(Tiểu luận) khảo sát hiện tượng phân cực ánh sáng nghiệm định luật malus

Bài làm - Nhận xét về đồ thị: Đồ thị U = fa có dạng tỉ lệ nghịch giữa hai tham số giátrị điện áp U và góc a giữa mặt phẳng dao động của chùm tia Laser và quangtrục Q của hai bản phân cực

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA CƠNG NGHỆ THÔNG TIN - - BÁO CÁO THỰC HÀNH VẬT LÝ Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Yến Linh Lớp: D21CQCN01-N Nhóm: Nguyễn Văn Dũng – N2DCCN020 Nguyễn Văn Chiến – N21DCCN010 Phạm Phú Bảo – N21DCCN007 Phạm Quốc Dương – N21DCCN022 Nguyễn Trường Giang – N21DCCN026 Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 10 năm 2022 KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG PHÂN CỰC ÁNH SÁNG NGHIỆM ĐỊNH LUẬT MALUS Trường: Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng Lớp: D21CQCN01_N Nhóm: 02 I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Khảo sát tính phân cực chùm sáng Laser nhờ phân cực (Polarroid) gắn đĩa chia độ Từ xác nhận ánh sáng loại sóng ngang (sóng điệntừ) Khảo sát quy luật thay đổi cường độ chùm sáng Laser sau truyền qua kính phân cực Từ nghiệm định luật Malus phân cực ánh sáng II KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Bảng - Giá trị độ chia nhỏ thước đo góc T : - Thang đo độ phân giải Milivôn kế điện tử MC- 897A: 1.5mV - 0.05mV - Thang đo độ phân giải đồng hồ DT 9205A+: 2VDC - Cực đại tại: = α* α cos α cos2α U(mV α* α cos α cos2α U(mV ) ) 50 100 0.643 55 55 0.996 95 0.574 50 10 60 0.985 92.5 0.5 43 15 65 0.966 91 0.423 39 20 70 0.94 90 0.342 34 25 75 0.906 85 0.259 29 30 80 0.866 81 0.174 25 35 85 0.819 75 0.087 20 40 90 0.766 70 20 45 0.707 65 Sử dụng công cụ Bảng tính Excel để tính giá trị cos α, cos2α vẽ đồ thị U = f (α), U = f (cos α) U = f (cos2α) 100 100 95 92.5 91 90 85 81 cosa 80 75 60 40 20 10 15 20 25 30 35 70 40 65 45 50 55 55 50 60 43 65 39 70 34 75 29 80 25 85 20 90 20 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 U(mV) U=f(a) 120 a U=f(cosa) 1.2 U(mV) 0.6 0.4 95 92.5 100 91 90 0.99 0.97 0.94 85 81 0.91 0.87 75 0.82 70 0.77 80 65 0.71 55 0.64 50 0.57 43 0.5 cosa 0.8 120 100 39 0.42 34 0.34 0.2 29 0.26 60 U(m V) cosa 40 25 20 20 0.17 20 0.09 0 U=f(cos²a) 120 1.2 0.99 0.97 100 95 92.5 0.93 91 0.88 90 U(mV) 80 60 85 0.82 81 0.75 75 0.67 70 0.59 0.8 65 0.5 40 20 55 0.41 50 0.33 0.6 43 0.25 39 0.18 34 0.12 29 0.4 25 20 0.07 0.03 0.01 20 Nhận xét dạng đồ thị, rút quy luật mối quan hệ cường độ sáng góc α mặt phằng dao động chùm tia Laser quang trục Q phân cực Từ phát biểu định luật Malus nghiệm qua thí nghiệm Bài làm - Nhận xét đồ thị: Đồ thị U = f(a) có dạng tỉ lệ nghịch hai tham số giá trị điện áp U góc a mặt phẳng dao động chùm tia Laser quang trục Q hai phân cực từ ta thấy cường độ sáng nhận tỉ lệ với cos²a - Qua thí nghiệm ta thấy định luật Malus nghiệm: + Ánh sáng tự nhiên, sau truyền qua phân