Khóa luận tốt nghiệp Vật lý: Giao thoa kế michelson đo vận tốc ánh sáng phản xạ cực ngắn

II, SỰ PHÁT XA CUA LASER Như đã nói ở trên, thì sự phát xạ của các hạt phân tử, nguyên tử trong các nguồn sóng thông thường là các quá trình xảy ra | cách tự phát, hoàn toàn ngẫu nhiên..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

ĐẠI HỌC SƯ PHAM

KHOA VẬT LÝ

GiqO THO@ KẾ MICHELSON

GYuD : Thấy NGO DUY CHU

SYTH : PAO KIM NGUYEN THUY NAM LOP ; LÝ 4A

Niên khóa 1995 -1999

LOI CAN ON

Lời ddu Hên em xin chan thành cảm om sự quan tam và giáp

đã của Ban Gidm hiện trường DHSP TPHCM Kính gởi đến

quý Thầy Cé khoa Vật lý lời cảm om chân thành nhất, nhờ sự tận tam day dã cda Thấy Ca đã trang bị cho em những kiến théc, những bài hoe quý bau nhất Dac biệt em xin bày tổ lòng biết on

sâu sắc nhất danh cho thầy: Ngô Duy Chu đã tân tinh hướng

dẫn, day bdo em để em hoàn thành tết nhất luận văn tế! nghiệp

này.

Con xin chân thành cảm on Ngeai — Me và gởi đến anh chị

em lời cản em trần trong nhất, đã hết lòng dng hệ giáp đỡ cả về vật chất lẫn tinh thần trong sudt thời gian học tập và hoàn thành

luận văn này

MỘnh gởi đến tất cả các bạn lời cảm om thiết thuc nhất.

Cảm om những lời động viên và quan tâm của các bạn, cùng với

nhang kiến thức, linh nghiệm mà Thầy Ca khoa Vật lý đã tân tuy

dạy dã cho mình, sẽ mãi mãi là hành trang tết nhất, trdn trong

nhất để mình bước vào đời,

ĐÀO KIM NGUYỄN THỤY NAM

Lài cdm ơn

Chương I

Sơ Lược Về Lý Thuyết Laser

1 Khái quát lich sử hình thành Laser .ssscsssersresnseerseseneesrestsesneceneereessesenesinnnns 2

IL Sự phát xa cỦa Laser ccccccccsssssessssenssesssssssonesenereessessncereeerstesectesnsassavencssuenensensses 3

II, Sag Kh@ếeb | ««««=eee===ssnneeesn=enseeeoecoeễsseenseeeseoooeooseeoeseerooooeoooneoeootrrvt6pseSeone 5

IV Tinh chất đặt biệt ca Lasct sssccscererecsrnenersrsccsseorsssssonssncnsecasossseansennnsnersererernenes 7

As OPTUS THA ORI sone ncenensnenssscomeeepemnenesspasemmenenyhn sremrapennn new 9

Chương H

Giao thoa kế Michelson.

Ai Đao thn Dall MÔN 066cc 66c ta66600526000046636i4oxipasees l4

L CH BẠN 631cc) aa ecclesia eet saat atta 14

IL Nguyên thc hoạt động: ccccsessssisisscssnsesssudas dussnccensssenssoessebvenstéesicesvensosesssedssnsations 15

B Xác định bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế Michelson -.‹ 18

I Dụng CU n cccsessccssscessnsssscssesroverssesssossrscesoesveessnrnteneenessaacssnessacaccansesseegeesennanenestenserenene 18

2` TTG pliant a ea aa tae amma 18

3 Phương phấp d0 ccccsssscossserssssssssssecesenesssnsssssensscnessnensssssseesnnsenasssasnansnonsnoussseseseanens 18

4 Bang báo cáo kết Quà o-osoeeoeeeeneeornnooesrssdoans0setog900800090000o 20

5 Chủ ý kết quả tực nghiệm SS—-s s:2<-<SĂSĂ<SĂSẴS000222S6222 200016 <Csesoeoilgkosnsemse 21

Chương IH

Sơ lược lý thuyết đo vận tốc ánh sáng

L Tắm quan trọng của việc đo vận tốc ánh sắng - -‹.-<5 <6 sec 23

ll Các phương pháp đo vận tốc ánh Sang .0sssessesssnesnsnnsneersnsarenesnenreneaneneensennes 24

II Vận tốc truyền của ánh sáng trong chân không -+-<.++vc<+s<Se‡ 31

Chương IV.

