KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG GIAO THOA HỆ VÂN TRÒN NEWTON

THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 2 PHẦN CHUẨN BỊ BÀI 6 KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG GIAO THOA HỆ VÂN TRÒN NEWTON 1 Mục đích Biết sử dụng các dụng cụ kính hiển vi đo lường, bộ thấu kính phẳng lồi tạo bản nêm không k.

THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG PHẦN CHUẨN BỊ BÀI 6: KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG GIAO THOA HỆ VÂN TRỊN NEWTON Mục đích Biết sử dụng dụng cụ: kính hiển vi đo lường, thấu kính ph ẳng-l ồi tạo nêm khơng khí, gương bán mạ phản xạ-truyền qua, ngu ồn sáng đơn sắc để quan sát tượng giao thoa cho vân tròn Newton ứng v ới ánh sáng đơn sắc khác Vận dụng kết đo để xác định bước sóng ánh sáng đơn sắc sai s ố phép đo Giới thiệu chung Hiện tượng giao thoa ánh sáng chứng thực nghiệm ch ứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng Hiện tượng giao thoa chia thành hai d ạng c giao thoa hai nguồn sáng điểm hay vân không định xứ giao thoa mỏng hay vân định xứ Hệ vân tròn Newton giao thoa mỏng Hệ quang cụ bao gồm thấu kính phẳng-lồi đặt tiếp xúc kính phẳng, lớp khơng khí gi ữa có bề dày thay đổi Khi chiếu chùm sáng song song vng góc l ớp khơng khí, ta quan sát thấy hệ vân giao thoa định xứ mặt cong thấu kính Hệ vân bao gồm vân tròn sáng-tối, đồng tâm, xa hệ vân sít l ại Bài thí nghi ệm tiến hành khảo sát hệ vân tròn Newton ứng dụng đ ể xác đ ịnh b ước sóng ánh sáng Các dụng cụ thí nghiệm sử dụng bao gồm: Hệ kính hiển vi tạo hệ vân tròn Newton Bộ nguồn đèn LED đơn sắc Tóm tắt lý thuyết Giao thoa ánh sáng tổng hợp hai hay nhiều sóng ánh sáng k ết hợp mà kết tạo trường giao thoa với vân sáng tối xen kẽ Những điểm cường độ sáng tăng cường gọi vân sáng, ểm cường độ sáng bị giảm bớt gọi vân tối (Nguyễn Trần Trác, 2005) Giao thoa cho hệ vân tròn Newton tượng giao thoa sóng sáng truyền qua nêm khơng khí nằm giới hạn mặt l ồi c m ột th ấu kính phẳng-lồi L đặt tiếp xúc với thuỷ tinh phẳng P nh hình 6.1 (Nguyễn Trần Trác, 2005) Hình 6.1 Hệ vân tròn Newton Nếu chiếu chùm sáng song song đơn sắc có bước sóng vng góc v ới mặt phẳng phẳng thuỷ tinh P tia sáng phản xạ từ mặt mặt nêm khơng khí giao thoa với nhau, tạo thành m ột h ệ vân sáng vân tối hình trịn đồng tâm nằm xen kẽ (Lương Dun Bình, 2007) Trong trường hợp này, hiệu quang lộ tia sáng phản xạ hai mặt nêm khơng khí vị trí ứng với độ dày d k bằng:   2d k  (6.1)  Đại lượng  / xuất ánh sáng truyền qua nêm khơng khí tới mặt bản, bị phản xạ mặt phẳng thuỷ tinh P, chiết quang khơng khí Khi    2k  1  với k = 0, 1, 2, 3, ta có cực ti ểu giao thoa, ứng v ới độ dày: dk  k  (6.2) Gọi R bán kính mặt lồi thấu kính L Vì d k  R , nên áp dụng hệ thức lượng tam giác vng