cực, trở thành ánh sáng phân cực phẳng có vectơ sáng E dao động theo phương hoàn toàn xác định, gọi quang trục Q phân cực Giả sử ánh sáng truyền tới phân cực P ánh sáng phân cực phẳng có vectơ sáng E nghiêng góc  so với quang trục Q có thành phần E1 song song với quang trục Q truyền qua bản, cịn thành phần E2 vng góc với quang trục Q bị cản lại − Khi  = cos  = : cường độ sáng sau phân cực đạt cực đại I1max I 0 − Khi  = 90 cos  = : cường độ sáng sau phân cực cực tiểu I1min I - Vậy chùm tia sáng tự nhiên truyền qua hai phân cực với phân 0.2 U(m V) cosa 100 cực P ánh sáng phân cực phẳng có vectơ sáng E nghiêng góc  so với quang trục Q cường độ sáng nhận tỉ lệ với cos²a Kết luận: Kết thí nghiệm chứng tỏ định luật Malus phân cực ánh sáng nghiệm Hãy phân tích kết cho thí nghiệm chứng chất sóng ánh sáng Bài làm - Kết thí nghiệm thể phân cực ánh sáng Khi điều chỉnh kính phân cực giá trị α, cường độ ánh sáng đạt cực đại α =0 dần giảm đạt cực tiểu α = 90 o Mà ánh sáng phân cực ánh sáng có vecto sáng dao động theo phương xác định vng góc với tia sáng, tính chất sóng ngang Và có sóng ngang tính phân cực thí nghiệm lần khẳng định chất sóng điện từ ánh sáng CÂU HỎI KIỂM TRA Câu 1: Nêu rõ thuyết điện từ Maxwell chất ánh sáng Ánh sáng sóng ngang hay sóng dọc ? Bài làm Thuyết điện từ ánh sáng Maxwell Ánh sáng sóng điện từ, nghĩa trường điện từ biến thiên theo thời gian truyền khơng gian Sóng ánh sáng sóng ngang, sóng điện từ vectơ cường độ điện trường E vectơ cảm ứng từ B ln dao động vng góc với phương truyền sóng Khi ánh sáng truyền đến mắt, vectơ cường độ điện trường tác dụng lên võng mạc gây nên cảm giác sáng Do vectơ cường độ điện trường sóng ánh sáng gọi vectơ sáng Người ta biểu diễn sóng ánh sáng dao động vectơ sáng E vng góc với phương truyền sóng Câu 2: Định nghĩa ánh sáng tự nhiên ánh sáng phân cực Nói rõ phương pháp thực nghiệm dùng phân cực để phân tích tính phân cực chùm tia Laser Bài làm - Ánh sáng tự nhiên tập hợp vơ số đồn sóng ngun tử riêng biệt nguồn sáng phát ra, nên vectơ sóng sáng đồn sóng có phương dao động khác mang tính ngẫu nhiên Vì theo định nghĩa, ánh sáng vectơ sáng dao động đặn (với xác suất) theo phương vng góc với tia sáng, gọi ánh sáng tự nhiên - Ánh sáng có vectơ sáng dao động theo phương xác định vng góc với tia sáng, gọi ánh sáng phân cực phẳng thẳng - Phương pháp thực nghiệm dùng phân cực để phân tích tính phân cực chùm tia Laser: + Thực nghiệm chứng tỏ ánh sáng tự nhiên, sau truyền qua phân cực, trở thành ánh sáng phân cực phẳng có vectơ sáng dao động theo phương hoàn toàn xác định, gọi quang trục Q phân cực Giả sử ánh sáng truyền tới phân cực P ánh sáng phân cực phẳng có vectơ sáng nghiêng góc so với quang trục Q này, có thành phần song song với quang trục Q truyền qua bản, cịn thành phần vng góc với quang trục Q bị cản lại Dễ dàng nhận thấy : = cos α + Theo quan điểm sóng, cường