Đo vận tốc ánh sáng bằng xung phản xạ cực ngắn

I Cấu tạo dụng cụ đo vận tốc ánh SANg cssssvecveessessssessesseesnecnsensssessncsnnenseeneennenses 38

II Nguyên tắc do vận tốc ánh sáng ĂsằẴŸŸHneeeierrre 4

II — Chú ý an toàn trong thí nghiệm - -<Ăc<sseeieiiirirrrrreideeirieee 44

IV Các bước tiến hành thí nghiệm <<<-<c<<scseveeserrerreeeeexeeeserexe 44

V -—- Kết quả thínghiệm ì iSSiieeeseirriiirmieree 45

Trong lịch sử hình thành và phát triển của loài người, lúc nào con người

cũng không bao giờ thỏa mãn với chính mình, con người luôn tìm kiếm những cái

mới để thỏa mãn nhu cầu của họ Chính vì vậy, việc phát minh ra Laser cũng bắt

nguồn từ sự cố gắng của các nhà khoa học, họ muốn tim cách sản xuất các luéng

sóng vô tuyến có bước sóng càng ngắng càng tốt Như chúng ta đã biết trong kỷ

thuật vô tuyến, người ta đã biết rằng muốn tạo ra các luồng sóng vô tuyến có bước sóng càng ngắn thì phải có máy phát sóng vô tuyến có kích thước càng nhỏ Nhưng

các nhà khoa học lại đứng trước vấn để khó khăn là: không thể tạo ra các máy có

kích thước quá nhỏ, thế thì các nhà khoa học làm sao? Họ đã nghỉ tới một máy phát vô cùng nhỏ có sẩn trong tự nhiên đó là các nguyên tử, phân tử vì chúng ta biết ánh sáng là loại sóng điện từ có bước sóng ngấn phát ra bởi các nguyên tử,

phân tử Nhưng làm thế nào để các máy phát tí hon này hoạt động theo ý mình, vì

sự phát sóng của chúng là hoàn toàn ngẫu nhiên, tự khát không kiểm soát được

Các nguyên tử, phân tử trong cùng 1 nguồn sáng phát ra ánh sáng theo tất cả mọi

phương, với vô số bước sóng khác nhau Các sóng được phát ra không có liên hệ gì với nhau về biên độ, pha Một nguồn phát sóng như thế thì không có lợi gì cho ta

trong kỷ thuật vô tuyến.

Trong quá trình tìm tòi, nghiên cứu thì các nhà khoa học đã giải quyết được

vấn để này, nghĩa là họ đã điểu khiển được các bức xạ phát ra bởi các nguyên tử,

phân tử, từ đó đưa đến việc phát minh ra Laser: light amplification by stimulated

Emission of Radiation and Maser; Microwave

Đầu tiên nguyên tắc phát xa kích động của | bức xa hay hiện tượng khuếch

đại ánh sáng được Einstein đưa ra từ 1917 khi mà ông lập bảng thống kê năng

lượng trong sự phát xạ của | vật đen được khảo sát bởi W Wien và Max Planck.

Đến 1950 thì Chales Townes ở Viện ĐH Columbia (Masyland) đã bắt đầu khảosát lý thuyết về Maser; cùng lúc này A Kastler (ĐH Sư phạm Paris) đã nghĩ ra kỷ

thuật "Bơm quang học” với sự cộng tác dụng hàm thụ của Tolansky ở Manchester (1045) của F Bitter ở Mit (1948) va J, Brossel nghiên cứu sự cộng tác dụng hàm thụ của Tolansky ở Manchester (1045) của F Biter ở Mit (1948) và J Brossel nghiên cứu sự cộng tác dụng hàm thụ của Tolansky ở Manchester (1045)

của F Bitter ở Mit (1948) va J Brossel nghiên cứu trong khoảng thời gian 1945 —

1951, kỷ thuật “Bom quang học" có thé dùng trong việc chế tạo laser mà ta không

để cập ở đây Đến nam 1954 thì Tonnes đã thực hiện được maser dau tiên cùng

Đến năm 1958 thì Jonnes mới đặt vấn để thực hiện maser quang học, tức là

laser (sóng hồng ngoại, tử ngoại, ánh sáng khả kiến) Và đến 1960 thì Maiman, là

kỹ sư công ty Hughes Aircraft thực hiện được laser d4ut iên, thành công này vang

đôi khấp năm châu.

II, SỰ PHÁT XA CUA LASER

Như đã nói ở trên, thì sự phát xạ của các hạt (phân tử, nguyên tử) trong các

nguồn sóng thông thường là các quá trình xảy ra | cách tự phát, hoàn toàn ngẫu

nhiên Khi 1 hạt nào đó nhận được năng lượng thích hợp, hạt sé từ trạng thái bền,

sẽ nhảy lên trạng thái kích thích có mức nang lượng cao hơn, nhưng sau một thời

gian hạt sẽ trở vé trạng thái đầu, nghĩa là phát ra photon Nhưng đó không phải là

cơ sở hoạt động của máy laser.

Vào 1917 Einstein cho ring: không những các hạt phát xạ | cách ngẫu

nhiên như ở trên mà còn có thể phát xạ do sự tác dụng động bên ngoài Giả sử khi

ta chiếu vào | bức xạ thích hợp thì các hat, giả sử ở mức E¿ sẽ nhảy về E, và phát

ra | bức xạ đó chính là bức xạ kích động và máy laser hoạt động trên cơ sở này.

(E¿ > E\ ).