Hình 6.1, ta tính bán kính rk vân tối thứ k: rk2   R  d k  d k  Rd k (6.3) Thay (6.2) vào (6.3), ta suy ra:  rk2 k R (6.4) Thực tế đạt tiếp xúc điểm mặt thấu kính phẳnglồi L mặt phẳng thuỷ tinh P, nên vân tối gi ữa h ệ vân trịn Newton khơng phải điểm mà hình trịn Vì th ế, đ ể xác đ ịnh xác bước sóng  ánh sáng đơn sắc, người ta áp dụng công thức (6.4) đối v ới 2 hai vân tối thứ k thứ i: rk  k  R ri  i R Từ suy ra: r  ri   k  i   R k hay  Bb  k  i R (6.5) B  rk  ri b  rk  ri đo thước trắc vi kính hiển vi 4 Chuẩn bị Nhiệm vụ học tập 1: Sinh viên quan sát dụng cụ thí nghiệm thực yêu cầu sau đây: Xác định tên công dụng phận đánh số từ đến Xác định độ chia nhỏ thước giá trị vạch du xích Xác định tên cơng dụng phận đánh số từ đến Bộ dụng cụ thí nghiệm vân trịn Newton STT Tên dụng cụ Giá cặp vật bàn Cơng dụng Nơi để đặt hệ thấu kính phẳng lồi cần quan sát, đặt mẫu giữ cố định dụng cụ tạo vân Dùng để nâng hạ thấp ống ngắm lên Núm vặn xuống theo phương thẳng đứng để nhìn thấy hệ Núm xoay vân trịn rõ nét Dùng để dịch chuyển ngang ống kính để giao điểm X vạch chữ thập trắc vi thị kính trùng với tâm hệ vân trịn Newton, có thước trắc vi Kính hiển vi đo lường Đèn chiếu ánh sáng đơn sắc (đỏ lục lam) ( 0÷50mm , độ xác 0,01mm) Dùng để quan sát hệ vân trịn Newton thơng qua việc nhìn vào ống ngắm Phát ánh sáng đơn sắc để tạo vân trịn Newton từ đo bước sóng ánh sáng Để tạo ánh sáng chiếu thẳng góc lên hệ thấu Gương bán mạ G kính phẳng lồi tạo vân tròn Newton đồng thời quan sát đo bán kính vân Xác định độ chia nhỏ thước giá tr ị c m ột v ạch du xích Mỗi độ chia nhỏ thước mm Giá trị vạch du xích 0,01 mm Nhiệm vụ học tập 2: Sinh viên hoàn thành yêu cầu sau đây: Vẽ sơ đồ đường truyền tia sáng để tạo hệ vân tròn Newton dụng cụ tạo hệ vân tròn Newton thí nghiệm Tiến hành điều chỉnh máy để nhìn thấy hệ vân trịn Newton rõ nét Trình bày cách chỉnh máy mô tả hệ vân quan sát Tiến hành điều chỉnh máy cho giao điểm X vạch chữ thập trắc vi thị kính trùng với tâm hệ vân trịn Newton, sau di chuy ển giao ểm X xa tâm cho giao điểm X chạy ngang theo đường kính hệ vân Vẽ sơ đồ đường truyền tia sáng để tạo hệ vân tròn Newton dụng cụ tạo hệ vân trịn Newton thí nghiệm Hình 6.2 Sơ đồ đường truyền tia sáng để tạo hệ vân trịn Newton Trong đó: T: thị kính, trước thị kính có thước trắc vi; G: gương bán mạ; V: vật kính; S: kính lọc sắc; Q: thấu kính hội tụ; Đ: đèn (nguồn sáng); L: thấu kính phẳng-lồi; P: phẳng thủy tinh (Tuy nhiên dụng cụ phịng thí nghiệm khơng có kính lọc sắc thấu kính hội tụ) Tiến hành điều chỉnh máy để nhìn thấy hệ vân trịn Newton rõ nét Trình bày cách chỉnh máy mơ tả hệ vân quan sát Bật đèn LED đỏ Nhìn vào kính ngắm Điều chỉnh vị trí đặt ngu ồn sáng góc nghiêng gương G để quan sát thấy hệ vân trịn đồng tâm Nếu