Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ

--------o0o--------

NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG

NGHIÊN CỨU SỰ TRUYỀN ÁNH SÁNG
Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết

Người hướng dẫn khoa học: Ths. Phan Thị Thanh Hồng.

Hà Nội, 2012

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

1


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành khóa luận này, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ nhiệt
tình của các thầy cô.
Đầu tiên tôi muốn gửi lời cảm ơn tới ThS. Phan Thị Thanh Hồng là

người đã chỉ dẫn tận tình, tạo điều kiện tốt nhất giúp đỡ tôi hoàn thành khóa
luận này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong khoa Vật lý Trường
ĐHSP Hà Nội 2, những người đã giúp đỡ để tôi hoàn thành khóa luận này.
Trong quá trình hoàn thành khóa luận, tôi không tránh khỏi những thiếu
sót, rất mong được sự góp ý kiến của các thầy cô để khóa luận được đầy đủ
hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 5 năm 2012
Sinh viên

Nguyễn Thị Hồng Nhung

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

2


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong khóa luận này là
trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác. Tôi cũng xin cam đoan rằng
mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện khóa luận này đã được cảm ơn và các
thông tin trích dẫn trong khóa luận đã được ghi rõ nguồn gốc.

Hà Nội, tháng 5 năm 2012

Sinh viên

Nguyễn Thị Hồng Nhung

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

3


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài .............................................................................. 1
2. Mục đích nghiên cứu ........................................................................ 1
3. Nhiệm vụ nghiên cứu ....................................................................... 2
4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................. 2
5. Cấu trúc khóa luận ............................................................................ 2
NỘI DUNG
Chƣơng 1. Vận tốc ánh sáng .................................................................... 3
1.1 Cách xác định vận tốc ánh sáng bằng thực nghiệm ........................... 3
1.1.1 Cách đặt vấn đề của Galilei ..................................................... 3
1.2.2 Phương pháp của Rome ........................................................... 3

1.1.3.Thí nghiệm Michelson ............................................................. 5

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

4


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

1.2 Tính không đổi của vận tốc ánh sáng trong chân không ................... 8
1.2.1 Quan sát các sao đôi................................................................. 8
1.2.2 Thí nghiệm Michelson ............................................................. 10
1.3 Tính giới nội của vận tốc ánh sáng .................................................... 13
1.4 Kết luận chương 1 .............................................................................. 14
Chƣơng 2. Sự giao thoa ánh sáng ........................................................... 15
2.1 Định luật về tính độc lập của các chùm tia sáng ................................ 15
2.2 Sự giao thoa. Sự giao thoa và photon ................................................ 16
2.2.1 Sự giao thoa của các sóng cơ ................................................. 16
2.2.2 Giao thoa của các sóng âm....................................................... 18
2.2.3. Giao thoa của các sóng điện từ ............................................... 19
2.2.4 Giao thoa ánh sáng ................................................................... 20
2.2.5 Sự giao thoa và photon ............................................................ 24
2.3 Cơ cấu của sự tạo thành các sóng kết hợp trong các sóng kết hợp thí
nghiệm của Fresnel. Sự truyền năng lượng trong hiện tượng giao thoa ..... 25
2.3.1 Cơ cấu của sự tạo thành các sóng kết hợp trong các thí nghiệm
của Fresnel .......................................................................................... 25
2.3.2 Sự truyền năng lượng của hiện tượng giao thoa ...................... 26
2.4 Sự giao thoa trong các màng mỏng.................................................... 29

2.4.1 Những sự kiện thực nghiệm ..................................................... 29
2.4.2 Giải thích sự giao thoa trong các màng mỏng .......................... 31
2.5 Các cách xác định bước sóng ánh sáng .............................................. 37