độ ánh sáng phân cực phẳng tỷ lệ thuận với bình phương biên độ vectơ sáng : ~ + Khi truyền qua phân cực P, có thành phần truyền qua với : = E.cos α + Biên độ thành phần vectơ sáng truyền qua phân cực là: = cos α + Do cường độ sáng phía sau phân cực P : hay ~ = = Câu 3: Giải thích chùm tia Laser truyền qua phân cực P , cường độ sáng I phía sau phân cực P lại thay đổi phụ thuộc góc α vectơ sáng E truyền tới phân cực P quang trục Q Bài làm - Vì cường độ sáng I tỉ lệ thuận với bình phương độ vecto sóng sáng, nên E biên độ vecto sóng sáng E I = (E0)2 cường độ sáng ánh sáng phân cự phẳng truyền tới phân cực, biên độ thành phần vecto sóng sáng E1 truyền qua phân cực E 01 = E0.cosα cường độ sáng I1 phía sau bảng phân cực bằng: I1 = (E01)2 = (E0.cosα)2 Document continues below Discover more from: lý dự án quản 2021 Học viện Công ng… 421 documents Go to course BÀI TẬP LỚN CÁ 14 NHÂN MẪU VỀ DỰ… quản lý dự án 94% (52) Bai nhom Qun ly d 35 an D an xay dn quản lý dự án 100% (4) Bài-tập-lớn-môn83 Quản-lý-dự-án-… quản lý dự án 100% (3) QLDA v1 - Giáo trình 130 47 quản lý dự án phần… quản lý dự án 100% (2) HỆ THỐNG CÂU HỎI TRẮC NghiệM… quản lý dự án 100% (2) 179 Quản trị dự án hay I1 = I0.cos α Bảng - Giá trị độ chia nhỏ thước đo góc T : 143 c viện Công nghệ… quản lý dự án 100% (2) - Thang đo độ phân giải Milivôn kế điện tử MC- 897A: 1.5mV - 0.05mV - Thang đo độ phân giải đồng hồ DT 9205A+: 2VDC - Cực đại tại: = α* α cos α cos2α U(mV α* α cos α ) 50 100 0.643 55 0.996 95 0.574 10 60 0.985 92.5 0.5 15 65 0.966 91 0.423 20 70 0.94 90 0.342 25 75 0.906 85 0.259 30 80 0.866 81 0.174 35 85 0.819 75 0.087 40 90 0.766 70 45 0.707 65 cos2α U(mV ) 55 50 43 39 34 29 25 20 20 Câu 4: Phát biểu viết biểu thức định luật Malus phân cực ánh sáng Bài làm - Định luật Malus, đặt theo tên Étienne-Louis Malus, phát biểu rằng: ánh sáng truyền qua phân cực phân cực hoàn toàn, cường độ I ánh sáng truyền qua phân cực tỉ lệ thuận với bình phương cosin góc trục truyền hai phân cực: I= - Đây công thức định luật Malus phân cực ánh sáng Rõ ràng là: • Khi α = cos α = 1: cường độ ánh sáng truyền qua máy phân tích cực đại trục truyền máy phân tích phân cực song song= • Khi α = 90° cos α = 0: cường độ ánh sáng truyền qua máy phân tích nhỏ trục truyền máy phân tích máy phân cực vng góc với = Câu 5: Mơ tả thiết bị thí nghiệm phương pháp khảo sát phân cực ánh sáng để nghiệm lại định luật Malus phân cực ánh sáng Bài làm - Mơ tả thiết bị : a) Đĩa trịn chia độ T xoay xung quang trục qua tâm đĩa Bản phân cực P (Polaroid) đặt tâm đĩa tròn b) Nguồn phát Laser bán dẫn 220V-5mW phát chùm tia Laser màu đỏ, chiếu vng góc vào tâm phân cực Muốn khảo sát thay đổi cường độ ánh sáng phân cực sau truyền qua phân cực P, ta dùng cảm biến quang điện silicon QĐ đặt bên ống che sáng Cường độ chùm sáng Laser truyền qua phân cực P tới rọi vào cảm biến quang điện QĐ, chuyển