Bài giảng vật lý 2 và thí nghiệm

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG ========== BÀI GIẢNG MƠN HỌC VẬT LÝ VÀ THÍ NGHIỆM Biên soạn: TS VÕ THỊ THANH HÀ TS NGUYỄN THỊ THÖY LIỄU HÀ NỘI – 2013 Lời nói đầu LỜI NĨI ĐẦU Việc đào tạo đại học cao đẳng theo mơ hình Tín nhằm kích thích tính độc lập, sáng tạo tự học sinh viên, nâng cao trình độ ngƣời học thời kỳ hội nhập Tuy nhiên để thực đƣợc mục đính ngƣời dạy ngƣời học phải có đủ trang thiết bị cần thiết mà trƣớc hết giáo trình, tài liệu tham khảo Theo chƣơng trình cải cách giáo dục Bộ Giáo dục Đào tạo thông qua (1990) đề cƣơng Vật lý đại cƣơng đƣợc Học viện Cơng nghệ Bƣu Viễn thơng thơng qua ngày 26 tháng năn 2009, để có tài liệu sát với chƣơng trình đào tạo cho sinh viên hệ đại học quy Học viện chúng tơi viết giảng Bộ giảng gồm có:  Tập BÀI GIẢNG VẬT LÍ VÀ THÍ NGHIỆM: Ts Lê Thị Minh Thanh, ThS Hoàng Thị Lan Hƣơng ThS Vũ Hồng Nga biên soạn năm 2010 Dùng cho Sinh viên năm thứ ngành Điện tử - Viễn thông Công nghệ thông tin  Tập BÀI GIẢNG VẬT LÍ VÀ THÍ NGHIỆM: TS Võ Thị Thanh Hà TS Nguyễn Thị Thúy Liễu biên soạn năm 2011 Dùng cho sinh viên năm thứ 2, chuyên ngành Điện tử - Viễn thông  Tập BÀI GIẢNG VẬT LÍ VÀ THÍ NGHIỆM: TS Võ Thị Thanh Hà TS Nguyễn Thị Thúy Liễu biên soạn năm 2011 Dùng cho sinh viên năm thứ 2, chuyên ngành Công nghệ thông tin  Tập BÀI GIẢNG VẬT LÍ ĐẠI CƢƠNG: TS Lê Thị Minh Thanh TS Nguyễn Thị Thúy Liễu biên soạn Dùng cho sinh viên năm thứ 1, chuyên ngành Công nghệ Đa phƣơng tiện Sau năm sử dụng, để phù hợp với nhu cầu trình độ Sinh viên theo mơ hình tín Năm 2013 tập giảng đƣợc hiệu chỉnh lại Tập giảng Vật lý thí nghiệm TS.Nguyễn Thị Thúy Liễu ThS Hoàng Thị Lan Hƣơng hiệu chỉnh Tập giảng vật lý giúp cho sinh viên trang bị kiến thức bản, có sở vật lý để tiếp tục học môn chuyên ngành Điện tử- Viễn thơng Nội dung gồm có 10 chƣơng thí nghiệm Chƣơng trình bày dao động sóng làm sở cho quang học sóng Tiếp theo chƣơng 2, 3, 4, thể hiện tƣợng đặc trƣng cho tính chất sóng ánh sáng giao thoa, nhiễu xạ, tán sắc, hấp thụ, tán xạ phân cực ánh sáng Chƣơng nói đến phụ thuộc vào chuyển động không gian, thời gian khối lƣợng vật chuyển động với vận tốc gần vận tốc ánh sáng Chƣơng thể tính chất hạt ánh sáng tƣợng: Bức xạ nhiệt, tƣợng quang điện hiêụ ứng Compton Chƣơng cung cấp kiến thức chuyển động vật thể vi mô giới vi mô, giúp giải nhiều vấn đề có liên quan đến tính chất vật lý vật chất mức độ sâu sắc Chƣơng vận dụng kết học lƣợng tử để nghiên cứu phổ đặc tính nguyên tử Chƣơng 10 nghiên cứu vật rắn chất bán dẫn Trong chƣơng lí thuyết có: Mục đích, u cầu giúp sinh viên nắm đƣợc trọng tâm chƣơng; Tóm tắt nội dung giúp sinh viên nắm bắt đƣợc vấn đề đặt ra, hƣớng giải Lời nói đầu kết cần nắm vững; Câu hỏi lí thuyết giúp sinh viên tự kiểm tra phần học hiểu mình; Bài tập giúp sinh viên tự kiểm tra khả vận dụng kiến thức lí thuyết để giải tốn cụ thể Các thí nghiệm Vật lý cho thấy đƣợc chất lƣỡng tính sóng- hạt ánh sáng ứng dụng thực tế nói chung chuyên ngành nói riêng q trình sóng, q trình điện- quang, quang - điện Tập thể biên soạn hy vọng với giảng bạn sinh viên đạt kết tốt trình học tập mơn Vật lý đại cƣơng Trong q trình viết giảng nhận đƣợc động viên, khích lệ Học viện Cơng nghệ Bƣu Viễn thơng góp ý q báu cán giảng dạy môn Vật lý Chúng xin chân thành cám ơn giúp đỗ quý báu Trong q trình biên soạn, khơng thể tránh khỏi thiếu sót Chúng tơi mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến đồng nghiệp bạn đọc NHÓM TÁC GIẢ MỤC LỤC Chƣơng 1: DAO ĐỘNG VÀ SÓNG………………………………………………… 11 A Dao động……………………………………………………………………… 11 1 Dao động cơ…………………………………………………………………… 11 1 Dao động điều hòa…………………………………………………………… 11 1 Dao động tắt dần…………………………………………………………… 12 1 Dao động cƣỡng