Khóa luận tốt nghiệp Sư phạm Vật lý: Lắp ráp bài thí nghiệm kiểm chứng định luật Malus về phân cực ánh sáng

- Do sự phụ thuộc của hệ số truyền sự liên hệ của cường độ ánh sáng tới trên mặt phăng phân tích và cường độ đẳng sau mặt phăng phân tích vào góc củacác mặt phẳng phân cực của bộ phân cự

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRUONG ĐẠI HỌC SƯ PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH

KHOA VAT LÝ

ICR

Truong Thi Tran Chau

LAP RAP BAI THI NGHIEM KIEM CHUNG ĐỊNH LUẬT MALUS

VE PHAN CUC ANH SÁNG

Nganh: SU PHAM VAT LY

Mã sé: 102

NGƯỜI HƯỚNG DAN KHOA HOC:

ThS TRAN VAN TAN

Thanh phố Hỗ Chi Minh - 2011

LOI CAM ON

Thời gian thâm thoát thoi đưa, thé là đã gần kết thúc bốn năm ở giảng đường dai

học Bốn năm với bao ki niệm buôn vui lẫn lộn Giờ đây chúng em sắp phải xamái trường, xa thầy cô bạn bẻ quay về trường phô thông đẻ trở thành một giáo viêntiếp bước sự nghiệp trong người Với hành trang kiến thức, kỳ năng sư phạm quýbáu có được em tin rằng mình sẽ hoản thành tốt nhiệm vụ dạy dỗ, dao tạo được các

công dân có ích cho đất nước, cho xã hội.

Lời đầu tiên em xin chân thành cam ơn đến Ban giám hiệu nha trưởng và toànthé quý thay cô trong khoa Vật lý đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, tận tâm day dỗ,truyền thụ kiến thức, kinh nghiệm để chúng em vững tin bước vào đời

Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thay Tran Van Tan, giảng viên khoa Vật ly đại

học Sư phạm Hồ Chí Minh đã tận tình giúp đở, chỉ day, uốn nắn, sửa chữa những

sai sót cho em trong suốt quá trình làm luận văn

Đông thời em xin cảm ơn thay Nguyễn Hoàng Long đã tạo mọi điều kiện thuận lợi dé em hoàn thành luận văn tại phòng thí nghiệm Vật lý nâng cao.

Con cảm ơn ba mẹ đã luôn bên cạnh thương yêu, tin tưởng, động viên và nâng

đỡ con trong suốt thời gian đi học đến giờ

Xin cảm ơn các anh chị và các bạn luôn sát cánh bên mình đề đi hết chặn đường

MỤC LỤC

0900) 09 ẽ ` 2

0/9 12 3

MG ĐAU cốc sẽ (õỐõ ốc ốc c2 6 JULY DO CHON ĐỀ TÃÍ:¡::ccciccstiiosgisii20023127310221116513151555145551451588585388585633585858863553556555855Ì 6

3-ĐÓI TƯỢNG VA PHAM VINGHIÊN CỨU - - c<cccccceccsreekeeesseekaeeeeeeee 7

ANB VU ieinaiiiaiioioiinianiiiiiiitiaitiiiiiii11112110531108124581863116535838183818558351813483851833188535 7

SIPHƯỜCNGEHAPNGHIENCỮU:- 2o crniaeeaeiieioiioorniinrriiiiiiiiaiisiiraainsasnsasi 7

G:DONG GOP CUA ĐỀ TÀÏ:¡::cocncciccooitooooiiogion000100011101102501120100612031853516311535856285648885685560 8

GHƯƠNGH:G0SUILLÝ THUY TT icon nneeionoininoniaonoiiiniioddainagidii 10

DULY THUYẾT SONG ĐIỆN TU io sicsccsscsisasssasssasisaissasieacssaaseasasaasiessseaseasasaatsacseaatseaises 10

J,ïTA TiTli2áni01I0x80016 OR ta ANE sce cnysannesncosntv20326023100120035000220162108330089730231258303892005E3 10