Bây giờ ta xét một trường hợp đơn giản: Một hệ chứa các hạt cùng loại,

một số lớn các hạt ở mức năng lượng E; và 1 số nhỏ ở mức E; (Ez > E)), số hạt ở 2

mức đó theo thứ tụ là nạ và np Một hạt của E; nếu nhận một photon có năng lượng

hf thì nó sẽ nghiệm đúng: E; -E; = hf:

lị: hằng số planck ; h = 6,625.10”” J/s

f: tần số bức xa

thi hạt ở mức E; có thể hấp thụ photon đó, hạt đó sẽ có nang lượng: E; +

hf = Ea, tức là nó nhảy lên Ep, ta nói hạt đó đã bị kích thích và hiện tượng hấp thụ

là hậu quả của hiện tượng kích thích Như vậy số hạt từ mức E; nhảy lên E trong

khoảng thời gian từ thời điểm t đến thời điểm t' = t+ dt là:

- dn, =Bn,sdt(l)

B >0: xác suất hấp thu

Còn số hạt ngẫu nhiên rơi trở về mức E trong khoảng thời gian trên là:

- dn; = An;dt (2); A: Xác suất phát xạ ngẫu nhiễn

Do ở sức E; kém bến vững hơn E; nên tuổi thọ của hạt sẽ kém bền, thời

gian mà hat ở E; khoảng từ 10” -> 10”(s)

Từ (2) => Ủa „ - Adt => log * =- At =>n;=noe”"

nz nọ

Ta đạt A = ` : t= đời sống trung bình của 1 hạt ở trang thái kích thích.

Bây giờ nếu như | hạt ở E; nhận được | photon hf, nang lượng của nó là E;

+ hf, hạt này không thể tiếp tục ở đó nữa dù chưa hết thời gian t Mà nó cũng

không thể lên mức cao hơn vì ta giả sử nó có 2 mức, do đó nó phải rớt xuống E; ,

nó sẽ trả lại photon hf mà nó đã hấp thụ khi tiến từ E, -> E;, đó là phát xạ kích động Số hạt phát xạ kích động trong khoảng thời gian dt là:

- dng” = Bn;sdt (3)

(Giả sử xác suất hấp thụ B bằng xác suất phát xạ kích động A)

+ Các photon gây kích động và phát xạ do kích động là những photon đồng pha và đồng hướng.

+ Khi hệ đạt tới sự cân bằng nhiệt động lực học tức số hạt ở mức E; không

thay đổi, vậy số hạt đến mức E; phải bằng số hạt rời khỏi E¿ trong cùng | khoảng

- Nghĩa là số hạt ở mức kích thích E; (có năng lượng cao hơn) bao giờ cũng

ít hơn số hạt ở mức nang lượng cơ bản E; (nang lượng thấp hơn).

Vậy phát xạ kích động tăng theo bậc ba độ dài sóng.

Như ta nói ở phần trên, nếu như | photon hf gặp một hạt ở trang thái kích

thích và làm hat nay rơi vé mức cơ bản, thi photon được phóng thích cũng là hf và

nó hoàn toàn giống photon kích động về hướng đi, bước sóng, sóng, pha, tính phân

cực Kết quả của sự kích động là một photon tới I hạt ta được 2 photon phát xa, 2

photon này gặp 2 hạt kích thích E; khác kết quả ta được 4 photon phat xạ cùng

pha, cùng hướng và cứ như thế mãi Kết quả là ta đã khuếch đại được ánh sáng

tăng lên rất nhanh Nhưng nếu hf gặp 1 nguyên tử E, thì chỉ có hấp thụ chứ không

phat xạ Như thế muốn có phát xạ kích động thì n; > n; hay nạ -n; > 0 đó là sự đảo ngược dân số, môi trường như thế gọi là “môi trường hoạt tinh”.

=>

Tuy nhiên trạng thái này là trạng thái hoan toàn nhân tạo, tổn tại khoảng

10 (s) rồi din dan 2 dân số lại trở lại cân bằng (n; < n; ) lúc đó muốn có khuếch

đại lại phải nghịch đảo dân số nữa

Còn theo Javan, Bennett, Herriot (1962), sự nghịch đảo dân số giữa các

mức nang lượng của Neon được thực hiện qua cơ chế chuyển năng lượng từ những nguyên tử He ở mức kích thích giời ẩn Ey sang những nguyên tử Ne ở mức cơ bản

E,, do sự va chạm giữa các nguyên tử He và Ne:

He + Ne -> Ne + He

Điều kiện n; -n, > 0 là 1 điểu kiện cẩn có, chưa phải là điểu kiện đủ Thật

vậy, phải kể những sự mất năng lượng ra ngoài bình, do đó muốn có được một

chùm laser có đặc tính định hướng cao thì riêng môi trường hoạt tính thì chưa đủ,

ta can phải có thêm | bộ phận để tăng cường độ ánh sáng và định hướng chùm

laser khi nó ra khỏi máy.

Ta xét trường hợp đơn giản, bộ phận cộng hưởng gồm 2 gương M,,M; bố

trí ở 2 đầu máy Các photon có phương di chuyển thẳng góc với 2 gương sẻ dội đi, đội lai nhiều lần trong môi trường hoạt tính, trong quá trình di chuyển như thế các

photon đập vào các hạt ở trạng thái kích thích, làm phóng thích các photon khác.