bức………………………………………………………… 14 15 Dao động điện từ……………………………………………………………… Dao động điện từ điều hoà……………………………………………………… 15 2 Dao động điện từ tắt dần………………………………………………………… 17 Dao động điện từ cƣỡng bức…………………………………………………… 19 22 Sự tổng hợp dao động………………………………………………………… Tổng hợp hai dao động điều hòa phƣơng, tần số…………………… 22 Tổng hợp hai dao động điều hịa có phƣơng vng góc, tần số…………… 23 B Sóng …………………………………………………………………………… 26 1 Sóng cơ, sóng âm hiệu ứng Doppler……………………………………… 26 1 Một số khái niệm sóng……………………………………………… 26 1 Sóng cơ………………………………………………………………………… 27 1 Sóng âm hiệu ứng Doppler………………………………………………… 31 34 Sóng điện từ………………………………………………………………… Thí nghiệm Hertz tạo sóng điện từ……………………………………… 34 Những tính chất sóng điện từ……………………………………………… 35 HƢỚNG DẪN HỌC CHƢƠNG 1…………………………………………………… 37 I Mục đích, u cầu……………………………………………………………… 37 II Tóm tắt nội dung ……………………………………………………………… 38 III Câu hỏi lý thuyết………………………………………………………………… 42 IV Bài tập…………………………………………………………………………… 44 Chƣơng 2: GIAO THOA ÁNH SÁNG……………………………………………… 48 48 Cơ sở quang học sóng…………………………………………………… 1 Thuyết điện từ ánh sáng Maxwell……………………………………… 49 2 Quang lộ………………………………………………………………………… 49 Định lý Malus quang lộ……………………………………………………… 50 Hàm sóng ánh sáng……………………………………………………………… 50 Cƣờng độ ánh sáng……………………………………………………………… 51 Nguyên lý chồng chất sóng………………………………………………… 51 Nguyên lý Huyghen- Fresnel…………………………………………………… 51 2 52 Hiện tƣợng giao thoa ánh sáng……………………………………………… 2 Định nghĩa……………………………………………………………………… 52 2 Khảo sát tƣợng giao thoa………………………………………………… 52 Giao thoa gây mỏng……………………………………………… 57 Thí nghiệm Lloyd…………………………………………………………… 57 Giao thoa gây mỏng…………………………………………………… 58 Các ứng dụng tƣợng giao thoa……………………………………… 62 Kiểm tra mặt kính phẳng lồi………………………………………………… 63 Khử phản xạ mặt kính……………………………………………………… 63 Giao thoa kế Rayleigh…………………………………………………………… 64 4 Giao thoa kế Michelson………………………………………………………… 65 HƢỚNG DẪN HỌC CHƢƠNG 2…………………………………………………… 62 I Mục đích, yêu cầu……………………………………………………………… 62 II Tóm tắt nội dung………………………………………………………………… 66 III Câu hỏi lý thuyết………………………………………………………………… 69 IV Bài tập…………………………………………………………………………… 70 Chƣơng 3: NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG………………………………………………… 77 Hiện tƣợng nhiễu xạ ánh sáng………………………………………………… 77 Nhiễu xạ ánh sáng sóng cầu……………………………………………… 79 Phƣơng pháp đới cầu Fresnel…………………………………………………… 79 2 Nhiễu xạ qua lỗ tròn…………………………………………………………… 80 3 Nhiễu xạ qua đĩa tròn……………………………………………………… 81 3 82 Nhiễu xạ gây sóng phẳng Cách tử nhiễu xạ…………………………… 3 Nhiễu xạ ánh sáng sóng phẳng qua khe hẹp…………………………… 82 3 Nhiễu xạ sóng phẳng qua nhiều khe – Cách tử nhiễu xạ…………………… 84 3 Nhiễu xạ tinh thể…………………………………………………………… 87 HƢỚNG DẪN HỌC CHƢƠNG 3…………………………………………………… 88 I Mục đích, u cầu……………………………………………………………… 88 II Tóm tắt nội dung……………………………………………………………… 88 III Câu hỏi lý thuyết……………………………………………………………… 92 IV Bài tập………………………………………………………………………… 92 Chƣơng 4: TÁN SẮC, HẤP THỤ VÀ TÁN XẠ ÁNH SÁNG …………………… 97 97 Sự tán sắc ánh sáng………………………………………………………… 1 Hiện tƣợng tán sắc lăng kính……………………………………………… 97 Đƣờng cong tán sắc độ tán sắc……………………………………………… 98 Sự hấp thụ ánh sáng………………………………………………………… 100 Hiện tƣợng hấp thụ ánh sáng …………………………………………………… 100 2 Giải thích theo quan điểm cổ điển ……………………………………………… 100 Ðịnh luật Bouguer hấp thụ ánh sáng …………………………………… 100 Lý thuyết tán sắc hấp thụ ánh sáng………………………………… 102 4 Sự tán xạ ánh sáng…………………………………………………… 105 4 Hiện tƣợng tán xạ ánh sáng……………………………………………………… 105 4 Tán xạ Tyndall………………………………………………………………… 106 4 Tán xạ phân tử………………………………………………………………… 108 4 Tán xạ Raman………………………………………………………………… 109 4 Tán xạ Mandelstam – Brillouin………………………………………………… 