1.92: SGrig điện ter la sone NANG :secscce:scecssesscesscesssansseezscsascatsczszeozsseasszesssciss: 13

Quan hệ giữa E và H trong sóng điện từ c2 2202222221212 14

1.1.3.Năng lượng của sóng điện từ - HH, 16

1.1.3.1.Mật độ năng lugne

Vectơ mặt độ dong nắng, lượng Ưmốp - - Poanhtinh

Cưởng độ của sóng điện từ đơn s% chạy

1.2.CAC ĐIÊU KIỆN BIEN TREN MAT PHAN mies HAI MOI TRUONG ¬

1.2.1.Điều kiện biên của vectơ - 2t 20200200001 see 17

1.2.2.Điều kiện biên của vectOD cc cescsssssssssssecseecesessesesesesssestseetstttneennenee 19

1.2.3.Didu kiện biên của vectơF - 2222222222222 02222 20 1.2.4.Điều kiện biên của vect0#f c2 0002000000020 se reo 21

1.3 ANH SANG PHAN CỰC -¿- 2© zEEEZEESEEEZEE1221122115 1111.116 21307130 7430240 22

1.5.Y.TiBIingiiliniMBNIB.ciisissiiainoiiiiiiitiiiiiiii14114441431021401212880106318222182 27 1.5.2.Dinh Ñ h8 ên : Ô 29

0E GEHUDNDRERIHIRENWER ê 30

1.6.1.Véctơ cường độ điện trường E nằm trong mặt phang tới 30

1.6.2.Véctơ cường độ điện trường thăng góc với mặt phăng tới 32 1.7.HỆ SO PHAN XA - HE SO TRUYEN QUA HH 34

1.7.1.Trường hợp ánh sáng phân cực thăng - -.2-5525cccscscsc. - dS 1.7.2.Trường hợp ánh sáng tự nhiên nhang 36 1.7.3:NHẬN IRG 1 scisccsscsssescissccssccscstesacsssasssateastecasscastea se canon aasscasccosscesseeiaceasesasscenacs 36

DSO PHAN CU Gy ¿iseieaiosaoiaoriiniinanniiiistiaittiiditiditiliiifi0310083005311081185358533353855538838586 38

CHƯƠNG II: DUNG CỤ THÍ NGHIEM 00 00:sccsscessscssscssscesscsseessessssesssesssessseeeees 40

2:1 ENILLASER'EHEIHE=NB:::csiiiioiiiitiiiitiitit11002305141160311033083138583831813838018)888883ã584 40

2.1.1.Sơ lược 1 n" aaaaaA ai 40

21:2 Laser khil He = NG sicccssscsisccisasssascsassissessasseasssasssaascassvecssoasseaatzasssssasatsosiee! 42 Hình 2.4: Đèn Laser khí He — Ne.2 I.3.Thanh quang học 43

216: BO NỘI CO CHIA GOC ss sassssassiaiscsssssascssssesssascscassesssssasessssasssesnscavscsssessiesszsacssessscavied 46

CHUONG III: THÍ NGHIEM KIEM CHUNG ĐỊNH LUẬT MALUS 47 3.1.LÁP DAT DUNG CỤ: 2 1 1S TT SH TT Hs 47

CHƯƠNG IV: THÍ NGHIEM KIEM CHUNG ĐỊNH LUAT BREWSTER 54ALTLAP DAT DƯNGC:::co:cicccccciiieiiiiiiitiiniiiogi11105121615231180181851803885358833385355655856i5855ã:135)

4.2 TIEN HANH THÍ NGHIEM: cccscssssessscssssessssssscssscsssasssccssnesseessesssecssaasseccssocsses 56

4.2.1Phép đo 1: Sự phân cực theo phương vuông góc với mặt phăng tới 56 4.2.2.Phép đo 2: Sự phân cực theo phương của mặt phẳng tới 57