Các photon này lại phản chiếu qua lại gữa 2 gương, lại đập vào các hạt kích thích

khác và làm bật ra thêm các photon mới nữa, cứ như thế cường độ ánh sáng tăng

lên rất mạnh Còn các photon nào không di chuyển thẳng góc với 2 gương thì sau |

hồi đi chuyển, chỉ bị lọt ra khỏi máy Như vậy trong cấu tạo của máy laser, có thể

có | phẩn năng lượng sẽ bị mất đi do sự phản chiếu trên gương và do sự nhiễu xạ

làm lệch hướng đi của các photon, đo đó ta chỉ thực hiện được hiện tượng khuếch

đại cường độ ánh sáng nếu công suất P sinh ra do sự phát xạ kích động lớn hơn

công suất P* mất đi:

L: chiéu dài giữa 2 gương M; và M2

* Cường độ ánh sáng mất di trong | đơn vị thời gian là:

tus 5 Ti a T= ; D: chiéu rộng của gương

Từ đây ta có: cường độ ánh sáng giảm tổng cộng là:

—=-Ï(—+—)m— + wabg, st.)

dt T, T; T T Tí 1;

Nếu máy càng tốt thi T càng lớn => năng lượng mất đi càng ít

*Tóm lại: Điều kiện khuếch đại lai: P>P"

càng thấp Chỉ khí nào nạ -n; vượt qua thểm thì ánh sáng phát ra là ánh sáng laser,

còn ánh sáng phát ra là ánh sáng không diéu hợp thông thường nếu như nó ở bên

chấn động phát ra giữa các hạt Các photon phát ra có liên lạc với nhau, mà liên

lạc này gọi là tối ưu nếu như các photon cùng pha

2) Tính đơn sắc

Các photon phát xạ kích động mang cùng một năng lượng là hg do quangphổ rất hep, bể rộng của nó có thể hẹp gấp 10° lần bể rộng của bức xạ phát ra bởi

ánh sáng thông thường vì thế laser có tính đơn sắc rất cao.

Ví dụ: Bé rộng của vạch 4 = 694 nm có thể hep gấp 10° lin bể rộng của bức

xa phát ra bởi vạch A = 694 nm nhưng không là laser Vừa đồng pha, vita đơn sắc

HINH VỀ MINH HỌA TINH DON SAC CUA LASER

3) Tinh song song

Các photon phát ra đều song song với ánh với ánh sáng kích thích 1960 một

chùm ánh sáng laser có thể chiếu xa 40 km, tới đích ta được một thiết điện là hình

tròn mà đường kính 4m, góc phân kỳ là: a = 10' rad

1962, một chùm laser được chiếu lên mặt trăng ở xa 400.000 km mà chỉ có

một vùng 12 km sáng mà thôi Góc phân kỳ là: a = tơ = 0,3.102 rad “1g (phút)

4

IV CÁC LOẠI LASER VÀ CÁCH CHẾ TẠO

Hồng ngọc (Rubis) là | tinh thể nhôn oxit Al;O› có lẤn | lượng nhỏ ion Cr,

tỷ lệ biến thiên từ 0,05% -> 0,07% Chính các Cr`* này đóng vai trò hoạt tính bởi

vì đo sự hấp thụ ánh sáng lục của đèn xenon, các ion Cr* bị hút từ mức cơ bản E,

lên mức Ey, mà đời sống rất ngắn 107 (s), so dy chuyển động nhiệt trong tinh thể,

các ion Cr`* xuống E; Đời sống của mức E; là 5.10” (s), từ E; các ion trở vé E; do

kích thích và phát ra ánh sáng đỏ có À = 694 nm Các photon này di chuyển song

song với trục của thanh hổng ngọc, bị đội đi đội lại giữa 2 gương M, M; khiến số

photon tăng lên rất nhanh, khi đã vượt qua thém phat xạ kích thích, tia laser bắn ra

ngoài.

HINH VE CẤU TẠO DON GIẢN MAY LASER HONG NGỌC

Hồng ngọc này được chế tạo bằng phương pháp Verneuil, nghĩa là cho một

hỗn hợp bột H;ạO; và Cr`* nóng chảy ở nhiệt độ cao rồi đông đặc lại từ từ khiến

Cr`* phân bố đều trong Al;O; Như thế ta thấy laser này hoạt động theo chế độ

phat xung (5 phút một lẫn), vì ở trạng tháu cân bằng “2 = 0 nên phải mang ít ra là 1

" - _E¿

¬ ¬ 26434

Ei

HINH VE MO TA SU DI CHUYEN CUA NGUYEN TU TREN CAC

MỨC NANG LƯỢNG CUA LASER RAN HONG NGỌC

Bên cạnh đó ta còn có các loại laser rấn khác nữa như laser Néodym YAG

(silicat kép nhôm và yttrium, néodym Nd là chất hoạt tính) Bức xạ do nó phat ra

có bước sóng biến thiên từ tử ngoại 217 nm -> 800 nm Laser bán dẫn GaAS phát

kích thích trực tiếp Ne thì gặp phải khó khăn là phải có ánh sáng kích thích rất đơn

sắc.

