Đang tải... (xem toàn văn)
MỤC LỤC 0TLỜI CẢM ƠN0T 2 0TMỤC LỤC0T 3 0TMỞ ĐẦU0T 6 0T1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI0T 6 0T2 MỤC ĐÍCH0T 7 0T3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU0T 7 0T4 NHIỆM VỤ0T 7 0T5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU0T 7 0T6 ĐÓNG GÓP CỦA[.]
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .2 T T MỤC LỤC T T MỞ ĐẦU .6 T T 1.LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI T T 2.MỤC ĐÍCH T T 3.ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU T T 4.NHIỆM VỤ T T 5.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU T T 6.ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI T T CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 T T 1.1.LÝ THUYẾT SÓNG ĐIỆN TỪ 10 T T 1.1.1Ánh sáng sóng điện từ 10 T T 1.1.2.Sóng điện từ sóng ngang 13 T T Quan hệ E H sóng điện từ 14 T T T T T T 1.1.3.Năng lượng sóng điện từ 16 T T 1.1.3.1.Mật độ lượng 16 Vectơ mật độ dịng lượng Umơp - Poanhtinh 17 Cường độ sóng điện từ đơn sắc chạy 17 T T T T T T 1.2.CÁC ĐIỀU KIỆN BIÊN TRÊN MẶT PHÂN CÁCH HAI MÔI TRƯỜNG 17 T T 1.2.1.Điều kiện biên vectơ B 17 T T 1.2.2.Điều kiện biên vectơ D 19 T T 1.2.3.Điều kiện biên vectơ E 20 T T 1.2.4.Điều kiện biên vectơ H .21 T T 1.3.ÁNH SÁNG PHÂN CỰC 22 T T 1.3.1.Phân cực thẳng 23 T T Sóng ánh sáng có vectơ chấn động sáng E phân bố theo phương xác T T T định gọi ánh sáng phân cực hoàn toàn hay phân cực thẳng 23 T 1.3.2.Phân cực tròn 23 T T 1.3.3.Phân cực elip 24 T T 1.3.4.Ánh sáng tự nhiên 24 T T 1.4.ĐỊNH LUẬT MALUS 25 T T 1.4.1.Hiện tượng phân cực ánh sáng truyền qua Tuamalin 25 T • T • T • T T Thí nghiệm: 25 T T T T T T T Nhận xét: .25 T Giải thích: 26 T 1.4.2.Định luật Malus 26 T T 1.5.HIỆN TƯỢNG PHÂN CỰC DO PHẢN XẠ 27 T T 1.5.1.Thí nghiệm Malus 27 T T 1.5.2.Định luật Brewster 29 T T 1.6.CÁC PHƯƠNG TRÌNH FRESNEL .30 T T 1.6.1.Véctơ cường độ điện trường E nằm mặt phẳng tới .30 T T T T 1.6.2.Véctơ cường độ điện trường thẳng góc với mặt phẳng tới 32 T T 1.7.HỆ SỐ PHẢN XẠ - HỆ SỐ TRUYỀN QUA 34 T T 1.7.1.Trường hợp ánh sáng phân cực thẳng 35 T T 1.7.2.Trường hợp ánh sáng tự nhiên 36 T T 1.7.3.Nhận xét 36 T T 1.8.ĐỘ PHÂN CỰC 38 T T CHƯƠNG II: DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 40 T T 2.1.ĐÈN LASER KHÍ HE – NE .40 T T 2.1.1.Sơ lược Laser .40 T T 2.1.2.Laser khí He – Ne 42 T T Hình 2.4: Đèn Laser khí He – Ne.2.1.3.Thanh quang học 43 T T 2.2.KÍNH PHÂN CỰC: 44 T T 2.3.PHOTO DIODE: 45 T T 2.4.ĐỒNG HỒ ĐIỆN TỬ: 45 T T LĂNG KÍNH: .45 T T 2.5.GIÁ ĐỠ LĂNG KÍNH 46 T T 2.6.BỘ NỐI CÓ CHIA GỐC 46 T T CHƯƠNG III: THÍ NGHIỆM KIỂM CHỨNG ĐỊNH LUẬT MALUS 47 T T 3.1.LẮP ĐẶT DỤNG CỤ: 47 T T 3.2.TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM: 48 T T 3.3.XỬ LÍ SỐ LIỆU – SAI SỐ: 48 T T 3.3.1Xử lí số liệu: 48 T T 3.3.2.Xử lý sai số: .48 T • T T LƯU Ý: SAI SỐ Δ(COS2Θ) DÙNG VẼ ĐỒ THỊ ĐƯỢC TÍNH NHƯ SAU: 49 T T P P T ln x = ln(cos θ ) 49 dx − sin θ dθ = 49 x cos θ T T T T 3.4.KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM: 49 T T 3.5.NHẬN XÉT 51 T T 3.6.