111 112 Cầu vồng…………………………………………………………………… HƢỚNG DẪN HỌC CHƢƠNG 4…………………………………………………… 114 I Mục đích, yêu cầu……………………………………………………………… 114 II Tóm tắt nội dung………………………………………………………………… 114 III Câu hỏi lý thuyết………………………………………………………………… 117 Chƣơng 5: PHÂN CỰC ÁNH SÁNG………………………………………………… 119 119 Sự phân cực ánh sáng………………………………………………………… 1 Ánh sáng tự nhiên……………………………………………………………… 119 Ánh sáng phân cực……………………………………………………………… 120 Định luật Malus phân cực ánh sáng………………………………………… 120 Sự phân cực ánh sáng phản xạ khúc xạ…………………………………… 122 Phân cực lƣỡng chiết……………………………………………………… 123 Tính lƣỡng chiết tinh thể…………………………………………………… 123 2 Mặt sóng mơi trƣờng tinh thể đơn trục…………………………………… 124 Các loại kính phân cực………………………………………………………… 126 128 Ánh sáng phân cực elip, phân cực trịn……………………………………… Bản phần tƣ bƣớc sóng………………………………………………………… 129 Bản nửa bƣớc sóng……………………………………………………………… 130 3 Bản bƣớc sóng……………………………………………………………… 130 5 Lƣỡng chiết nhân tạo………………………………………………………… 131 Lƣỡng chiết biến dạng học……………………………………………… 131 Lƣỡng điện trƣờng…………………………………………………… 132 5 Sự quay mặt phẳng phân cực………………………………………………… 133 Một số ứng dụng khác ……………………………………………………… 135 HƢỚNG DẪN HỌC CHƢƠNG 5…………………………………………………… 135 I Mục đích, u cầu……………………………………………………………… 135 II Tóm tắt nội dung………………………………………………………………… 136 III Câu hỏi lý thuyết………………………………………………………………… 139 IV Bài tập…………………………………………………………………………… 140 Chƣơng 6: THUYẾT TƢƠNG ĐỐI HẸP EINSTEIN……………………………… 144 144 Hai tiên đề Einstein…………………………………………………………… 1 Không gian tuyệt đối ête…………………………………………………… 144 Các phép đo thời gian độ dài - Một vấn đề nguyên lý……………………… 145 Các tiên đề Einstein…………………………………………………………… 145 Phép biến đổi Lorentz hệ quả………………………………………… 146 Mâu thuẫn phép biến đổi Galileo với thuyết tƣơng đối Einstein…………… 146 2 Phép biến đổi Lorentz…………………………………………………………… 147 Các hệ phép biến đổi Lorentz………………………………………… 148 Động lực học tƣơng đối tính – Hệ thức Einstein…………………………… 152 6.3.1 Phƣơng trình chuyển động chất điểm……………………………… 152 Động lƣợng lƣợng……………………………………………………… 152 3 Các hệ quả……………………………………………………………………… 153 HƢỚNG DẪN HỌC CHƢƠNG 6…………………………………………………… 154 I Mục đích, yêu cầu……………………………………………………………… 154 II Tóm tắt nội dung………………………………………………………………… 155 III Câu hỏi lý thuyết………………………………………………………………… 156 IV Bài tập…………………………………………………………………………… 156 Chƣơng 7: QUANG HỌC LƢỢNG TỬ…………………………………………… 159 159 Bức xạ nhiệt………………………………………………………………… 1 Bức xạ nhiệt cân bằng………………………………………………………… 159 Các đại lƣợng đặc trƣng xạ nhiệt cân bằng…………………………… 159 Định luật Kirchhoff……………………………………………………………… 161 161 Các định luật phát xạ vật đen tuyệt đối………………………………… Định luật Stephan-Boltzmann…………………………………………………… 161 2 Định luật Wien………………………………………………………………… 162 Sự khủng hoảng vùng tử ngoại……………………………………………… 162 Thuyết lƣợng tử Planck thuyết photon Einstein……………… 163 Thuyết lƣợng tử lƣợng Planck………………………………………… 163 Thành công thuyết lƣợng tử lƣợng…………………………………… 163 3 Thuyết phôtôn Einstein…………………………………………………… 164 Động lực học photon…………………………………………………………… 164 164 Hiện tƣợng quang điện……………………………………………………… Định nghĩa……………………………………………………………………… 165 Các định luật quang điện giải thích………………………………………… 166 167 Hiệu ứng Compton…………………………………………………………… Thí nghiệm Compton…………………………………………………………… 167 Giải thích hiệu ứng Compton…………………………………………………… 168 HƢỚNG DẪN HỌC CHƢƠNG 7…………………………………………………… 169 I Mục đích, yêu cầu……………………………………………………………… 170 II Tóm tắt nội dung………………………………………………………………… 170 III Câu hỏi lý thuyết………………………………………………………………… 173 IV Bài tập………………………………………………………………………… 173 Chƣơng 8: CƠ HỌC LƢỢNG TỬ…………………………………………………… 178 Lƣỡng tính sóng-hạt vi hạt…………………………………………… 178 1 Lƣỡng tính sóng