HÌNH VỀ CẤU TẠO LASER KHÍ HE ~ NE DON GIẢN

Ong chứa hỗn hợp khí Ne - He có hình trụ dài Im, đường kính 25mm, 2 đấu

là 2 tấm gương trong suốt A và B nghiêng sao cho góc tới của tia sáng là góc tới Brewster (để làm giảm ánh sáng mất đi cho phản chiếu)

SỰ DI CHUYỂN CUA CAC NGUYÊN TU He, Ne TREN CÁC MỨC NẴNG

LƯỢNG CỦA LASER KHÍ He - Ne

Ngoài ra ta còn có laser khí He - kr mà bức xạ có A = 647, 568, 521, 476

nm Laser He — | có À = 515, 502, 497, 488, 476 nm.

Laser đa công dụng nhất có lẽ là laser CO; phát ra ánh sáng đỏ và hồng

ngoại (1 lym), laser Cd phát ra tử ngoại 325 nm

4) Laser ion:

* Laser H do clerc và Sehmidt phát minh năm 1971 ở Saclay và do Hodgson

và Dreyfus (IBM) năm 1972 thực hiện Một điện trường rất mạch (400KV) giữa

một Anot và Katot trong H gây nên sự ion hóa tức là một chùm e tách rời cácnguyên tử H, chạy từ Katot vé Anot và kích thích các còn lại, khi sự nghịch đảo

dân số được thực hiện, laser tác động có ống đài 2,3m, áp suất 0,01 mmHg tạo ra

bức xạ có bước sóng A= 110 mm.

- Laser điện tử tự do : khi 1 điện tử di chuyển trongmột từ trường, nó

vẽ ra một đường xoắn ốc và phát ra sóng điện từ với tần số bằng tin số nó vẽ

ra các vòng (mạch đao động) Nếu điện tử cónăng lượng cao, sự bức xạ chỉ xảy

ra trong một khối nón hẹp quanhvectơ vận tốc điện tử.

Laser hổng ngọc tạo nên những mật độ năng lượng sáng rất lớn, nếu ta

dùng thêm một thấu kính hội tự tiêu cự ngắn (3.1021⁄em”) Nhiệt độ lớn đến nỗi có

thể làm bốc hơi những chất nại hỏa

Do phát ra những bức xạ cực kỳ đơn sắc nên dùng trong giao thoa kế, tràn

ký rất thuận lợi Áp dụng trong ngành vô tuyến điện, đo khoảng cách và định vị trí,

người ta có thể ding laser để vẽ bản đổ mặt trăng, dùng laser chiếu vào hỗn hợp

HẺ, +H’, để gây hợp nhân

2 Trong y khoa :

Người ta đùng laser rất nhiều và dùng rất nhiều loại laser :

e Laser Argon: phát ra ánh màu lục, lam được dùng để chữa bệnh về mắt,

3 Trong quân đội :

Đại bác có thể phóng ra những chùm laser để đốt cháy doanh trại đối

phương, máy bay chiếu laser vào mục tiêu để cho máy bay phóng pháo hủy điệt

mục tiêu, vệ tỉnh phóng ra chùm tia laser để phá hủy vệ tỉnh địch

Kể từ 1983, laser hóa học được thử nghiệm trong quân đội Mỹ, nang lượng

do phản ứng hóa học tổng hợp flourur hydrogen HF

H+F —>HF*

Máy in laser đùng một phương pháp tương tự như trong một máy photocopy Dữ liệu từ máy vi tính tới Ta ví dụ : từ laser : được biến đổi thành | chùm laser mà một gương quay hướng vé một cái trống quay hình trụ Doc theo đường sinh có một cartouche chứa những hạt quang nhạy Nhưng hạt quang này, qua ống lăn truyền cho giấy Những hạt bột tan trên giấy làm nóng và ting Ap suất Đĩa quang muốn ghi đữ kiện trên một dia quang, một laser công suất cao đun nóng bể mặt và gây nên một chỗ lõm vi mô Muốn đọc dữ kiện, một laser công suất thấp phản chiếu trên vùng mềm không lõm (cực đại) Vùng lõm sâu không phản chiếu chùm laser (cực tiểu) Chữ hiện ra đen trên nền sáng.

A, GIAO THOA KẾ MICHELSON:

Là dung cụ gồm hai gương phẳng MIlà M2 tráng bac để năng xuất phảnchiếu gần bằng 1 Cả hai gương phẳng này đều có thể diéu chỉnh độ nghiêng của

mặt gương nhờ 2 vit Knutled, ta có thể điểu chỉnh các tia phản xạ trong giao thoa

kế, mỗi gương có đường kính 40 mm, đường kính cud cẩn trục gương là 12 mm

Hai gương MI và M2 được đặt thẳng đứng với nhau và vuông góc với nhau (

47346)

Ở trong mặt phân giác của hai gương có một tấm kính G vừa phản vừa phản

xạ ánh sáng vừa truyến suốt ánh sáng, người ta còn gọi nó là gương bán mạ,

đường kính cud gương là 12 mm và kích thướt của mặt gương bán mạ là 58 x10 x6

(mm) (47343)