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

5


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

2.5.1 Xác định bước sóng ánh sáng bằng phương pháp giao thoa . 37
2.5.2 Xác định bước sóng ánh sáng bằng phương pháp nhiễu xạ .. 41
2.6 Những ứng dụng của hiện tượng giao thoa ........................................ 41
2.6.1 Làm sáng quang hệ hay khử phản xạ..................................... 41
2.6.2 Phương pháp giao thoa để kiểm tra phẩm chất các bề mặt ... 44
2.6.3 Xác định met theo bước sóng ................................................ 44
2.7 Kết luận chương 2 ............................................................................... 44
Chƣơng 3. Nhiễu xạ ánh sáng .................................................................. 48
3.1 Bước chuyển tiếp từ sự nghiên cứu hiện tượng giao thoa sang nhiễu xạ.
Nguyên lý Huygens - Fresnel .......................................................... 48
3.2 Hai khe Young. ................................................................................... 49
3.3 Những thí nghiệm về nhiễu xạ. Sự nhiễu xạ và photon. ..................... 51
3.3.1 Những thí nghiệm về sự nhiễu xạ. ........................................... 51
3.3.2 Sự nhiễu xạ và photon ............................................................. 59
3.4 Nhiễu xạ của bức xạ Rontgen ............................................................. 61
3.4.1 Nhiễu xạ của bức xạ Rontgen trong đơn tinh thể .................... 61
3.4.2 Nhiễu xạ của bức xạ Rontgen trong chất đa tinh thể ............... 63

3.5 Kết luận chương 3 ............................................................................... 64
Chƣơng 4: Sự phân cực ánh sáng ............................................................ 65
4.1 Lý do cần nghiên cứu sự phân cực ánh sáng ...................................... 65
4.1.1 Lý do cần nghiên cứu sự phân cực ánh sáng ......................... 65
4.1.2 Thí nghiệm về sự phân cực .................................................... 66

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

6


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

4.2 Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực.Ứng dụng của ánh sáng
phân cực ...................................................................................... 71
4.2.1 Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực............................... 71
4.2.2 Ứng dụng của ánh sáng phân cực .......................................... 73
4.3 Kết luận chương 4 .............................................................................. 74
KẾT LUẬN .............................................................................................. 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................... 76

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

7


Trường ĐHSP Hà Nội 2


Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Vật lý học là một trong những môn khoa học nghiên cứu các quy luật
từ đơn giản đến tổng quát của tự nhiên. Quang học là phần quan trọng của vật
lý học, nó là môn học nghiên cứu về ánh sáng và nó đã chứng tỏ rằng ánh
sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt. Trong sự tiến bộ của khoa
học kỹ thuật hiện đại, quang học ứng dụng có giá trị to lớn trong các lĩnh vực
điện tử học, các phương tiện liên lạc, kỹ thuật ánh sáng, tự động học…
Nghiên cứu về sự truyền ánh sáng giúp chúng ta hiểu rõ hơn về tính
chất sóng của ánh sáng thông qua việc nghiên cứu các hiện tượng giao thoa
ánh sáng, nhiễu xạ ánh sáng và sự phân cực ánh sáng. Chính vì vậy việc
nghiên cứu, tìm hiểu các hiện tượng này để hiểu rõ hơn về bản chất của ánh
sáng là nhiệm vụ của người học vật lý nói riêng và của những người yêu thích
khoa học vật lý nói chung.
Hiện nay, trong nhiều giáo trình quang học, khi viết về các hiện tượng
của sự truyền ánh sáng còn chung chung và chưa làm rõ được tính chất sóng
của ánh sáng. Vì vậy, việc nghiên cứu làm rõ tính chất này thông qua nghiên
cứu về sự truyền của ánh sáng là rất cần thiết.
Xuất phát từ lòng yêu thích bộ môn quang học của bản thân, tôi thấy
rằng việc nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu sự truyền ánh sáng” là cần thiết
nhằm nâng cao hiểu biết riêng của bản thân tôi đồng thời cũng có thể làm tài
liệu tham khảo cho các bạn khác.
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu làm rõ tính chất sóng của ánh sáng thông qua việc nghiên
cứu các hiện tượng của sự truyền ánh sáng.