quầng sáng khơng đều, di chuyển đèn chút Điều chỉnh hệ vân rõ nét Vặn từ từ núm để nâng dần ống ngắm N lên nhìn thấy hệ vân tròn Newton rõ nét Hướng dẫn cách đọc thước: Thước thước trắc vi  50 mm, du xích có độ xác 0,01mm; Hệ vân quan sát gồm vòng tròn đồng tâm sáng tối n ằm xen kẽ mặt nêm khơng khí 3 Tiến hành điều chỉnh máy cho giao điểm X vạch chữ thập trắc vi thị kính trùng với tâm hệ vân trịn Newton, sau di chuyển giao điểm X xa tâm cho giao điểm X chạy ngang theo đ ường kính h ệ vân Điều chỉnh núm xoay dịch chuyển ngang ống kính cho giao ểm X vạch chữ thập trắc vi thị kính trùng với tâm hệ vân tròn Newton Nếu hệ thống điều chỉnh xoay núm 3, giao điểm X chạy ngang theo đường kính hệ vân Nếu giao điểm X chạy chệch đ ường kính hệ vân, ta điều chỉnh cách nới vít xoay nhẹ ống kính trắc vi thị kính T đồng thời phối hợp điều chỉnh vị trí hộp H bàn đặt mẫu Nhiệm vụ học tập 3: Sinh viên hoàn thành yêu cầu sau đây: Trình bày ngắn gọn bước tiến hành thí nghiệm Để xác định bước sóng ánh sáng đèn LED, sinh viên cần đo đại lượng nào? Trình bày ngắn gọn bước tiến hành thí nghiệm Bước 1: Xoay núm cho giao điểm X nằm trùng với vị trí K vân tối thứ k (k = với qui ước hình trịn tối vân tối thứ 0) Đọc ghi toa độ xk vân tối thứ k thước thẳng phần lẻ du xích Bước 2: Xoay núm cho giao điểm X chạy đến vị trí I vân tối thứ i = Đọc ghi tọa độ xi điểm I Bước 3: Tiếp tục xoay núm cho giao điểm X chạy vị trí I’ K’ Đọc ghi tọa độ điểm Bước 4: Thực lại động tác lần Tính bước sóng ánh sáng ta bật Làm tương tự với LED xanh dương LED lục (Với LED đỏ k = 4, LED lục k = 5, LED xanh dương k = 6) Để xác định bước sóng ánh sáng đèn LED, sinh viên cần đo đại lượng nào? Vì khơng thể đạt tiếp xúc điểm giữ thủy tinh thấu kính nên vân tối trung tâm vệt hình trịn khơng phải điểm Vì khơng thể xác định xác tâm hệ vân nên ta khơng thể đo bán kính thơng qua tọa độ tâm hệ vân rìa đường trịn vân tối mà tìm đường kính vân tối thơng qua tọa độ hai rìa đường trịn vân tối Để xác định bước sóng ánh sáng đèn LED, sinh viên cần đo đại lượng: + Tọa độ xi , xk vị trí I K ứng với vân tối thứ i thứ k + Tọa độ xi' , x k' vị trí I’ K’ ứng với vân tối thứ i’ k’  ... sáng để tạo hệ vân tròn Newton dụng cụ tạo hệ vân trịn Newton thí nghiệm Tiến hành điều chỉnh máy để nhìn thấy hệ vân trịn Newton rõ nét Trình bày cách chỉnh máy mô tả hệ vân quan sát Tiến hành... tăng cường gọi vân sáng, ểm cường độ sáng bị giảm bớt gọi vân tối (Nguyễn Trần Trác, 2005) Giao thoa cho hệ vân tròn Newton tượng giao thoa sóng sáng truyền qua nêm khơng khí nằm giới hạn mặt... Vẽ sơ đồ đường truyền tia sáng để tạo hệ vân tròn Newton dụng cụ tạo hệ vân trịn Newton thí nghiệm Hình 6.2 Sơ đồ đường truyền tia sáng để tạo hệ vân trịn Newton Trong đó: T: thị kính, trước thị