Đối điện với gương M là một thấu kính hình câu F có tiêu cự f = 2,7 (mm),

để cho ánh sáng sau khi giao thoa và truyền qua, nó có tác dụng khử xạ và phản

xạ ở lớp phủ mặt để cho sự mở rộng cud chùm tia laser với khẩu độ ánh sáng nhỏ

trong giá đỡ thấu kính nhằm loại bỏ tia thành phan và các tia thành phan này

truyền ra ngoài Đường kính của thanh là 12 mm và kích thước

70mmx22mm«x 14mm (47347)

Ở phía sau gương M; người ta lấp vào một thước panme và bộ phận diéu

khiển vì cấp để đo được dịch chuyển của gương xác định được bước sóng r của

ánh sáng laser bằng phương pháp đo giao thoa ké , ở trên thanh thì có thé dich chuyển một khoảng 25mm với mỗi vòng quay của bánh giảm tốc là 5um (thiếu)

Đế quang hoc để lắp đặt các thành phẩn quang học như thấu kính , guương

nố có hình mặt trăng , nó có 3 điểm trên giá đỡ và profle nhỏ được thiết kế để

tạo ra sự ổn định giá đỡ này cẩn chú ý để cho nó giao động nhỏ trên đĩa quang học

laser, chiều cao của nó là 40 mm (47342)

DUNG CỤ CUA THÍ NGHIỆM MICHELSON

CÁC BỐ TRÍ DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM MICHELSON

Ngoài ra tất cả các bộ phận ở trên được đặt trên một mặt phẳng nằm ngang

mà người ta gọi là đĩa quang học laser Nó tạo ra sự phan xạ toàn phan màu trắng

và truyền tải toàn cảnh cũng như việc thiết lập, sắp xếp thiết bị khác nhau của

phép đo giao thoa, no được cấu tạo từ đá granite, được mài nhắn, bóng Tránh đao

động tất dẫn tất cả các bộ phận ở trên một chiếc khoikhông khí ( chẳng hạn như

trên ruột xe bơm căng ) nhằm cách ly với các dao động, vì thế trong quá trình đo

ngoại trừ những dao động với cường độ lớn mới tạo ra những sự cố máy móc hoặcnhững va chạm mạnh mới ảnh hưởng đến kết quả đo giao thao, đây là một ý nghĩ

rất hay Kích thước của dia là 600 x 300 x 60 ( mm) và nặng 30 kg ( 47340 ).

HAI HÌNH 3.7.2

Ở đây ta sử dụng nguồn sáng S là nguồn sáng Laser điểm đơn sắc tuyệt đối

H- N

Anh sáng có bước sáng A và phát ra từ nguồn S , giả sử từ nguồn S phat ra

một tia tới SI, tia tới SI đập vào mặt trên của gương G :

Một phan phản xạ theo tia IK, thẳng góc với gương Mj, tai K; tia sáng lại

trùng với chính nó và khúc xạ qua gương G đi vào mắt người quan sát

Còn về mặt phản xạ sóng ánh sáng trên bể mặt của G thì có sự khác nhau :

Tia thứ nhất phan xạ lần một tại I, môi trường tới là không khí, môi trường

khúc xa là thủy tinh ( kk / tt ) ( vật cản này cố định ), do đó phan xạ đảo chiều li

độ E

Tia thứ 2 phản xạ một lần tại I, môi trường tới là thủy tinh, môi trường khúc

xa là không khí (vật cản tự do) : không đảo chiéu li độ E.

Chính vì thế khi mắt đặt tại O ta thấy thị trường tối đen vì hiệu quang 16 là

22 (giao thoa của 2 tia đối nhau) ta có thể tác động vào | trong 2 chim tia sáng,

chùm tia kia để yên bằng cách thay đổi vị trí gương M¿.

Ta tịnh tiến một trong hai gương, giả sử ta tịnh tiến gương M; ra xa một

đoạn e = M;.M'; thì chùm tỉasáng thứ hai sẽ có hiệu lộ dài hơn chùm tia thứ nhất

là : AS =2e.

Nếu nguồn sáng lớn tia sáng có độ nghiên ita có :

45 =2 e cosi.

Lúc đó giaothoa kế Michelson tác dụng như một bản không khí và S (A)

cho vân tròn định xứ ở vô cực.

Ta khép đân chắn sáng để s trở thành nguồn sáng điểm, thí nghiệm cho vân trắng có cả một vùng Giao thông không định xứ (gương Fresnel) nếu S là nguồn

Ta cũng có S’, và S°; cùng trên pháp tuyến va S’,S’; = 2e va S’, và S’”, là 2 nguồn sáng kết hợp nên có giao thoa ánh sáng

Quay gương M2 quanh vị trí K; một gốc œ bằng cách dùng ốc vi cấp để quay

Vì góc a nhỏ nên S*; S'**; là tiêu điểm của hyperboloid tròn xoay

Nếu như lúc đầu nguồn nhỏ ta có thể diéu chỉnh kính ngắm để nhìn van, ta

cũng có thể nhìn được vân thẳng không định xừ.

Nếu nới dẫn chắn sáng cho nguồn sáng lớn, ta cótrường hợp vân hiện ngay

trên M;, ta có vân định xứ nháy trên quang vụ và vân thẳng.