hạt ánh sáng……………………………………………… 178 Giả thuyết de Broglie…………………………………………………………… 179 Thực nghiệm xác nhận tính chất sóng hạt vi mơ……………………… 173 Hệ thức bất định Heisenberg………………………………………………… 181 Hàm sóng……………………………………………………………………… 182 Biểu thức hàm sóng………………………………………………………… 182 Ý nghĩa thống kê hàm sóng………………………………………………… 183 3 Điều kiện hàm sóng……………………………………………………… 183 Phƣơng trình Schrodinger…………………………………………………… 184 Ứng dụng phƣơng trình Schrodinger………………………………… 185 Vật thể vi mô chuyển động giếng năng……………………………… 185 Hiệu ứng đƣờng ngầm………………………………………………………… 188 Dao động tử điều hòa lƣợng tử………………………………………………… 191 HƢỚNG DẪN HỌC CHƢƠNG 8…………………………………………………… 192 I Mục đích, u cầu……………………………………………………………… 192 II Tóm tắt nội dung………………………………………………………………… III Câu hỏi lý thuyết………………………………………………………………… 194 IV Bài tập…………………………………………………………………………… 194 192 Chƣơng 9: VẬT LÝ NGUYÊN TỬ………………………………………………… 200 200 Nguyên tử Hyđrô………………………………………………………… 1 Chuyển động electrôn nguyên tử hiđrô……………………………… 200 Các kết luận…………………………………………………………………… 202 205 Nguyên tử kim loại kiềm…………………………………………………… Năng lƣợng electrơn hóa trị ngun tử kim loại kiềm……………… 205 2 Quang phổ nguyên tử kim loại kiềm……………………………………… 206 Mômen động lƣợng mômen từ electron……………………………… 207 Mômen động lƣợng quĩ đạo…………………………………………………… 207 Mômen từ……………………………………………………………………… 208 3 Hiện tƣợng Zeeman…………………………………………………………… 209 210 Spin electron……………………………………………………………… Sự tồn spin electron……………………………………………………… 210 Trạng thái lƣợng electrôn nguyên tử………………………… 212 Cấu tạo bội vạch quang phổ………………………………………………… 213 Hệ thống tuần hoàn Mendeleev……………………………………………… 214 Hệ hạt đồng thống kê lƣợng tử…………………………………… 215 Hê hạt đồng 215 Thống kê lƣợng tử 216 HƢỚNG DẪN HỌC CHƢƠNG 9…………………………………………………… 218 I Mục đích, yêu cầu……………………………………………………………… 218 II Tóm tắt nội dung………………………………………………………………… 218 III Câu hỏi lý thuyết……………………………………………………………… 222 IV Bài tập…………………………………………………………………………… 222 Chƣơng 10: VẬT LÝ CHẤT RẮN VÀ BÁN DẪN………………………………… 226 10 Vật lý chất rắn………………………………………………………………… 226 10 1 Cấu trúc mạng tinh thể chất rắn………………………………………… 226 10 Lý thuyết vùng lƣợng…………………………………………………… 227 10 Vật lý bán dẫn………………………………………………………………… 233 Thí nghiệm Vật lý  phần Nếu ánh sáng phân cực đầu mút vectơ sáng E chuyển động đƣờng elip (hay đƣờng trịn) đƣợc gọi ánh sáng phân cực elip (trịn) Có thể tạo ánh sáng phân cực phẳng cách cho ánh sáng tự nhiên truyền qua phân cực (tinh thể Tuamalin, pôlarôit hêrapatit) Nguyên nhân tƣợng tính hấp thụ dị hƣớng tinh thể Trong phân cực có phƣơng đặc biệt gọi quang trục tinh thể (kí hiệu  ) Theo phƣơng quang trục, ánh sáng không bị hấp thụ truyền tự qua tinh thể, theo phƣơng vng góc với quang trục, ánh sáng bị hấp thụ hồn tồn (hình 3-b) Hình 3-a Hình 3-b Nếu ánh sáng truyền tới phân cực ánh sáng phân cực thẳng có vectơ sóng sáng , E1 nghiêng góc  so với quang trục  này, có thành phần E song song ,, với quang trục  truyền đƣợc qua bản, cịn thành phần E vng góc với quang trục  bị cản lại Nhƣ sau có quang trục  ta nhận đƣợc ánh sáng phân cực tồn phần , có vectơ sáng E  E cƣờng độ sáng I2 : I  E 22  E12 cos  I  I cos  Đây công thức định luật Malus phân cực ánh sáng Rõ ràng,  =0 cos  =1 cƣờng độ sáng sau kính phân cực đạt cực đại I2max= I1,  = 900 cos  = 0: cƣờng độ sáng sau kính phân cực cực tiểu I2min= Bản tinh thể T1 đƣợc gọi kính phân cực, tinh thể T2 đƣợc gọi kính phân tích (hình3-a) Do tính đối xứng ánh sáng tự nhiên xung quanh phƣơng truyền nên ta quay phân cực (tuamalin) xung quanh tia sáng vị trí có ánh sáng truyền qua Cịn tia sáng chiếu đến phân cực ánh sáng phân cực quay phân cực cƣờng độ sáng sau thay đổi Nhƣ phân cực giúp ta phân biệt đƣợc chùm sáng