ĐỀ XUẤT 52 T T CHƯƠNG IV: THÍ NGHIỆM KIỂM CHỨNG ĐỊNH LUẬT BREWSTER 54 T T 4.1LẮP ĐẶT DỤNG CỤ: .54 T T 4.2.TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM: 56 T T 4.2.1Phép đo 1: Sự phân cực theo phương vng góc với mặt phẳng tới 56 T T 4.2.2.Phép đo 2: Sự phân cực theo phương mặt phẳng tới 57 T T 4.3.XỬ LÝ SỐ LIỆU – SAI SỐ .58 T T 4.3.1.Xử lý số liệu .58 T T 4.3.2.Xử lý sai số: .58 T T 4.4.KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM: 58 T T 4.4.1.Phép đo 1: Sự phân cực theo phương vuông góc với mặt phẳng tới 58 T T Phép đo 2: Sự phân cực theo phương mặt phẳng tới 61 T T KẾT LUẬN CHUNG 65 T T TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 T T MỞ ĐẦU 1.Lý chọn đề tài Vật lý môn khoa học thực nghiệm, vai trị thí nghiệm vật lý quan trọng khơng thể thiếu Thí nghiệm có vai trị tạo tình vật lý, đặt vấn đề cần nghiên cứu Thí nghiệm cịn có vai trị cung cấp kiện làm sở cho việc xây dựng lý thuyết Và đặc biệt thí nghiệm đóng vai trị kiểm tra, xác nhận hay bác bỏ lý thuyết Khơng dừng lại đó, thí nghiệm vật lý cịn quan trọng q trình dạy học Thí nghiệm góp phần hồn thiện nhân cách học sinh đồng thời giúp bồi dưỡng kĩ năng, kĩ xảo vật lý cho người học Bên cạnh đó, thí nghiệm cịn phương tiện để chứng minh đắn lý thuyết vật lý, làm cho lý thuyết khơng cịn lý thuyết sn mà kiểm chứng thực nghiệm cách rõ ràng… Lúc này, lý thuyết vật lý mà học sinh học trở nên thuyết phục học sinh nhớ lâu Hiện nay, em nhận thấy thí nghiệm trường học chưa đa dạng Nhiều phần chưa có thí nghiệm minh họa, thí nghiệm kiểm chứng lý thuyết Hay thí nghiệm chưa có yếu tố định lượng, đo đạc xác đại lượng… Như phần quang học chương tượng phân cực ánh sáng, định luật Malus định luật rút từ thực nghiệm trình học lại khơng có thí nghiệm để kiểm chứng định luật Hay học định luật Brewster người học khơng hình dung ánh sáng phân cực hồn tồn phản xạ có độ sáng sao, hệ số phản xạ thay đổi góc tới Brewster góc tới khác… Điều làm ảnh hưởng nhiều đến khả tiếp thu ghi nhớ học sinh, sinh viên; làm giảm khả tư sáng tạo việc học vật lý Từ vấn đề em lựa chọn đề tài: “Lắp ráp thí nghiệm kiểm chứng định luật Malus tượng phân cực ánh sáng” nhằm giúp sinh viên có điều kiện đào sâu lý thuyết, tiếp cận thực nghiệm rèn luyện kĩ thực hành với dụng cụ thí nghiệm vật lý 2.Mục đích - Lắp ráp lấy số liệu thí nghiệm kiểm chứng định luật Malus tượng phân cực ánh sáng - Lắp ráp lấy số liệu thí nghiệm kiểm chứng định luật Brewster phân cực ánh sáng phản xạ 3.Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: + Kiến thức tượng phân cực ánh sáng + Nguyên lý hoạt động dụng cụ quang cách xử lý số liệu thí nghiệm phân cực ánh sáng Phạm vi nghiên cứu: + Thí nghiệm kiểm chứng định luật Malus phân cực ánh sáng + Thí nghiệm kiểm chứng định luật Brewster phân cực ánh sáng phản xạ 4.Nhiệm vụ - Tìm hiểu kiến thức tượng phân cực ánh sáng - Tìm hiểu cơng dụng dụng cụ thí nghiệm - Lắp ráp thí nghiệm thay đổi dụng cụ bị hư hỏng kịp thời - Đo phụ thuộc hệ số truyền (sự liên hệ cường độ ánh sáng tới mặt phẳng phân tích cường độ đằng sau mặt phẳng phân tích) vào góc mặt phẳng phân cực phân cực, gồm kính phân cực kính phân tích - Đo hệ số phản xạ Fresnel ánh sáng phân cực hai trường hợp: + Vectơ chấn động sáng nằm mặt phẳng tới + Vectơ chấn động sáng vng góc với mặt phẳng tới + Rút kết luận đề xuất ý kiến 5.Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phân tích tổng hợp tài liệu quang học tượng phân cực ánh sáng Từ đưa sở lý thuyết biết nguyên lý hoạt động dụng cụ thí nghiệm - Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: + Nghiên cứu nguyên lý hoạt động, cách sử dụng dụng cụ cách lắp ráp thí nghiệm + Hỏi ý kiến giảng viên hướng dẫn, phận cung cấp thiết bị bạn bè để biết thêm thông tin dụng cụ, cách lắp ráp, cách xử lý số liệu…nhằm hồn chỉnh thí nghiệm 6.Đóng góp đề tài Kết lắp ráp xử lí số liệu thành cơng thí nghiệm sử dụng cho sinh viên thực hành vật lý tượng phân cực ánh sáng phịng thí nghiệm vật lý nâng cao TỔNG QUAN Thí nghiệm quang học vật lý nhiều nước giới trọng áp dụng vào giảng dạy Các thí nghiệm tượng phân cực ánh sáng chế tạo xác sản xuất phổ biến Những năm gần nước ta có nhiều cơng trình nghiên cứu lắp ráp thí nghiệm việc dạy học vật lý Đặc biệt thí nghiệm quang như: - Đề tài nghiên cứu khoa học: Thư viện điện tử thí nghiệm quang học (2006) nhóm sinh viên Huỳnh Cơng Đạt, Dương Hùng Cứ, Nguyễn Thị Hoa, Nguyễn Thị Kiều My thuộc trường đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh - Thực thí nghiệm chứng minh cho giảng quang học lý (1996), Luận văn tốt nghiệp đại học sinh viên Nguyễn Tuấn Huy trường đại học Sư phạm Hồ Chí Minh Các đề tài nghiên cứu góp phần xây dựng thí nghiệm phong phú để minh họa, kiểm chứng cho kiến thức vật lý Tuy nhiên, thí nghiệm tượng phân cực ánh sáng thí nghiệm biểu diễn, quan sát định tính thay đổi cường độ sáng Chưa có đo đạc để chứng minh cách chặt chẽ đắn định luật vật lý Điều làm giảm yếu tố thuyết phục sinh viên học phần Bên cạnh đó, em nhận thấy phịng thí nghiệm vật lý trường đại học Sư Phạm TP Hồ Chí Minh chưa có thí nghiệm kiểm chứng hai định luật quan trọng chương phân cực ánh sáng: định luật Malus định luật Brewster Do làm giảm khả tiếp thu kĩ sử dụng thành thạo dụng cụ thí nghiệm sinh viên Từ đây, em thực đề tài nhằm khắc phục mặt hạn chế Đề tài tập trung nghiên cứu cách lắp ráp thí nghiệm, xây dựng cách đo đạc, xử lý số liệu nhằm kiểm chứng định lượng định luật Malus định luật Brewster tượng phân cực ánh sáng CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1.Lý thuyết sóng điện từ 1.1.1Ánh sáng sóng điện từ Các kích thích trường điện từ (tức trường điện từ biến đổi) lan truyền không gian, gọi sóng điện từ Tồn lý thuyết điện từ trình