báo cáo bài tập lớn giao thoa kế michelson và ứng dụng 1

Hình ảnh mô tả giao thoa ánh sáng bởi bản mỏng có độ dày thay đổi...3Hình 1.. Nghiên cứu các vấn đề lý thuyết về hiện tượng giao thoa ánh sáng đối với thí nghiệm Michelson và hệ vân tròn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

GIAO THOA KẾ MICHELSON VÀ ỨNG DỤNG

GVHD: Nguyễn Thị Minh Hương

Lớp: L01 Nhóm 12

TP HỒ CHÍ MINH, NGÀY 01 THÁNG 12 NĂM 2022

MỤC LỤC

DANH SÁCH THÀNH VIÊN i

MỤC LỤC ii

DANH SÁCH HÌNH ẢNH iv

TÓM TẮT BÀI VIẾT v

NỘI DUNG CHÍNH 1

CHƯƠNG I HIỆN TƯỢNG GIAO THOA ÁNH SÁNG 1

1.1 Hiện tượng giao thoa ánh sáng 1

1.2 Hiện tượng giao thoa ánh sáng gây ra bởi các bản mỏng 2

1.2.1 Giao thoa ánh sáng cho bởi bản mỏng có độ dày thay đổi – Vân có cùng độ dày 2 1.2.2 Bản mỏng hình nêm 4

1.2.3 Bản mỏng cho vân tròn Newton 5

1.2.4 Giao thoa gây bởi bản mỏng có bề dày không đổi – vân cùng độ nghiêng .6

CHƯƠNG II GIAO THOA KẾ MICHELSON 7

2.1 Sơ đồ nguyên lí 7

CHƯƠNG III ỨNG DỤNG GIAO THOA KẾ MICHELSON 9

3.1 Máy quang phổ biến đổi Fourier: 9

3.2 Giao thoa kế Twyman: 9

3.3 Giao thoa kế đường đi không đều bằng laser: 10

3.4 Phép đo sao: 10

3.5 Phát hiện sóng hấp dẫn: 11

3.6 Các ứng dụng khác: 11

3.7 Các ứng dụng trong khí quyển và không gian: 13

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 16

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Hình ảnh mô tả giao thoa ánh sáng 1

Hình 1 2 Khe Young 1

Hình 1 3 Lưỡng lăng kính Fresnel 2

Hình 1 4 Hình ảnh mô tả giao thoa ánh sáng bởi bản mỏng có độ dày thay đổi 3

Hình 1 5 Bản mỏng hình nêm 4

Hình 1 6 Vân tròn Newton 5

Hình 1 7 Hiệu quang lộ của hai tia 6

Hình 2 1 Sơ đồ nguyên lý giao thoa kế Michelson 7

Hình 3 1 Quang phổ biến đổi Fourier 9

Hình 3 2 Giao thoa kế Twyman-Green 10

Hình 3 3 Biểu đồ doppler của Helioseismic Magnetic Imager (HMI) cho thấy vận tốc của các dòng khí trên bề mặt mặt trời Màu đỏ biểu thị chuyển động ra khỏi người quan sát và màu xanh lam biểu thị chuyển động đối với người quan sát 12

Hình 3 4 Thiết lập quang học điển hình của điểm đơn OCT 13

Hình 3 5 Từ tính (hình ảnh từ tính) của Mặt Trời hiển thị các vùng có cường độ từ tính ( vùng hoạt động) bằng màu đen và trắng, như được chụp bởi máy chụp ảnh từ trường và trực thăng (HMI) trên đài quan sát Động lực học Mặt Trời 14

TÓM TẮT BÀI VIẾT

Bài báo cáo đề cập một số vấn đề quang học sóng ở trường phổ thông về các mặt Nghiên cứu các vấn đề lý thuyết về hiện tượng giao thoa ánh sáng đối với thí nghiệm Michelson và hệ vân tròn Newton; thiết kế thí nghiệm đo bước sóng ánh sáng đơn sắc của các nguồn sáng; hướng dẫn và đánh gia kết quả làm thí nghiệm của học sinh nhằm phát triển năng lực toàn diện của học sinh trong các hoạt động nhận thức Đưa ra các ứng dụng về giao thoa kế Michelson

NỘI DUNG CHÍNH CHƯƠNG I HIỆN TƯỢNG GIAO THOA ÁNH SÁNG

1.1 Hiện tượng giao thoa ánh sáng

Giao thoa ánh sáng là hiện tượng gặp nhau của hai hay nhiều sóng ánh sáng, kếtquả trong trường giao thoa sẽ xuất hiện những vân sáng và những vân tối xen kẽ nhau

Hình 1 1 Hình ảnh mô tả giao thoa ánh sáng

Điều kiện để xảy ra hiện tượng giao thoa: các sóng ánh sáng phải là sóng kết hợp.Nguyên tắc tạo ra hai sóng ánh sáng kết hợp: từ một sóng duy nhất tách ra thành hai sóngriêng biệt (ví dụ: khe Young, gương Fresnel, lưỡng lăng kính Fresnel, bán thấu kínhBillet, gương Lloyd…)