tự nhiên chùm sáng phân cực 294 Thí nghiệm Vật lý III THIẾT BỊ VÀ TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM III.1 THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM Nguồn phát tia laser bán dẫn Cảm biến photodiode silicon + ống che sáng Bản kính phân cực ; Bộ khuếch đại thị cƣờng độ sáng Thƣớc đo góc - 3600 , xác 10 Giá quang học III.2 TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM Quan sát thiết bị thí nghiệm gồm diode laser DL (3,8V - mW) phát chùm tia laser màu đỏ chiếu vng góc vào tâm mặt phân cực P Một thƣớc tròn T (đƣợc chia độ từ  3600) gắn chặt với phân cực P dùng đo góc  phƣơng vectơ sóng sáng E truyền tới phân cực P quang trục Q Để khảo sát thay đổi cƣờng độ ánh sáng phân cực sau truyền qua phân cực P, ta dùng cảm biến quang điện silicon QĐ đặt bên ống che sáng Tín hiệu laser truyền qua kính phân cực tới rọi vào cảm biến quang điện silicon QĐ đƣợc đƣa vào khuếch đại thị cƣờng độ sáng KĐ nhờ chốt cắm C Toàn thiết bị thí nghiệm đặt giá quang học G Cắm phích lấy điện khuếch đại thị cƣờng độ sáng KĐ vào nguồn điện ~ 220V Vặn núm biến trở R vị trí tận bên phải Bấm khóa đóng điện K mặt khuếch đại KĐ : đèn tín hiệu LED phát sáng Nới lỏng vít hãm V quay ống chắn sáng cảm biến quang điện QĐ để trục qua tâm phân cực P Chờ khoảng phút để khuếch đại KĐ ổn định, thực việc điều chỉnh vị trí số milivonkế điện-tử Nếu kim điện kế không số phải vặn từ từ núm "qui 0" kim thị quay trở số Chú ý : Sau điều chỉnh xong, phải giữ nguyên vị trí núm "qui 0" suốt thời gian làm thí nghiệm Cắm phích lấy điện nguồn ni diode laser DL vào nguồn điện xoay chiều ~220V Bật công tắc K1 diode laser DL, ta nhận đƣợc chùm tia sáng laser màu đỏ Điều chỉnh để chùm tia sáng laser phát từ cửa sổ diode laser DL qua tâm phân cực P chiếu vào tâm vít V Khi giữ ngun độ cao cảm biến quang điện QĐ quay chùm tia laser rọi thẳng vào cảm biến quang điện QĐ Quay thƣớc tròn chia độ T kim điện kế đạt độ lệch lớn Vặn núm biến trở R khuếch đại ngƣợc chiều kim đồng hồ cho kim milivơnke 100, giá trị góc  = Đọc ghi giá trị góc quay ban đầu (trên thƣớc tròn chia độ T) phân cực P vào bảng 295 Thí nghiệm Vật lý Tiếp tục quay thƣớc tròn chia độ T để tăng góc  (mỗi lần tăng 50) từ giá trị ban đầu đến giá trị  = + 900 Đọc ghi giá trị tƣơng ứng góc  cƣờng độ sáng I1 (tỷ lệ với giá trị microvônkế ) lần đo vào bảng Đọc ghi số liệu sau vào bảng : - Độ chia nhỏ thƣớc tròn chia độ T - Độ chia nhỏ thang đo 100 micrôvônkế điện tử Dựa vào giá trị đo đƣợc cƣờng độ sáng I1 góc quay  tƣơng ứng bảng 1, vẽ đồ thị biểu diễn hàm số : I1 = f ( X ) với X = cos2  (3) Chú ý : Cần kiểm tra xác vị trí cƣờng độ sáng đạt cực đại cực tiểu cách lân cận hai phía vị trí (trong giới hạn  50) thay đổi lần 10 góc quay  đọc giá trị cƣờng độ sáng I1 tƣơng ứng Từ xác định xác vị trí mặt phẳng phân cực chùm tia laser Trƣờng hợp thí nghiệm có sử dụng phần mềm Cassy Lab - Máy tính :Khảo sát phụ thuộc cường độ ánh sáng laser sau qua phân cực theo góc hợp vectơ sáng laser với quang trục phân cực Khởi động phần mềm Cassy Lab - Lấy tín hiệu từ Milivon kế điện tử MV cho vào UA1 Cassy - Trong “Start” chọn “Program” chọn “Cassy Lab”, nhấp đúp chuột vào UA1, chọn 10V - Cửa sổ “input setting” chọn “Averagd Valuse”, “left” - Cửa sổ Measing parametes chọn “Manual” - Nhấp đúp chuột vào UB1, chọn -10V - Cửa sổ “input setting” chọn “Averagd Valuse”, “left” - Cửa sổ Measing parametes chọn “Manual” - Cài đặt trục tọa độ, hoành độ biểu thị cos α , tung độ biểu thị cƣờng độ sáng I - Muốn cài đặt trục tọa độ cửa sổ “setting” chọn “parameter Formula FFT” * Khai báo cƣờng độ sáng I: - Chọn “new quantity” - Trong hộp “select quantity” điền vào tên đại lƣợng “I” - Chọn “formula” điền công thức mối liên hệ đại lƣợng với