Nếu đặt S*§'';* = e và D là khoảng cách màn hứng vân đến trung điểm

Trong trường hợp vân tròn cũng vay, ta biết bán kính của vân cùng trang

thái giao thoa với tâm : Ø= ye (vân không định xừ, nguồn sáng điểm).

Ta cũng được biểu thức của bán kính vân cùng trạng thái với tâm :

ie ues (vân định xừ ở vô cực, nguồn lớn).

e

1 Dụng cu:

Nguồn sáng laser khí He -Ne đơn sắc (A = 6325A°), xem như nguồn sang

điểm.

Hai gương M, và Mạ phẳng, mạ bạc

Kinh bán mạ G để ánh sáng vừa truyền qua vừa phản xạ

Thấu kính mặt cầu có tiêu cự nhỏ để cho ảnh giao thoa hiện lên màn

Một panme vi cấp để đo độ dịch chuyển của gương M; (thay đổi vị trí gương

M; -+M';)

2 Thực nghiệm :

Sắp xếp thí nghiệm như hình vẽ :

Ta dặt 2 gương M; và M, vuông góc nhau.

Gương G, Mạ và nguồn Laser đặt thang hang

Đặt thấu kính thẳng hàng với M;, kínhbán mạ G và sau đó là màn để hứng

vân giao thoa.

Lắp thước Panme vào sau gương M; để đo độ địch chuyển của M;.

Cắm điện vào nguồn sáng laser, bậc khóa mở

3 Phương pháp đo :

Điều chỉnh vị trí của nguồn sáng S, các gương M; , M; kính bán mạ và thấu

kính để cho ảnh giao thoa hiện rõ ở trên màn Để việc diéu chỉnh được hình ảnh

giao thoa được kết quả tốt nhất ra làm theo các bước sau :

Bật công tắc nguồn sáng (chú ý không nhìn thẳng vào tỉa laser, sẽ làm hỏng

mắt)

Đặt kính bán mạ G vào trước nguồn, điểu chỉnh sao cho mặt kính tạo với tia

sáng | góc 45° nghĩa là làm sao điểu chỉnh để tia phản xạ xuống góc với tia tới.

Lúc này đối diện với M; sẽ có 2 chùm tia sáng hiện trên man, đùng vít ví

cấp sau 2 gương Mạ, M; để điểu chỉnh cho 2 tia sáng nhất trong 2 chùm tia nay

chồng chập lên nhau.

Đặt thấu kính mặt cầu F thẳng hàng M, G hứng chùm tia chồng chập ở trên,

chú ý điểu chỉnh sao cho lổ hỏng nhỏ của giá đỡ thấu kính phải đối điện theo

hướng chùm tia giao thoa điểu chỉnh độ cao và độ rộng 2 bên để 2 tia này vượt

xuyên qua nó ở trục, để cho ảnh giao thoa hiện rõ trên màn.

Đặt tờ giấy trên màn để đánh dấu vị trí vân vào đó xác định.

Điều chỉnh panme ở một vị trí xác định, áp sắt panme vào gương M; Nhớ vi

trí Mcủa Panme, sau đó quay cân của panme để dịch chuyển gương M; > M'›, độ

địch chuyển này ta đọc trên thước panme.

Trong khi quay cần panme thì mắt theo dõi và đếm số vân dịch chuyển trên màn, mỗi khi một vân địch chuyển hiệu quang lộ thay đổi một bước sóng (của ánh

laser) ta đo chính xác độ địch chuyển và hiệu quang lộ do độ dich chuyển của M;

bằng panme ta có :

Gọi N là số vân địch chuyển trên màn.

d: độ dich chuyển của M; do ta quay panme

A: bước sóng ánh sáng laser.

thì: Nk=2d- A=2f

N

*, Cách khác để tinh  :

Ta đếm các số vòng quay N của cần panme (bánh giảm tốc) đây cũng chính

là tổng độ dịch chuyển d của gương M3 Ta đếm tất cả các vân dịch chuyển 2, thì

ta cũng tìm được bước sóng 2 bằng hệ thức :

Z.À =2e với e=5 pmN.

“Am (um)

Đếm 5 lần giá trị N, lấy giá trị trung bình của bước sóng A.

* Vấn dé sai số AA:

Qua phần trình bay ở trên, ta được cấu tạo của đụng cụ thí nghiệm cũng như

nguyên tắc, phương pháp do bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế Michelson Từ

đó ta có thể tính sai số trong quá trình thí nghiệm như sau :

Theo như cấu tạo củapanme thì tổng chiểu dai panme là 25mm, có 50 vạchchia do vậy mỗi vạch là 0,5mm, trên panme thì thước vòng của nó quay | vòng thì

panme tịnh tiến 0,5mm, do vậy mỗi vạch trên thước vòng của panme là 0,01 mm vì

thước vòng có 50 vạch Nếu như tới đây thì sai số trong trình đọc sẽ là % vạch chia của thước vòng tứclà 0,005mm, nhưng điểu tuyệt vời là trên panme này người ta

còn gắn thêm I vitvi cấp để làm tăng độ chính xác của panme, mỗi khi vít vi cấp

quay | vòng thì panme đi được 1 đoạn là Sym Do đó sai số của panme khi đo

quãng đường dich chuyển sé là 1/20 của 1 vòng quay vít vi cấp tức là 1/20 5=

0,25 um, đây chính làAd (1).