Hình 1 2 Khe Young

Hình 1 3 Lưỡng lăng kính Fresnel

Điều kiện cực đại giao thoa là hai dao động sáng cùng pha với nhau

∆ φ=φ1−φ2=2 kπ hay hiệu quang lộ ∆ L=L L1− 2=k với k= 0; 1; 2;… (1)

Điều kiện cực tiểu giao thoa hai dao động sáng ngược pha với nhau

∆ φ=φ1−φ2= ( 2 k +1)π hay hiệu quang lộ: ∆ L=L1−L2=( 2 k +1)❑

2 với k=0;1 ;2 ; …(2)

1.2 Hiện tượng giao thoa ánh sáng gây ra bởi các bản mỏng

Bản mỏng là một bản trong suốt có độ dày vào cỡ vài phần trăm milimet, thí dụnhư màng xà phòng, váng dầu, lớp không khí mỏng,…Khi chiếu ánh sáng vào bản mỏngthì mặt trên bản mỏng thường xuất hiện các vân sóng nhiều màu – gọi là các vân bảnmỏng Nguyên nhân của hiện tượng này là do có sự giao thoa của các chùm tia sáng phản

xạ ở mặt trên và mặt dưới của bản mỏng

1.2.1 Giao thoa ánh sáng cho bởi bản mỏng có độ dày thay đổi – Vân có cùng

độ dày

Hình 1 4 Hình ảnh mô tả giao thoa ánh sáng bởi bản mỏng có độ dày thay đổi

Thực nghiệm chứng tỏ rằng khi tia sáng bị phản xạ trên môi trường chiết quanghơn (thí dụ, tia sáng truyền từ không khí tới phản xạ trên thủy tinh ) thì quang lộ của nó

2) Ta dễ dàng tính được hiệu quang lộ giữa hai tia phản xạ

ở mặt phẳng trên và mặt phẳng dưới như sau:

L1 - L2 = 2d√n2

−sin2

i - Với: d: bề dày của bản mỏng tại điểm quan quát

n : chiết suất của bản mỏng

i : góc tới của tia sáng trên bản mỏng

: bước sóng của ánh sáng tới

- Cực đại giao thoa nằm tại các vị trí ứng với độ dày d của bản mỏng thỏa mãn điều kiện:

Bây giờ ta xét hai trường hợp đặc biệt của bản mỏng có độ dày thay đổi: đó là bảnmỏng hình nêm và bản mỏng cho các vân tròn Newton.

1.2.2 Bản mỏng hình nêm

Bản mỏng hình nêm thường là một lớp không khí mỏng giới hạn giữa hai bản thủytinh G1, G2 có độ dày không đáng kể đặt nghiêng trên nhau một góc α rất nhỏ vào cỡ vàiphần nghìn radian

Thực nghiệm và lý thuyết chứng tỏ rằng khi ánh sáng phản xạ trên môi trường cóchiết suất lớn hơn môi trường ánh sáng tới thì quang lộ của tia phản xạ đi thêm mộtđoạn ❑

4 với k = 1,2,3,…

Hình 1 5 Bản mỏng hình nêm

- Khoảng cách giữa hai vân cực tiểu hoặc hai vân cực đại kế tiếp nằm trên một bảnmỏng hình nêm có giá trị bằng:

i = dk+1−dksinα ≈

❑

2 α

- Vì vào cỡ 10−6 m nên muốn nhìn thấy rõ các vân giao thoa (ứng với khoảngcách i = 10−3

m ) thì góc nghiêng α của bản mỏng hình nêm phải vào cỡ 10−3 rad

1.2.3 Bản mỏng cho vân tròn Newton

Bản mỏng cho vân tròn Newton là một lớp không khí giới hạn giữa mặt cong củamột thấu kính phẳng – lồi L đặt tiếp xúc với một bản thủy tinh phẳng P tại điểm O.Bản mỏng cho vân tròn Newton cũng giống như cho bản mỏng hình nêm, nhưngmặt trên của nó là mặt con có bán kính R lớn Chiếu một chùm tia sáng đơn sắc songsong theo phương vuông góc với bản thủy tinh P Khi đó các tia sáng phản xạ ở mặt trên

và mặt dưới của bản mỏng này sẽ giao thoa với nhau, tạo thành những vân giao thoa cùng

độ dày định xứ ở ngay mặt trên của bản mỏng, tức là nằm tại mặt cong của thấu kínhphẳng – lồi L

Do tính chất đối xứng của bản mỏng xung quanh trục OC nên những vân cực đại

và cực tiểu giao thoa đều có dạng là những vòng tròn sáng và tối xen kẽ nhau, có tâmnằm trên trục OC Vì thế những vân giao thoa này được gọi là những vân tròn Newton

- Những cực tiểu giao thoa (vân tối) nằm tại các vị trí ứng với độ dày d của bảnmỏng cho vân tròn Newton xác định bởi điều kiện:

Hình 1 6 Vân tròn Newton

Hình 1 7 Hiệu quang lộ của hai tia