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng


8


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

3. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU
Để đạt được mục đích nghiên cứu cần thực hiện các nhiệm vụ sau:
 Tìm hiểu về vận tốc ánh sáng và tính chất của vận tốc ánh sáng.
 Nghiên cứu sự giao thoa của ánh sáng.
 Nghiên cứu về sự nhiễu xạ ánh sáng.
 Nghiên cứu về sự phân cực của ánh sáng.
4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
 Đọc, tra cứu tài liệu để xây dựng cơ sở lý thuyết.
 Sử dụng các biến đổi toán học.
5. CẤU TRÚC KHÓA LUẬN
Lời cảm ơn.
Lời cam đoan.
Mục lục.
Phần mở đầu:
 Lý do chọn đề tài.
 Mục đích nghiên cứu.
 Nhiệm vụ nghiên cứu.
 Phương pháp nghiên cứu.
 Cấu trúc khóa luận.
Phần nội dung:
 Chương 1: Vận tốc ánh sáng.
 Chương 2: Sự giao thoa ánh sáng.
 Chương 3: Nhiễu xạ ánh sáng.

 Chương 4: Sự phân cực ánh sáng.
 Kết luận.
Phần tài liệu tham khảo.

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

9


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

NỘI DUNG
CHƢƠNG 1: VẬN TỐC ÁNH SÁNG
1.1. Cách xác định vận tốc ánh sáng bằng thực nghiệm.
1.1.1. Cách đặt vấn đề của Galilei.
Phương pháp “đóng mở” quang học của Galilei là cơ sở của những
phương pháp đo vận tốc ánh sáng sau này.
Thí nghiệm của Galilei: hai quan sát viên đứng cách nhau không xa. Họ
giao ước với nhau, khi quan sát viên I mở đèn và ánh sáng đến quan sát viên
II, thì quan sát viên II mở đèn của mình và ánh sáng sẽ đến quan sát viên I. Có
thể dự đoán rằng nếu khoảng cách giữa hai quan sát viên lớn thì thời gian để
truyền được khoảng cách đó phải lớn hơn thời gian ánh sáng truyền được
khoảng cách bé. Điều đó chứng tỏ rằng ánh sáng có vận tốc giới nội. Nhưng ý
định đó không đem lại kết quả vì vào thời Galilei chưa có phương pháp đo
những khoảng thời gian ngắn vào hang phần triệu giây (micro giây).
Sơ đồ thí nghiệm của Galilei về nguyên tắc trùng với tất cả các phương
pháp đo trực tiếp vận tốc truyền của ánh sáng về sau này.
1.1.2. Phương pháp của Rome.

Khi khảo sát phương pháp của Rome ta cần đặc biệt chú ý vị trí tương
hỗ của mặt trời, Trái đất, sao Mộc và một trong những vệ tinh của nó
(hình 1.1)

Hình 1.1: Xác định vận tốc ánh sáng theo Rome.

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

10


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

Trong hai trường hợp – khi Trái đất trên quỹ đạo của mình ở gần sao
mộc hơn cả, và sau nửa năm,khi Trái đất xa sao Mộc hơn cả, nghĩa là khi
khoảng cách giữa hai hành tinh này lớn hơn một lượng bằng giá trị trung bình
của đường kính quỹ đạo Trái đất. Rơme quan sát sự che khuất của vệ tinh gần
nhất của sao Mộc (Galilei phát hiện được bốn vệ tinh lớn của sao Mộc). Sự
che khuất bắt đầu cứ sau mỗi 42,5 giờ (chu kỳ quay của sao Mộc). Tuy nhiên
đối với người aun sát đứng trên mặt đất, cùng với Trái đất, quay xung quanh
Mặt trời thì sự che khuất của vệ tinh sao Mộc bắt đầu chậm hơn. Thời gian
chậm lớn nhất là 1320 giây (theo số liệu chính xác là khoảng 996 giây). Thời
gian thêm này cần để ánh sáng đi được khoảng cách bằng bán kính quỹ đạo
Trái đất. Do đó vận tốc ánh sáng:

3.1011 m
v
 3.10 8 m / s

996s

(1.1)