bày hệ bốn phương trình Maxwell sau: ∂B rot E = − ∂t divD = ρ ∂ D rot H= j + ∂t divB = Trong đó: (1.1) (1.2) (1.3) (1.4) E véctơ cường độ điện trường D véctơ cảm ứng điện H véctơ cường độ từ trường B véctơ cảm ứng từ ρ mật độ điện tích j véctơ mật độ dịng điện Nếu mơi trường chất điện mơi đồng nhất, đẳng hướng, khơng có tính chất sắt điện sắt từ thì: D = εε E B = µµ0 H (1.5) (1.6) ε, µ đại lượng vơ hướng, khơng đổi, không phụ thuộc tọa độ thời gian gọi số điện môi độ từ thẩm mơi trường Chân khơng có ε = µ = Viết phương trình Maxwell mơi trường chất điện môi đồng nhất, đẳng hướng, chứa điện tích tự ( ρ = 0) dịng điện vĩ mơ ( j = 0) hình chiếu chúng lên trục tọa độ có dạng sau: ∂H rot E = − µµ0 ∂t ∂H x ∂Ez ∂E y − = − µµ0 ∂y ∂z ∂t (1.7) ∂H y ∂Ex ∂Ez − = − µµ0 ∂z ∂x ∂t (1.8) ∂E y ∂x divE = ∂E rot H = εε ∂t − ∂Ex ∂H z = − µµ0 ∂y ∂t ∂Ex ∂E y ∂Ez + + = ∂x ∂y ∂z (1.10) ∂E ∂H z ∂H y εε x − = ∂y ∂z ∂t (1.11) ∂E ∂H x ∂H z εε y − = ∂z ∂x ∂t (1.12) ∂H y ∂x − ∂H x ∂E εε z = ∂y ∂t ∂H x ∂H y ∂H z + + = ∂x ∂y ∂z divH = (1.9) (1.13) (1.14) Ta chứng tỏ hình chiếu tuân theo phương trình truyền sóng: ∇2 s − ∂2s = v ∂t Đối với E x , lấy đạo hàm theo thời gian hai vế phương trình (1.11): R R εε Mà ∂ Ex ∂ ∂H z ∂H y ∂ H z ∂ H y = − = − ∂t ∂t ∂y ∂z ∂t.∂y ∂t.∂z ∂ H z ∂ H z ∂ ∂H z ( ) = = ∂t.∂y ∂y.∂t ∂y ∂t ∂ H y ∂ H y ∂ ∂H y ( ) = = ∂t.∂z ∂z.∂t ∂z ∂t ∂2 E ∂t x εε = Nên ∂ ∂H z ∂ ∂H y ( )− ( ) ∂y ∂t ∂z ∂t Thay đại lượng dấu ngoặc, tức đạo hàm riêng H z R R H y theo thời gian t biểu thức (1.8) (1.9): R R ∂2 E ∂t x εε= = ∂ ∂E ∂E ∂ ∂Ex ∂E y ) − ( z − x ) − ( ∂x ∂z ∂x ∂z µµ0 ∂y ∂y ∂ Ex ∂ Ex ∂ ∂E y ∂Ez ) + − ( − ∂y ∂x ∂y ∂z µµ0 ∂z Từ (1.10) suy ra: εε ∂ Ex ∂ Ex ∂ Ex ∂ Ex ( + = + )= ∇ Ex 2 µµ0 ∂x µµ0 ∂t ∂y ∂z (1.15) Đối với E y , E z ta chứng minh tương tự (1.15): R R R R ∂2 Ey εε = ∇ Ey µµ0 ∂t ∂ Ez εε = ∇ Ez µµ0 ∂t Ta có phương trình tổng qt: ∂2 E ∇ E − εε µµ0 = (1.16) ∂t Tương tự véctơ cường độ từ trường H : ∂ H ∇ H − εε µµ0 = (1.17) ∂t Vậy véctơ cường độ điện trường E cường độ từ trường H thỏa phương trình truyền sóng Nếu cường độ điện trường cường độ từ trường điểm khơng gian biến đổi theo thời gian E (t) H (t) điện từ trường lan truyền không gian với vận tốc v cho εε µµ0 = 1 hay v = v εε µµ0 Biết ε µ0 số điện số từ, xác định thực nghiệm ε = 8,85 10-12 F/m µ0 = 4π 10-7 H/m P P P P ... lý 2.Mục đích - Lắp ráp lấy số liệu thí nghiệm kiểm chứng định luật Malus tượng phân cực ánh sáng - Lắp ráp lấy số liệu thí nghiệm kiểm chứng định luật Brewster phân cực ánh sáng phản xạ 3.Đối... tượng phân cực ánh sáng + Nguyên lý hoạt động dụng cụ quang cách xử lý số liệu thí nghiệm phân cực ánh sáng Phạm vi nghiên cứu: + Thí nghiệm kiểm chứng định luật Malus phân cực ánh sáng + Thí nghiệm. .. tượng phân cực ánh sáng, định luật Malus định luật rút từ thực nghiệm q trình học lại khơng có thí nghiệm để kiểm chứng định luật Hay học định luật Brewster người học khơng hình dung ánh sáng phân