đại lƣợng cũ: UA1/0.45*150 - điền “symbol” : I Unit: Cd 296 From: To: 150 Thí nghiệm Vật lý *Khai báo cosx Chọn “new quantity” Trong hộp “select quantity” điền vào tên đại lƣợng “cosx” Chọn “formula” điền công thức mối liên hệ đại lƣợng với đại lƣợng cũ: cos((n-1)*5) - Điền “symbol”: cosx Unit: From: To: 1.5 *Chọn hiển thị đồ thị I – cosx - Trong “setting” chọn „display” - Chọn “new display” - Trong hộp “select display” ghi tên đồ thị I – cosx - Trong X – Axis chọn cosx Y – Axis chọn I - Sau bấm F9 để bắt đầu đo, với lần dịch chuyển thƣớc đo độ, bấm F9 IV CÂU HỎI KIỂM TRA Nêu rõ thuyết điện từ Maxwell chất ánh sáng Ánh sáng sóng ngang hay sóng dọc ? Định nghĩa ánh sáng tự nhiên ánh sáng phân cực phần, toàn phần 3.Cách phân biệt ánh sáng tự nhiên với ánh sáng phân cực thực nghiệm Nêu ứng dụng phân cực ánh sáng ánh sáng phân cực Giải thích chùm tia laser truyền qua phân cực P , cƣờng độ sáng I phía sau phân cực P lại thay đổi phụ thuộc vào góc  vectơ sóng sáng E truyền tới phân cực P quang trục Q Phát biểu viết biểu thức định luật Malus phân cực ánh sáng 297 Thí nghiệm Vật lý BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM (theo mẫu gợi ý) KHẢO SÁT SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG Xác nhận giáo viên Trƣờng Lớp Tổ Họ tên MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM - GIÁ TRị Độ CHIA NHỏ NHấT CủA THƯớC ĐO GÓC T : BảNG - Giá trị độ chia nhỏ micrôvônkế V :  I1 cos cos2  50 55 10 60 15 65 20 70 25 75 30 80 35 85 40 90 45 298 I1 cos cos2 Thí nghiệm Vật lý Vẽ đồ thị I1 = f ( X ) với X = cos2 Nhận xét kết thí nghiệm (so với định luật Malus) 299 Thí nghiệm Vật lý Bài KHẢO SÁT HIỆN TƢỢNG QUANG ĐIỆN I MỤC ĐÍCH - Khảo sát tƣợng quang điện chất hạt ánh sáng - Vẽ đặc tuyến von-ampe tế bào quang điện - Nghiệm lại định luật quang điện - Xác định số Planck II CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hiện tượng quang điện hiệu ứng bắn electron từ kim loại dọi vào kim loại chùm sáng có bước sóng thích hợp Các electron bắn đƣợc gọi electron quang Electron kim loại muốn ngồi kim loại phải có lƣợng cơng Ath electron kim loại Bình thƣờng động chuyển động nhiệt electron nhỏ Ath Khi xạ điện từ thích hợp dọi tới, electron tự kim loại hấp thụ photon Mỗi photon có lƣợng   h Năng lƣợng phần chuyển thành cơng Ath phần cịn lại chuyển thành động ban đầu electron quang Động ban đầu lớn electron gần bề mặt kim loại kết động ban đầu cực đại với quang electron sát bề mặt kim loại Theo định luật bảo toàn lƣợng ta có: mv   h  Ath  max  Ath  Wd max Khi chiếu vào catốt ánh sáng có bƣớc sóng thích hợp mạch xuất dòng quang điện Muốn cho dòng quang điện triệt tiêu hồn tồn phải đặt vào anốt catốt hiệu điện cản Sự tồn hiệu điện cản chứng tỏ bật khỏi mặt kim loại, electron quang có vận tốc ban đầu v0 Điện trƣờng cản mạnh đến mức electron có vận tốc ban đầu lớn v0max khơng bay đƣợc đến anốt Lúc dịng (1) Hình quang điện triệt tiêu hồn tồn cơng điện trƣờng cản có giá trị động ban đầu cực đại electron quang: Wđmax = eUh 300 (2) Thí nghiệm Vật lý Uh hiệu điện làm cho dịng quang điện triệt tiêu hồn tồn, đƣợc gọi hiệu điện hãm Kết hợp phƣơng trình (1) (2) ta có: h  Ath  eU h A h U h    th e e Đồ thị biểu diễn phụ thuộc hiệu điện hãm vào tần số ánh sáng kích thích có dạng nhƣ hình III THIẾT BỊ VÀ TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM III.1 DỤNG CỤ: Thiết bị nghiên cứu hiệu ứng quang điện xác định số Planck , với thông số :  Tế bào quang điện chân khơng loại Cs-Sb , dịng điện tối khơng lớn 3nA  Bộ gồm kính lọc sắc :  Sai số xác định điện áp gia tốc electron 2%  Nguồn sáng : Đèn Halogen 12V/35W  Nguồn cung cấp cho thiết bị : AC 220V, 50 Hz 635nm, 570nm, 540nm, 460nm III.2 THIẾT BỊ ĐO: (1) Đồng hồ thị dòng điện