Ta cần chú ý rằng, chu kỳ chuyển động của Trái đất là 365,25 ngày
đêm (1 năm), còn của sao Mộc là 12 năm.Vì vậy, khi Trái đất đi được một
nửa chiều dài quỹ đạo của mình (nghĩa là đi được cung tròn 180  ) thì sao
Mộc đi được 1/24 quỹ đạo của mình (nghĩa là cung tròn 15  ). Thời gian để
ánh sáng đi theo dây cung và đường kính của quỹ đạo Trái đất thực tế là như
nhau.
Rome là người đầu tiên chứng tỏ rằng, mặc dù vận tốc ánh sáng rất lớn,
nó vẫn có giới hạn. Phát minh của Rome xác nhận thuyết của Copecnic về
chuyển động của Trái đất.
Giá trị vận tốc ánh sáng tìm được là giá trị của vận tốc ánh sáng trong
chân không. Khi quan sát vệ tinh của sao Mộc lúc nó ra khỏi bóng tối của
hành tinh, người ta không phát hiện được nhưng hiệu ứng nào có liên quan tới
sự thay đổi màu sắc. Điều đó có nghĩa là trong chân không ánh sáng truyền
với vận tốc không phụ thuộc vào tần số.

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

11


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

1.1.3. Thí nghiệm Michelson.
Trong thí nghiệm này ta phải giải thích sự xuất hiện một cách tuần hoàn

ảnh của nguồn sáng trong thị trường của người quan sát.
Ta khảo sát ba vị trí của gương.
Ánh sáng từ nguồn S đập vào mặt 1 của gương tám mặt cố định (hình
1.2.1). Sau khi phản xạ tại gương ánh sáng truyền đi một đoạn l = 35373,21 m
đến vị trí tại đó nhờ một hệ thống gương, ánh sáng được phản xạ ngược lại
đến mặt 3. Khi đó quan sát viên thấy ảnh S’ của nguồn sáng.

Hình 1.2.1
Khi gương quay với tần số n < 526 vòng/giây, sau khi phản xạ ở mặt 1,
(hình 1.1.2) ánh sáng cũng đi qua hai lần quãng đường l, nhưng mặt phản xạ
của gương có vị trí làm cho ánh sáng truyền đến quan sát viên không rơi đúng
vào kính ngắm (hình 1.2.3). Vì vậy, ảnh của nguồn sáng biến mất.

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

12


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

Hình 1.2.2

Hình 1.2.3

Nhưng khi n = 526 vòng/giây thì trong khoảng thời gian đó gương
quay được 1/8 vòng. Khi đó cạnh 8 chiếm vị trí của cạnh 1, còn cạnh 2 chiếm
vị trí của cạnh 3 (hình 1.2.4). Quan sát viên lại nhìn thấy ảnh của nguồn sáng
đó.


Hình 1.2.4
Do đó:
Khi n < 526 vòng/giây: ảnh của nguồn sáng không có.
Khi n = 526 vòng/ giây: ảnh xuất hiện.
Khi 526 vòng/giây < n <2526 vòng/giây: ảnh không có.

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

13


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

Khi n=2526 vòng/giây: ảnh lại xuất hiện… Ánh sáng trên quãng đường
“đi” và “về” L=2l mất một thời gian, trong khoảng thời gian đó gương đã
quay được 1/8 vòng:

t

T
8

(1.2)

trong đó T là chu kỳ quay của gương.
Từ đó có thể biểu diễn vận tốc ánh sáng:


c

L 2l
2l


 16nl
1
t 1
T
8
8n

(1.3)

trong đó n là tần số quay của gương.
Vì l  35,4km cho nên:

c  16,526 s 1 .35,4km
c  2,98.10 5 km / s
Theo số liệu chính xác hiện nay thì: c  299792,5  0,4km / s nghĩa là
vận tốc ánh sáng được xác định với độ chính xác 0,0001%.
Người ta cũng đã xác định được vận tốc ánh sáng trong các môi trường
khác nhau. Foucault xác định vận tốc ánh sáng trong nước, vận tốc này bằng

22,3.108 m / s . Michelson cũng đo được vận tốc ánh sáng trong sulfua cacbon
lỏng, nó bằng 1,71.108 m / s .
Ta rút ra được kết luận: Việc xác định vận tốc ánh sáng bằng những
phương pháp khác nhau cho ta giá trị cùng bậc, và bằng khoảng


3.10 8 m / s ,vận tốc ánh sáng trong các môi trường luôn bé hơn trong chân
không. Vận tốc ánh sáng là một đại lượng rất lớn, nhưng có giới hạn.

