (phản xạ trở vào môi trường chậm hơn không bị lộn ngược), còn xung kia bịphản xạ tại ranh giới thứ hai (phản xạ trở lại môi trường nhanh hơn bị lộn ngược). Bây giờ hãy tưởng tượng chuyện gì sẽ xảy ra nếu như dạng sóng tới là mộtđoàn sóng sin dài thay vì một xung đơn lẻ. Hai sóng đầu tiên xuất hiện trở lại vềbên trái có thể cùng pha, m/1, hoặc ngược pha, 2, hoặc bất kì trường hợp nào giữahai trường hợp đó. Lượng trễ pha giữa chúng tùy thuộc hoàn toàn vào chiều rộngcủa đoạn dây chính giữa. Nếu chúng ta chọn chiều rộng của đoạn dây chính giữahợp lí, thì chúng ta có thể sắp xếp cho sự giao thoa triệt tiêu xảy ra, 2, với sự khửnhau mang lại một sóng phản xạ rất yếu. Toàn bộ phân tích này áp dụng trực tiếp cho trường hợp ban đầu của chúngta về các lớp tránh quang học. Ánh sáng khả kiến phát ra từ đa số các nguồn thậtsự gồm một dòng của các đoàn sóng dạng sin ngắn như sóng đã vẽ ở hình bên. Sựkhác biệt thật sự duy nhất giữa ví dụ sóng trên sợi dây và trường hợp lớp trángquang học là môi trường thứ nhất và thứ ba là không khí và thủy tinh, trong đó ánhsáng không có vận tốc bằng nhau. Tuy nhiên, kết quả nói chung là không đổi chừngnào mà không khí và thủy tinh có tốc độ sóng ánh sáng đều lớn hơn tốc độ ánhsáng của lớp tráng hoặc đều nhỏ hơn tốc độ ánh sáng của lớp tráng. Kinh doanh các lớp tráng quang học hóa ra là một công việc rất bí quyết, vớivô số bí mật thương mại và các kĩ thuật “thần kì đen tối” trao tay từ ông chủ tới kẻhọc nghề. Tuy vậy, các ý tưởng mà bạn đã học được về sóng nói chung là đủ để chophép bạn đi đến một số kết luận rõ ràng mà không cần đến bất cứ kiến thức kĩthuật nào khác. Các câu hỏi tự kiểm tra và câu hỏi thảo luận (J) sẽ hướng bạn theonhững dòng suy nghĩ này. Ví dụ về một lớp tráng quang là tiêu biểu cho sự đa dạng của các hiệu ứnggiao thoa sóng. Với một chút hướng dẫn, giờ thì bạn đã sẵn sàng tự tìm hiểu nhữngví dụ khác như hình ảnh cầu vồng tạo ra bởi một đĩa compact, một lớp dầu trênvũng nước, hay một bong bóng xà phòng. k/ Nhìn từ góc độ này, lớp phủ quang ngoài trên các thấu kính của cái ống nhòm này có vẻ màu tía và xanh lá. (Màu sắc thay đổi tùy thuộc vào góc độ nhìnlớp phủ ngoài, và góc nhìn thay đổi qua khắp mặt của các thấu kính do sự cong của chúng) l/ Một sợi dây gồm ba đoạn, đoạn chính giữa nhẹ hơn. m/ Hai sóng phản xạ, chồng lên nhau. Một sóng phản xạ bị lộn ngược. n/ Bong bóng xà phòng biểu hiện hiệu ứng giao thoa 1. Màu sắc tương ứng với bước sóng của các sóng ánh sáng. Hỏi người ta cóthể chọn chiều dày cho một lớp tráng quang sẽ tạo ra sự giao thoa triệt tiêu đối vớitất cả màu sắc của ánh sáng hay không ? 2. Làm thế nào bạn có thể giải thích các màu cầu vồng trên bọt xà phòngtrong hình n ? A. Có thể nào thu được sự giao thoa triệt tiêu hoàn toàn trong một lớp trángquang, ít nhất là đối với ánh sáng có một bước sóng nhất định nào đó, hay không ? B. Ánh sáng Mặt trời gồm các đoàn sóng dạng sin chứa trên bậc một trămchu kì, đối với chiều dài cỡ một phần mười của milimet. Điều gì xảy ra nếu bạn thửchế tạo một lớp tráng quang dày hơn chiều dài này ? C. Giả sử bạn lấy hai miếng bản soi kính hiển vi và đặt miếng này chồng lênmiếng kia sao cho một trong các gờ của nó nằm trên gờ tương ứng của miếng kia.Nếu bạn chèn một mảnh giấy hay một sợi tóc tại đầu đối diện, thì một lớp khôngkhí hình nêm sẽ tồn tại ở chính giữa, với bề dày thay đổi đều từ đầu này sang đầukia. Bạn sẽ muốn trông thấy điều gì nếu các bản soi được chiếu sáng từ phía trênbởi ánh sáng thuộc một màu đơn sắc ? Cái bạn nhìn thấy này sẽ thay đổi như thếnào nếu bạn nâng phía đầu thấp của bản soi phía trên lên cho đến khi cuối cùng ...