hiệu điện (2) Chuyển mạch thay đổi hai kiểu làm việc đồng hồ:  Đo dòng điện (Current),  Đo hiệu điện (Voltage) (3) Chuyển mạch chọn thang đo dịng điện : 301 Thí nghiệm Vật lý  Vị trí x1 đo cƣờng độ dịng quang điện có giá trị 10-6A  Vị trí x 0.1 đo cƣờng độ dịng quang điện có giá trị 10-7A  Vị trí x 0.01 đo cƣờng độ dịng quang điện có giá trị 10-8A Vị trí x0.001 đo cƣờng độ dịng quang điện có giá trị 10-9A (4) Chuyển mạch chọn cƣờng độ sáng đèn chiếu, có vị trí :  Vị trí đèn sáng mạnh (STRONG)  Vị trí ngắt điện đèn chiếu sáng (OFF)  Vị trí đèn sáng yếu (WEAK) (5) Núm điều chỉnh hiệu điện chiều cung cấp cho mạch điện tế bào quang điện, thay đổi từ đến 15V Chuyển mạch thay đổi chiều điện áp đặt vào mạch điện tế bào quang điện (6) Công-tắc nguồn, có vị trí : bật điện (ON) tắt điện (OFF) (7) Đèn báo hiệu (8) Hộp kín, bên có tế bào quang điện (9) Đèn chiếu sáng, có hai chế độ làm việc (sáng mạnh, sáng yếu) trƣợt dọc theo ray để thay đổi khoảng cách đến tế bào quang điện III.3 TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM: Chuẩn bị thí nghiệm: Chuyển mạch (4) bật vị trí WEAK (đèn sáng yếu) Nới lỏng ốc giữ đèn chiếu cho dịch chuyển đèn chiếu nhẹ nhàng đƣờng ray để thay đổi khoảng cách đèn chiếu tế bào quang điện Đặt đèn chiếu vị trí 40cm Cắm phích lấy điện vào ổ điện 220V Bật công-tắc nguồn (7) sang vị trí ON : đèn chiếu (10) phát sáng, báo hiệu máy sẵn sàng hoạt động Quan sát bóng đèn chiếu đƣợc thắp sáng (yếu) Tháo nắp che tế bào quang điện thay kính lọc sắc màu đỏ Bật công-tắc cƣờng độ sáng (4) vị trí OFF, WEAK, STRONG để kiểm tra chế độ hoạt động đèn chiếu Vẽ đặc tuyến vôn-ampe tế bào quang điện:  Lắp kính lọc sắc màu đỏ vào cửa sổ tế bào quang điện  Chuyển mạch cƣờng độ sáng (4) đặt vị trí WEAK (sáng yếu) Dịch chuyển đèn chiếu đến vị trí 18cm  Gạt chuyển mạch chiều điện áp (6) vị trí +  Đặt chuyển mạch thang đo dịng điện (3) vị trí x1 x0,1  Xoay nhẹ núm điều chỉnh điện áp (5) tận trái (ứng với hiệu điện ban đầu 0V) 302 Thí nghiệm Vật lý  Muốn đo hiệu điện thế, ta gạt chuyển mạch (2) vị trí VOLTAGE Muốn đo dịng quang điện, ta gạt chuyển mạch (2) vị trí CURRENT  Xoay nhẹ núm điều chỉnh điện áp (5) để tăng dần hiệu điện 0,5V một, từ 0V đến 10V Đọc ghi giá trị dòng quang điện tƣơng ứng vào bảng Từ kết thu được, vẽ đồ thị biểu diễn phụ thuộc cường độ dòng quang điện vào hiệu điện đặt anốt catốt tế bào quang điện Xác định hiệu bắt đầu dịng quang điện bão hồ 3 Nghiên cứu định luật dịng quang điện bão hồ :  Giữ nguyên kính lọc sắc đỏ lắp cửa sổ tế bào quang điện  Đèn chiếu để vị trí r = 18 cm  Điều chỉnh hiệu điện hai cực tế bào quang điện 10V Đọc ghi giá trị dòng quang điện tƣơng ứng vào bảng vị trí r=18cm  Tăng dần khoảng cách đèn chiếu tế bào quang điện 10mm một, từ vị trí r = 18cm đến vị trí r = 40cm Đọc ghi vào bảng giá trị dòng quang điện bào hồ I tƣơng ứng với vị trí r đèn chiếu  Từ kết thu đƣợc, vẽ đồ thị biểu diễn phụ thuộc cƣờng độ dịng quang điện bão hồ vào nghịch đảo bình phƣơng khoảng cách từ đèn chiếu đến tế bào quang điện : I ~ 1/r2 Ghi : Cho biết độ dọi sáng vào tế quang điện đèn chiếu gửi đến tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ đèn chiếu đến tế bào quang điện Xác định số Planck :  Đặt đèn chiếu vị trí r = 40cm  Chuyển mạch thang đo dịng điện (3) đặt vị trí x0,001  Lắp kính lọc sắc màu đỏ (bƣớc sóng  = 635nm) vào cửa sổ tế bào quang điện  Xoay nhẹ núm điều chỉnh điện áp (5) vị trí tận trái (hiệu điện đặt vào hai cực tế bào quang điện 0V)  Bật đèn chiếu sang vị trí STRONG (sáng mạnh)  Gạt chuyển mạch (2) vị trí CURRENT để đo dịng quang điện ban đầu  Gạt chuyển mạch chiều dòng điện (6) vị trí có dấu - (đảo chiều điện áp đặt hai cực tế bào quang điện để tạo hiệu điện cản)  Xoay nhẹ núm điều chỉnh điện