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

14


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

1.2. Tính không đổi của vận tốc ánh sáng trong chân không.
Trong phần cơ học, ta đã biết vận tốc là một đại lượng tương đối, nó
phụ thuộc vào hệ quy chiếu.
Tuy nhiên Michelson đã làm thí nghiệm chứng minh rằng trong tự
nhiên có một vận tốc duy nhất không phụ thuộc vào hệ quy chiếu, vận tốc như
nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính, đó là vận tốc ánh sáng trong chân
8
không, bằng 3.10 m / s . Mục đích của thí nghiệm là phát hiện ra được “gió

ete”. Thí nghiệm này có ý nghĩa quyết định đối với thuyết đương đối và được
đánh giá là “vĩ đại nhất trong các kết quả phủ định của lịch sử khoa học”.
Việc giải thích vận tốc ánh sáng không phụ thuộc vào chuyển động của
nguồn sáng và của người quan sát cũng là một vấn đề quan trọng. Tần số mà
người quan sát thu nhận đượcphụ thuộc vào chuyền động của nguồn và của
người quan sát (hiệu ứng Dople). Tần số này phụ thuộc vào vận tốc tương đối
của chúng.
Tuy nhiên vận tốc ánh sáng trong chân không là không đổi, nó bằng


3.10 8 m / s . Bằng chứng về vận tốc ánh sáng không phụ thuộc vào chuyển
động của nguồn là việc quan sát các sao đôi và thí nghiệm so sánh vận tốc ánh
sáng truyền từ các bờ mép đối diện nhau của “đĩa Mặt trời” đến Trái đất.
1.2.1. Quan sát các sao đôi.
Sao đôi là một hệ vật lý, trong đó những sao này liên hệ với nhau bởi
lực hấp dẫn và tâm chung quay xung quanh khối tâm chung của chúng.
Khoảng cách giữa nhưng sao này bé hơn nhiều so với khoảng cách từ chúng
13
đến Trái đất (hơn 10 km ). Vận tốc dài của sao đó có độ lớn khoảng hàng

chục và hàng trăm kilomet trong một giây, còn chu kỳ quay từ một vài giờ
đến vài chục nghìn năm.

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

15


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

Để thuận tiện, ta giả sử khối lượng của sao S 1 bé hơn khối lượng của sao còn
lại S 2 nhiều lần. Khi đó có thể xem S 1 quay xung quanh S 2 (hình 1.3), nghĩa
là khối tâm chung ở bên trong ngôi sao S 2 . Chu kỳ quay của ngôi sao S 1 là T,
vận tốc dài là v.

Hình 1.3: Sao đôi
Theo giả thuyết của Walter Ritz, nếu thừa nhận vận tốc của ánh sáng và
nguồn được cộng theo hình học, thì ánh sáng từ vị trí I truyền đến người quan

sát trên Trái đất, cách ngôi sao khoảng l mất một thời gian:
t1 

l
cv

(1.4)

Và từ vị trí II, mất một thời gian:

1
l
t2  T 
2
cv

(1.5)

Ở vị trí I vận tốc của ánh sáng và ngôi sao trừ cho nhau còn ở vị trí II
các vận tốc này được cộng vào nhau.Ta khảo sát hai trường hợp.
1.2.1.1. Mặc dù c  v với khoảng cách đến các sao đôi lớn, có thể là

t 2  t1 :

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

16


Trường ĐHSP Hà Nội 2


Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý
l
1
l
 T
cv 2
cv

(1.6)

Trong trường hợp này, sao S 1 phải được nhìn thấy đồng thời ở các vị trí
I và II. Khi đó thay cho một sao đôi ta phải nhìn thấy sao ba. Nhưng điều đó
mâu thuẫn với thực tế.
1.2.1.2. Với chu kỳ T bé, có thể là t1  t 2 :
l
1
l
 T
cv 2
cv