thành tín hiệu điện, khuếch đại thị Milivônkế điện tử MC-897A Để tăng độ phân giải dễ đọc giá trị điện áp U, ta dùng thêm đồng hồ đa số DT-9205A+ sử dụng thang đo 2VDC nó, nối với hai lỗ cho tín hiệu “To Interface” mặt máy MC-897A Các giá trị điện áp U cho DT 9205A+ MC-897A giá trị cường độ ánh sáng phân cực tỷ lệ với - Phương pháp khảo sát thí nghiệm: Quy “0” cho thiết bị Cắm phích điện MC-897A vào nguồn điện ~ 220V, thực động tác “quy 0” trước đo theo trình tự sau : a) Nới vít hãm V quay cảm biến quang điện QĐ cho trục qua tâm phân cực P Cắm phích chân cảm biến quang điện QĐ vào ổ năm chân MC897A Chọn thang đo “1,5 mV” để “quy 0”, vặn núm biến trở Rf ngược chiều kim đồng hồ vị trí tận trái, ứng với độ nhạy cao b) Bấm khóa K mặt máy, đèn tín hiệu LED phát sáng Quan sát đồng hồ MC897A , kim khơng số phải vặn từ từ núm "qui 0" để kim quay trở số Sau chuyển thang đo “15mV” phù hợp cho thí nghiệm Chú ý : Sau điều chỉnh xong, giữ nguyên vị trí núm "qui 0" suốt thời gian làm thí nghiệm Tiến hành đo a) Cắm phích lấy điện nguồn phát Laser vào nguồn điện xoay chiều ~220V Bật cơng-tắc K1 nó, ta nhận chùm tia Laser màu đỏ Điều chỉnh để chùm tia laser qua tâm phân cực P chiếu thẳng vào tâm cảm biến QĐ Vì ống che cảm biến dài nên thường khó quan sát vị trí chùm tia laser cảm biến Ta xác định cách nới nhẹ vít hãm phía sau cảm biến, quay cảm biến 1800 , cho vít hãm phía sau cảm biến hướng phía chùm tia Laser Nếu vệt sáng Laser chiếu vào tâm vít đạt yêu cầu Xoay đĩa chia độ, ta thấy vệt sáng Laser nằm tâm vít, cường độ vệt sáng thay đổi theo góc quay Sau ta quay cảm biến vị trí ban đầu vặn vít hãm để cố định b) Quay đĩa chia độ T kim đồng hồ MC- 897A đạt độ lệch cực đại, cuối thang đo, vượt vạch 100 Tùy theo cường độ chùm Laser mà ta cần chọn thang đo thích hợp MC-897A để đạt yêu cầu (ví dụ : ta chuyển sang thang đo 3mV 30mV tùy theo cường độ nguồn phát Laser) Sau đó, vặn từ từ núm biến trở Rf cho kim đồng hồ MC-897A dịch chuyển, vạch 100 mặt thang đo MC897A Đọc ghi giá trị góc quay ban đầu * 0 (trên đĩa chia độ T) giá trị điện áp U tương ứng MC-897A DT 9205A+ c) Tiếp tục xoay thước trịn T để tăng dần góc quay từ giá trị * 0 đến giá trị * *    = +0 , với  tăng từ 0 - 90, lần tăng 50 Đọc ghi giá trị góc quay * giá trị điện áp U tương ứng lần đo d) Đọc ghi số liệu − Độ chia nhỏ thước tròn T − Độ chia nhỏ giới hạn của thang đo chọn MC-897 DT 9205A+ Chú ý: Cần kiểm tra xác vị trí cường độ sáng đạt cực đại cực tiểu, cách xoay đĩa chia độ lân cận hai phía vị trí quan sát kim thị đồng hồ MC - 897A, xác định xác vị trí đĩa chia độ T ứng với cực đại cực tiểu cường độ sáng Bằng cách này, ta xác định xác vị trí mặt phẳng dao động ( cường độ sáng đạt cực đại) mặt phẳng phân cực (khi cường độ sáng đạt cực tiểu) chùm tia Laser KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG BỨC XẠ NHIỆT NGHIỆM LẠI ĐỊNH LUẬT STEFAN – BOLZMANN I Mục đích thí nghiệm Ta nghiệm lại định luật Stefan – Boltzmann vật xám dây tóc bóng đèn II Kết thí nghiệm Bảng 1: Đo điện trở nhiệt độ phịng Nhiệt độ phịng thí nghiệm: = 28 (0C) Cường độ dòng điện I Hiệu điện U Điện trở dây tóc chạy qua đèn Đ I1 = 50 mA I2 = 100 mA I3 = 150 mA hai đầu đèn Đ U1 = 20 mV U2 = 50 mV U3 = 90 mV đèn nhiệt độ phòng Rp1 = 0,4 (Ω) Rp2 = 0,5 (Ω) Rp3 = 0,6 (Ω) Tính giá trị điện trở dây tóc đèn nhiệt độ 00C theo công thức : R0 = = = 0,4403 (Ω) Bảng 2: Đo điện trở nhiệt độ T suất nhiệt động E tương ứng U (V) I (A) 0,58 Rt = U/I 1,724 T (K) 833,768 ln T 6,726 E (mV) 0,04 ln E -3,219 0,75 2,667 1201,135 7,091 0,14 -1,966 0,9 3,333 1457,069 7,284 0,22 -1,514 1,03 3,883 1648,035 7,407 0,45 -0,799 1,14 4,386 1803,491 7,497 0,61 -0,494 1,25 4,8 1938,194 7,570 0,99 -0,01 - Nhiệt độ T tính theo cơng thức T=273+ Vẽ đồ thị: ln E ~ ln T ln E ~ ln T 0.0 6.6 6.8 7.0 7.2 7.4 7.6 7.8 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 -3.0 -3.5 Tính độ dốc n đồ thị ln E ~ ln T n = tg = = 3,802 So sánh với giá trị n = kết luận : Định luật Stefan – Boltzmann có nghiệm vật xám CÂU HỎI KIỂM TRA Câu 1: Nêu định nghĩa xạ nhiệt Thế xạ nhiệt cân bằng? Bài làm Bức xạ nhiệt tượng sóng điện từ phát từ vật bị kích thích tác dụng nhiệt Khi vật phát xạ, lượng giảm nhiệt độ giảm theo Ngược lại vật hấp thụ xạ, lượng tăng nhiệt độ tăng Trong trường hợp phần lượng vật bị phát xạ phần lượng vật thu hấp thụ, nhiệt độ vật không đổi theo thời gian xạ nhiệt vật không đổi Bức xạ nhiệt trường hợp gọi xạ nhiệt cân Câu 2: Phân biệt hệ số phát xạ đơn sắc suất phát xạ tồn phần, Nói rõ ý nghĩa vật lý đơn vị đo đại lượng Năng suất phát xạ toàn phần  Xét vật đốt nóng giữ nhiệt độ T khơng đổi  Phần tử diện tích vật phát đơn vị thời gian lượng lượng xạ toàn phần dT  RT = gọi suất phát xạ toàn phần nhiệt độ T  Năng suất phát xạ toàn phần vật nhiệt độ T đại lượng có giá trị lượng xạ tồn phần đơn vị diện tích vật phát đơn vị thời gian nhiệt độ T  Đơn vị: W/m2 Hệ số phát xạ đơn sắc  Bức xạ toàn phần vật phát nhiệt độ T bao gồm nhiều xạ đơn sắc Mỗi xạ đơn sắc ứng với giá trị xác định bước sóng   Giả sử xạ đơn sắc có bước sóng nằm khoảng từ    d đơn vị diện tích vật nhiệt độ khơng đổi T phát đơn vị thời gian, mang theo lượng dRT  r,T = gọi hệ số phát xạ đơn sắc vật nhiệt độ T ứng với bước sóng  Phụ thuộc vào chất, nhiệt độ vật bước sóng λ xạ đơn sắc vật phát  Đơn vị: W/m3 Bằng thực nghiệm ta xác định r,T ứng với xạ đơn sắc bước sóng λ vật phát nhiệt độ T, từ ta xác định suất phát xạ toàn phần: R T = RT = d  Câu 3: Phân biệt vật đen tuyệt đối vật xám Phát biểu viết biểu thức định luật Stefan-Boltzmann xạ nhiệt cân vật đen tuyệt đối Bài làm -Vật đen tuyệt đối vật hấp thụ hoàn toàn lượng xạ nhiệt truyền tới Vật xám vật hấp thụ phần lượng xạ nhiệt truyền tới chúng - Định luật Stefan-Boltzmann: Năng suất phát xạ toàn