áp (5) để tăng dần hiệu cản cƣờng độ dòng quang điện giảm tới giá trị  Gạt chuyển mạch (2) vị trí VOLTAGE để đọc giá trị hiệu điện hãm Uh ghi vào bảng với giá trị bƣớc sóng  tƣơng ứng 303 Thí nghiệm Vật lý  Lần lƣợt thay kính lọc sắc đỏ kính lọc sắc vàng ( = 570nm) kính lọc sắc lục ( = 540nm) , lặp lại bƣớc thí nghiệm với kính lọc sắc cho Đọc ghi kết thí nghiệm vào bảng  Nhấn công-tắc đèn chiếu công-tắc nguồn vị trí OFF để ngắt điện cho thiết bị Tháo kính lọc sắc, xếp cẩn thận vào hộp xốp đậy nắp che cửa sổ tế bào quang điện IV CÂU HỎI KIỂM TRA Định nghĩa tƣợng quang điện Thế hiệu điện hãm, động ban đầu cực đại quang electron ? Phát biểu ba định luật quang điện dùng thuyết phơtơn Anhxtanh để giải thích định luật quang điện Nêu phƣơng pháp nghiên cứu định luật dòng quang điện bão hòa Mối liên hệ cƣờng độ dòng quang điện khoảng cách từ nguồn sáng đến tế bào quang điện nhƣ ? Nêu phƣơng pháp xác định số Planck thí nghiệm Hãy nêu nguyên nhân gây nên sai số phép đo 304 Thí nghiệm Vật lý BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT HIỆN TƢỢNG QUANG ĐIỆN (theo mẫu gợi ý) Trƣờng Xác nhận giáo viên Lớp Tổ Họ tên I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM II KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Bảng Vẽ đặc tuyến vôn-ampe tế bào quang điện : TT Hiệu điện Cƣờng độ dòng điện TT Hiệu điện 4,0 0.5 10 4,5 1,0 11 5,0 1.5 12 6,0 2,0 13 7,0 2.5 14 8,0 3,0 15 9,0 3.5 16 10,0 Cƣờng độ dòng điện Bảng Nghiên cứu định luật dịng quang điện bão hồ : TT Vị trí r Cƣờng độ dịng điện (cm) ( nA) TT Vị trí r Cƣờng độ dịng điện (cm) ( nA) 40 28 38 26 305 Thí nghiệm Vật lý 36 24 34 10 22 32 11 20 30 12 18 Bảng Đo hiệu điện hãm xác đinh số Planck: TT Kính lọc sắc đỏ vàng lục Bƣớc sóng Tần số  (nm)  (Hz) Hiệu điện hãm Uh (V) Vẽ đồ thị tƣơng ứng với bảng 1, , Rút kết luận định luật quang điện đƣợc nghiệm qua thí nghiệm nói 2.Từ đồ thị mô tả quan hệ tần số  ánh sáng đơn sắc chiếu vào tế bào quang điện hiệu điện hãm tƣơng ứng Tính số Planck cơng êlectrơn theo phƣơng trình Einstein : h = A + eUh ,  = c/ A cơng êlectrôn 306 Phụ lục PHỤ LỤC MỘT SỐ HẰNG SỐ VẬT LÝ CƠ BẢN Hằng số Ký hiệu Gía trị Vận tốc ánh sáng chân không c 3.108m/s Điện tích ngun tố e 1,6.10-19C Khối lƣợng electrơn me 9,11.10-31kg = 5,49.10-4u Khối lƣợng prôtôn mp 1,67.10-27kg = 1,0073u Khối lƣợng nơtrôn mn 1,68.10-27kg = 1,0087u Hằng số Placnk h 6,625.10-34J.s Bƣớc sóng Compton electrơn λc 2,426.10-12m Hằng số Avogadro NA 6,023.1023mol-1 Hằng số Boltzman k 1,38.10-23J/K Hằng số Stephan – Boltzman ζ 5,67.10-8 W/m2K4 Hằng số Wien b 2,868.10-3 m.K Hằng số Rydberg R 3,29.1015s-1 Bán kính Bohr rB 0,529.10-10m Manhêtôn Bohr μB 9,27.10-24J/T 307 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.Vật lí đại cƣơng, tập I, II, III - Lƣơng Dun Bình, Ngơ Phú An, Lê Băng Sƣơng Nguyễn Hữu Tăng Nhà xuất Giáo dục - 2003 Cơ sở Vật lí, Tập VI - Halliday, Resnick, Walker Nhà xuất Giáo dục 1998 Vật lí đại cƣơng, tập I, II, III - Đặng Quang Khang Nguyễn Xuân Chi Nhà xuất Đại học Bách khoa Hà Nội - 2001 Bài tập Vật lí Đại cƣơng tập I, II, III - Lƣơng Duyên Bình Nhà xuất Giáo dục - 1999 Quang học, Huỳnh Huệ Nhà xuất Giáo dục - 1992 Quang học Nguyễn Thế Bình Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà nội - 2007 Vật Lý Đại cƣơng tập II, Nguyễn Viết Kính, Bạch Thành Cơng, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà nội - 2007 Vật lí đại cƣơng tập 3: Các nguyên lý ứng dụng, Trần Ngọc Hợi Phạm văn Thiều, Nhà xuất Giáo dục Vật lí đại - Ronald Gautreau – William Savin; Ngô Phú An - Lê Băng Sƣơng dich Nhà xuất Giáo dục- 2009 308 ... có dạng elip 25 Chương 1: Dao động - sóng ? ?2? ?? θ1 = 0 < ? ?2 - θ1 < π /2 ? ?2 – θ1=π /2 π /2 < ? ?2 – θ1 < π ? ?2 – θ1 = π π < ? ?2 - θ1