(1.7)

Khi đó ánh sáng từ sao S 1 ở vị trí II đi đến sớm hơn từ vị trí I. Điều đó
không thể có: biến cố xảy ra sau không thể sớm hơn biến cố xảy ra trước.
Nếu chu kỳ T rất bé, như ở đây ta thừa nhận, thì có thể dự đoán ngôi
sao S 1 sẽ được nhìn thấy đồng thời ở các vị trí I và III. Nhưng trong thực tế
cũng không quaan sát được điều đó.
Do đó, giả thiết về vận tốc của ánh sáng và của ngôi sao là không đúng.

Điều đó có nghĩa là vận tốc ánh sáng không phụ thuộc vào chuyển động của
nguồn sáng.
1.2.2. Thí nghiệm Michelson.
Trên Trái đất đặt nguồn sáng S và cách nguồn sáng S một khoảng l đặt
một gương M (hình 1.4.1).

Hình 1.4.1: Ánh sáng truyền theo chiều chuyển động của Trái đất
và ngược lại.

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

17


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

Ánh sáng truyền đến gương theo chiều chuyên động của Trái đất, vận
tốc của Trái đất là 30 km/s. Sauk hi phản xạ tại gương, ánh sáng quay trở về
nguồn, ở đó có người quan sát.
Giả thiết rằng ánh sáng được truyền đi bời một môi trường vật lý không
trọng lượng (bởi “ete”) và trong môi trương ấy ánh sáng truyền với vận tốc c
đối với hệ quy chiếu đứng yên ưu tiên P, gắn liền với ete đứng yên. Trái đất
cũng chuyển động đối với môi trương đứng yên này với vận tốc v (như máy
bay đối với không khí). Thừa nhận giả thiết này, phải xem rằng vận tốc của
ánh sáng và của nguồn chuyển động cùng với Trái đất được cộng theo hình
học. Điều đó có nghĩa là vận tốc ánh sáng đối với Trái đất không bằng c. Nếu
chiều truyền của ánh sáng và của chuyển động Trái đất là trùng nhau, thì thời
gian để ánh sáng đi từ nguồn đến gương bằng

(và đến người quan sát) bằng

l
còn từ gương đến nguồn
cv

l
cv

Vì vậy thời gian để ánh sáng “đi” và “về” được tính:
t

l
l
2lc

 2
c  v c  v c  v2

(1.8)

Chia cả tử số và mẫu số của phân số cho c 2 , ta có:
t

2l
.
c

1
v2

1 2
c

(1.9)

Giữ không đổi vị trí tương đối của nguồn sáng và gương, người ta quay
toàn bộ thiết bị trong mặt phẳng nằm ngang một góc 90  . Khi đó ánh sáng đi
qua khoảng cách SM’ và sau khi phản xạ từ gương quay trở về người quan
sát. Trong thời gian đó người quan sát cùng với Trái đất đã đi được đoạn
đường SS’= vt 1 (hình 1.4.2). Bây giờ ánh sáng truyền đi vuông góc với
phương chuyển động của Trái đất.

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

18


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

Hình 1.4.2: Ánh sáng truyền vuông góc với phương chuyển động
của Trái đất.
Quãng đường mà ánh sáng “đi” và “về” sẽ bé hơn quãng đường khi chuyển
động của ánh sáng và của Trái đất song song nhau.thời gian để ánh sáng
truyền được quãng đường 2l 1 bằng:
t1 

nhưng
Vì vậy

hay

2l1
c

(1.10)

 vt 
l l  1 
 2 
2
1

2

2

(1.11)

c 2 l12
v 2 t12
2
l 
4
4






t12 2
c  v2  l 2
4

(1.13)

Từ đó

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

(1.12)

19


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý
4l 2
t  2 2 
c v
2
1



t1 

4l 2
 v2 

c 1  2 
 c 
2

(1.14)

2l
v2
c 1 2
c

(1.15)