Khi ta đếm số vân dịch chuyển trên man, vì không phải lúc nào khiquay vit

vị cấp thì van dịch chuyển ngay, mặt khác không có tối ưu khi diéu chỉnh sự sángtối của vân,ngay vạch ta kẻ trên màn, vì thế sai số trong quá trìnhđếm vân sẽ bằng

1/20 của 1 khoảng vân, giả ta đếm có 100 vân dich chuyển và quảng đường mà

100 vân này đi là d thì:

Xác định Ad từ (1), AN từ (2) thay vào (3) ta sẽ tim được A2.

Không nhìn trực tiếp vào tia laser cả theo hướng tới và hướng phản xa,

không để tia sáng vượt qua giới hạn sáng chói nghĩa là người quan sát sẽ cảm thấy

chói mắt

Tránh các sự cố làm ảnh hưởng đến đĩa quang học như không làm rơi, rớt,

lắc mạnh

Tránh sự đao động của luồng không khí trong quá trình thí nghiệm như thở,

gió sẽ ảnh hưởng kết quả thí nghiệm

Di chuyển bánh giảm tốc thật chậm, khi di chuyển chú ý sự cân bằng của

cả hé thống bằng cách dùng tay quay thật nhẹ nhàng

Phải di chuyển bánh giảm tốc ít nhất hơn 1 lần toàn phan cùng lúc đếm số

lần vân giao thoa xuyên qua

Nếu như không nhìn rõ được hình ảnh của đường thẳng trên màn hình thì ta thay đổi lộ trình tia bằng cách thay đổi không đáng kể sự nung nóng của tia thứ

nhất và thứ hai hoặc điểu chỉnh cả gương phẳng hoặc thấu kính khi cần thiết.

Kẹp chặt | cách cẩn than 2 bộ phận nối vạn năng (khớp nối màu đỏ) Để

nối đầu của vít vi cấp củabộ phận bánh răng để mà trục nối không bị giãn nở toàn

phan hoặc bị chập lại hoàn toàn Nếu ngược lại sự đo cóthể bị sai lệch

Kiểm tra sự vuông góc và thẳng hàng của các bộ phận

SƠ LƯỢC VỀ LÝ THUYET

ĐO VẬN TÔC ÁNH SÁNG

T 2l

Đo vận tốc ánh sáng là một trong những vấn để quan trọng nhất của vật lý

học nói chung và của quang học nói riêng Nếu xác định được vận tốc ánh sáng thì

đó là 1 thành tựu quan trọng về cả 2 mặt lý thuyết và thực tiễn Khi con người

chứng tỏ được vận tốc của ánh sáng là hữu hạn đã làm cho thuyết tác dụng xa vô

nghĩa và xác nhận sự đúng đắn của thuyết tác dụng gần.

Nhờ thí nghiệm Foueault đo vận tốc ánh sángtrong nước đã khẳng định sự

ưu thế của thuyết sáng tối với thuyết hạt

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật phát triển nhất là khi kỹ thuật vô

tuyến định vị và điều khiển từ xa phát triển thì việc đo vận tốc ánh sáng ngày

càng trở nên quan trọng, cũng có thể do vận tốc ánh sáng là hằng số chủ yếu để

người ta xác định các khoảng cách lớn như khoảng cách từ trái đất đến các hànhtinhtrong thái đương hệ.

Khi đo vận tốc ánh sáng, người ta còn có mục đích là giải đáp 2 câu hỏi :

vận tốc ánh sáng trong chân không có phụ thuộc tấn số đao động không và vận

tốc ánh sáng có thay đổi theo thời gian không ? Và người ta đã khẳng định rằng

vận tốc ánh sáng không phụ thuộc tần số Tại sao vậy ? Thì ra do khi người ta quan

sát các sao đôi, người ta không hé thấy chúng thay đổi màu sắc khi đi lại gần hoặc

xa trái đất Các hành tinh ấy ở xa chúng ta hàng trăm năm ánh sáng, nếu như ánh

sáng đỏ truyền nhanh hơn ánh sáng tim thi sau 1 khoảng thời gian nào đó | thành

phan của nó bị thẳnh phan kia che khuất, tức là thành phần đó, lúc đầu có màu đỏ

sau lại có mau tím nhưng trên thực tế chưa bao giờ ta thấy như vậy Mặt khác, các

phép đo trên mặt đất, với các sóng điện từ có tần số biến thiên tư 10” đến 10” Hz

déu cho ta cùng 1 giá trị, điểu này dẫn đến kết luận là vận tốc ánh sáng không phụ

thuộc tin số Còn để trả lời của câu hỏi thứ 2 thì dù ta không khẳng định tuyệt đối,

nhưng với trình độ khoa học kỹ thuật ngày nay chưa có | thí nghiệm chính xác nao

chứng tỏ vận tốc của ánh sáng tăng hoặc giảm theo thời gian.