phần vật đen tuyệt đối tỷ lệ thuận với lũy thừa bốn nhiệt độ tuyệt đối vật đó, nghĩa là: R(T) = σ.T4 σ = 5,67.10-8 W/m2.K4 gọi số Stefan-Boltzmann, T = t(oC) + 273 (oK) Câu 4: Trình bày phương pháp nghiệm lại định luật Stefan – Boltzmann thí nghiệm Bài làm Để nghiệm lại định luật Stefan – Boltzmann dây tóc vơnfram bóng đèn, ta cần đo nhiệt độ T khác dây tóc suất phát xạ toàn phần R(T) tương ứng, xác lập mối quan hệ chúng Nhiệt độ T dây tóc Vonfram đo nhờ hiệu ứng thay đổi điện trở theo nhiệt độ nó: Rt = R0 (1+t + βt2) (1) Trong với Rt R0 điện trở dây tóc đèn t ( ) ( ) , hệ số nhiệt điện trở vônfram: α = 4,82 10-3 K-1 , = 6,76 10-7 K-2 Điện trở Rt dây tóc bóng đèn đo dễ dàng theo phương pháp VonAmpe, cách đo dòng điện I chạy qua bóng đèn hiệu điện U cực nó: Rt = (2) R0 điện trở dây tóc bóng đèn 0, xác định cách đo điện trở Rp dây tóc nhiệt độ phòng , với dòng điện đủ nhỏ, áp dụng cơng thức (1) tính R0: R0 = (3) Thay Rt R0 vào (1) giải để tìm nhiệt độ t(), cộng thêm 273K ta nhiệt độ tuyệt đối dây tóc bóng đèn: T=273+ (4) Năng suất phát xạ tồn phần R(T) đo cảm biến nhiệt điện bán dẫn Đó đồng mỏng bơi đen để hấp thụ gần tồn lượng xạ gửi tới, chuyển thành nhiệt Lá đồng hàn hai bán dẫn nhiệt điện, nhờ tạo suất nhiệt điện động E tỷ lệ với thông Φ xạ gửi tới : E ~ Φ (5) Với khoảng cách cố định dây tóc đèn cảm biến nhiệt điện, thông Φ xạ nhiệt gửi tới mặt cảm biến tỷ lệ với suất phát xạ tồn phần R(T) dây tóc bóng đèn : Φ ~ R(T) (6) Nếu cặp nhiệt điện nhiệt độ " không độ tuyệt đối " , giả sử suất phát xạ toàn phần R(T) dây tóc bóng đèn tỷ lệ với lũy thừa bậc n T ta viết: E ~ R(T) ~ Tn (7) Nhưng cặp nhiệt nhiệt độ phịng thí nghiệm Tp nên phát xạ theo định luật Vì thế, hệ thức (7) phải viết thành : E ~ ( - ) (8) Trong trường hợp này, T >> Tp bỏ qua so với áp dụng hệ thức (7) Khi đồ thị biểu diễn quan hệ E T hệ trục tọa độ lôgarit kép (Hình 1) đường thẳng có độ dốc n : ln E = n ln T + const (9) Giá trị n xác định từ thực nghiệm cho phép ta rút kết luận định luật Stefan- Boltzmann có nghiệm vật xám hay không Câu 5: Tại thực động tác qui “ ” thang đo vônkế điện tử, ta phải chờ khoảng 4-5 phút phải quay ống che ánh sáng đầu cảm biến nhiệt NĐ lệch chút so với phương trục giá quang học G? Bài làm Việc chờ khoảng 4-5 phút sau thực động tác qui “ ” thang đo vônkế điện tử giúp cho hệ số đo ổn định giúp ta dễ dàng ghi nhận kết đo Sau thực động tác qui “ “ thang đo vônkế điện tử tiếp ta tăng hiệu điện rơi hai đầu bóng đèn 6V lúc suất nhiệt điện động E thị bóng đèn tối đa, suất điện động E thị Milivon kế điện tử MV tăng từ từ lên đến cực đại vượt thang đo điều làm tải dẫn đến hư hại thiết bị đo, phải quay ống che ánh sáng đầu cảm biến nhiệt NĐ lệch chút so với phương trục giá quang học G để giảm lượng xạ phát từ dây tóc bóng đèn từ giảm suất điện động E Milivon kế điện tử tránh hư hại thiết bị ảnh hưởng đến kết đo tải