=>Tỉ số
v2
t1
2l
2l
c2

:

t
 v2 
v2
v2


c 1  2 c1  2 
1 2

c
c
 c 
1

t1
v2
v2
Nhân cả tử và mẫu với 1  2 , ta có:  1  2
t
c
c

(1.16)

(1.17)

Vì v < c nên t 1 < t
Tuy nhiên các phép đo của Michelson trong thí nghiệm với giao thoa
kế không phát hiện được hiệu số thời gian này. Từ đó rút ra kết luận về sự
không đúng của các giả thiết nói ở trên. Điều có có nghĩa là không có hệ quy
chiếu ưu tiên đứng yên để có thể đo vận tốc ánh sáng đối với hệ đó.
Như vậy ta rút ra được kết luận: vận tốc ánh sáng là một đại lượng
tuyệt đối, bất biến đối với mọi hệ quy chiếu quán tính và không phụ thuộc vào
chuyển động của nguồn và của người quan sát.
1.3. Tính giới nội của vận tốc ánh sáng.
Ta đã biết vận tốc ánh sáng trong chân không là giá trị giới hạn của tất
cả các vận tốc chuyển động có thể có của vật. Mọi vật chuyển động với vận
tốc bé hơn vận tốc c. Điều đó được giải thích là do khối lượng của vật tăng
lên cùng với vận tốc theo định luật:


Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

20


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý
m

m0
1

v2
c2

(1.18)

Trong đó m0 và m là khối lượng tĩnh và khối lượng chuyển động, v và c
là vận tốc ánh sáng (trong chân không). Ta sẽ giải thích như sau:
Nếu v  c thì

v2
 1 và giá trị của m tăng rất lớn (hình 1.5)
c2

Hình 1.5: Đồ thị của sự phụ thuộc

v

m0
vào .
m
c

1.4. Kết luận chƣơng 1.
Qua chương 1: “Vận tốc ánh sáng” ta đã tìm hiểu về cách xác định
vận tốc ánh sáng bằng thực nghiệm, chứng minh được tính không đổi của vận
tốc ánh sáng trong chân không và tìm được giá trị giới nội của vận tốc ánh
sáng.

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

21


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

CHƢƠNG 2: SỰ GIAO THOA ÁNH SÁNG
2.1. Định luật về tính độc lập của các chùm tia sáng.
Định luật về tính độc lập của các chùm tia sáng: các chùm tia sáng khi
truyền từ những nguồn sáng khác nhau không ảnh hưởng lẫn nhau. Chúng
truyền qua cùng một miền của không gian không làm nhiễu lẫn nhau, không
làm sai lệch nhau.
Xét thí nghệm sau: hai đèn chiếu được đặt sao cho các quang trục của
chúng làm với nhau một góc bất kỳ. Hai phim dương bản có nội dung khác
nhau được chiếu lên hai màn ảnh (hình 2.1). Khi các chùm tia sáng cắt nhau
trên màn vẫn không bị sai lệch. Chúng vẫn giống như khi chiếu từng phim

riêng rẽ.

Hình 2.1: thí nghiệm minh họa nguyên lý chồng chất.
Ta đi giải thích cường độ sáng trong không gian tại chỗ các chùm tia
sáng sẽ cắt nhau như thế nào?

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

22


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

Sự dịch chuyển của mỗi hạt trong môi trường có hai sóng truyền qua
được xác định bởi tổng hình học các độ dịch chuyển của các dao động thành
phần. Bình phương biên độ dao động tổng hợp:
A 2  a12  a 22  2a1 a 2 cos 

(2.1)

Trong đó a 1 và a 2 là biên độ của dao động thành phần,  là hiệu số
giữa chúng.
Tại chỗ gặp nhau của các song, hiệu số pha của chúng luôn luôn thay
đổi, giá trị trung bình của cos  tính cho một số lớn chu kỳ bằng không. Vì
vậy:
A 2  a12  a 22

(2.2)


Cường độ sáng tỉ lệ với bình phương biên độ các dao động sáng. Vì
vậy, cũng như trong trường hợp dao động cơ học, khi hiệu số pha biến đổi
nhanh thì tại chỗ gặp nhau của hai chùm tia sáng với cường độ i 1 và i 2 cường
độ sáng tổng hợp sẽ bằng tổng các cường độ của chúng.

I  i1  i2

(2.3)

Nếu i 1 =i 2 =i thì: I=2i

(2.4)

2.2. Sự giao thoa. Sự giao thoa và photon.
2.2.1. Sự giao thoa của các sóng cơ.
Tại một đầu mút của một miếng thép ta gắn hai ngòi rung. Đầu kia
được gắn vào thành bên của bể sóng nhờ một cái kẹp. Khi miếng thép dao
động thì cả hai ngòi rung thực hiện dao động đồng bộ và cùng pha.Hai ngòi
rung được nhúng vào chất lỏng đồng thời và rút ra đồng thời. Kết quả là hai
hệ sóng mặt đồng tâm được tạo thành. Chúng chồng chất lên nhau tạo thành
hình ảnh giao thoa bền vững theo thời gian trên mặt phẳng (hình 2.2).

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

23


Trường ĐHSP Hà Nội 2


Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

Hình 2.2: Sự giao thoa của hai hệ sóng tròn.
Khi rút ngắn phần dao động của miếng thép bằng cách dịch chuyển nó
trong cái kẹp, ta có thể làm thay đổi tần số dao động của các ngòi rung, có
nghĩa là cả độ dài của các sóng mặt. Khi đó các hình ảnh giao thoa bền vững
cũng được tạo thành, nhưng khoảng cách giữa các cực đại và cực tiểu bé hơn.
Trình tự của thí nghiệm được tiến hành như sau: Trước hết ta quan sát các
sóng thu được nhờ ngòi rung thứ nhất, sau đó đến ngòi rung thứ hai, tiếp theo
ta kích thích cả hai ngòi rung và quan sát hình ảnh giao thoa do sự chồng chất
của hai hệ sóng tròn. Có thể quan sát được hình ảnh giao thoa vào thời điểm
nhất định bằng cách dùng máy hoạt nghiệm cơ học hay điện tử.
Các dao động được tăng cường tại những điểm mà ở đó hiệu số đường đi của
hai sóng

x

bằng một số chẵn lần nửa bước sóng.
x  2n


 n
2

(2.5)

hay hiệu số pha của hai sóng thành phần bằng:   2n

(2.6)


Các dao động sẽ bị yếu đi, nếu hiệu số đường đi bằng một số lẻ lần nửa bước
sóng.
x  2n  1


2

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

(2.7)

24


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hồng Nhung - K34D- Vật Lý

hay nếu hiệu số pha của hai sóng thành phần bằng:   2n  1 .

(2.8)

Trong đó n=0, 1, 2, 3,…
Tại mỗi điểm trong trường giao thoa hiệu số pha giữa hai sóng đạt đến
điểm đó giữ không đổi theo thời gian. Hiệu số pha như nhau và không đổi đối
với tất cả các điểm của các cực đại (hay cực tiểu) ứng với giá trị n cho trước.
Nói chung tại những điểm khác nhau của trường giao thoa hiệu số pha không
như nhau.
2.2.2. Giao thoa của các sóng âm.
Ta mắc hai loa 2 và 3 vào một máy phát âm 1 và hướng chúng vào một

căn phòng. Các loa đặt cách nhau từ 1 đến 1,5 m và ở độ cao khoảng 2 m
(hình 2.3). Các loa được kích thích không mạnh lắm bằng dòng xoay chiều
tần số 2000 Hz đến 3000 Hz. Bằng thính giác ta có thể nhận biết được các
miền giao thoa trong căn phòng bằng cách ta lấy tay bịt một lỗ tai, còn đầu
đưa qua trái hay qua phải. Thí nghiệm tiến hành theo thứ tự mắc lần lượt máy
phát âm vào các loa sau đó mắc vào cả hai loa. Cần chú ý tránh sự phản xạ
mạnh của âm trên tường làm sai lệch trường giao thoa.

Hình 2.3: Thí nghiệm về giao thoa sóng âm: dấu cộng – khuếch đại,
dấu trừ - tắt âm.

Nghiên cứu sự truyền ánh sáng

25