4.3 XU LY SO LIEU — SAL SỐ Q01 112 1H HH HH TH HH HH nàng 58

FT Đi 6010 ^-i-êễèêaiaáảắäẲäẲ{Ảú 584.3.2.Xử lÝ Sai S62 oo.cccccccccssecsseessecssvessscsssessecsseesseesseesseessessussseessessscesseesseenseeenes 58

Á.4:EET QUÁ THINGHIODA: ssiscsiscssisssisaiesaissassssasvoaisoasseaseeasieasvesasieaivenusoastoasteassenaieaiies 58

4.4.1.Phép do 1: Sự phân cực theo phương vuông góc với mat phăng téi 58 Phép đo 2: Sự phân cực theo phương của mặt phẳng tới - 61 KET RUAN GHUƯN toannniaaanoiiaeuirinngniintitinioinsiigottattiattiaittsntennsannasual 65 TÀI LIEU THAM KHẢO S22 St SS E121 25E11 2112221111122 11 1121111022112 66

MỞ DAU

1.Lý do chọn đề tài

Vật lý là môn khoa học thực nghiệm như vậy vai tro của thí nghiệm vat lý lacực ki quan trọng và không thẻ thiếu Thí nghiệm có vai trò tạo ra tình huống vật

lý, đặt ra một van dé can nghiên cứu Thí nghiệm còn có vai trò cung cấp các dữ

kiện làm cơ sở cho việc xây dựng các lý thuyết Và đặc biệt thí nghiệm đóng vaitrò kiểm tra, xác nhận hay bác bỏ một lý thuyết nào đó

Không dừng lại ở đó, thí nghiệm vật lý còn rat quan trọng trong quá trìnhđạy học Thí nghiệm đã góp phần hoàn thiện nhân cách học sinh đồng thời giúpbồi dưỡng kĩ năng, kĩ xảo vật lý cho người học Bên cạnh đó, thí nghiệm còn làphương tiện dé chứng minh sự đúng đắn của lý thuyết vật lý, làm cho các lýthuyết không còn là lý thuyết suôn mà nó được kiểm chứng bởi thực nghiệmmột cách rõ rang Lúc này, các ly thuyết vật lý mà học sinh học được sẽ trở

nên thuyết phục hơn và học sinh sẽ nhớ bài lâu hơn.

Hiện nay, em nhận thay thí nghiệm ở các trưởng học chưa đa dạng Nhiềuphần chưa có thí nghiệm minh họa, thí nghiệm kiểm chứng lý thuyết Hay cácthí nghiệm chưa có yếu tố định lượng, đo đạc chính xác các đại lượng Như

phân quang học ở chương hiện tượng phân cực ánh sáng, định luật Malus là định

luật được rút ra từ thực nghiệm nhưng trong quá trình học lại không có thí

nghiệm nào đề kiêm chứng định luật này Hay khi học định luật Brewster người

học không hình dung được ánh sáng phân cực hoàn toàn do phản xạ sẽ có độ

sáng ra sao, hệ số phản xạ sẽ thay đôi thé nao ở góc tới Brewster và các góc tớikhác Điều này làm ảnh hưởng nhiều đến khả năng tiếp thu và ghi nhớ bai của

học sinh, sinh viên; cũng như lam giảm đi kha năng tư duy sáng tao của việc học

3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Đối trợng nghiên cứu:

+ Kiến thức về hiện tượng phân cực ánh sáng

+ Nguyên lý hoạt động của các dụng cụ quang và cách xử lý số liệu bài

thí nghiệm về sự phân cực ánh sáng

4 Phạm vi nghiên cứu:

+ Thí nghiệm kiêm chứng định luật Malus về phân cực ánh sáng.

+ Thí nghiệm kiểm chứng định luật Brewster về phân cực ánh sáng do

phản xạ.

4.Nhiệm vụ

- Tìm hiểu các kiến thức về hiện tượng phân cực ánh sáng

- Tìm hiểu công dụng của các dụng cụ trong bài thí nghiệm.

- Lap ráp bộ thí nghiệm và thay đôi dụng cụ bị hư hỏng kịp thời.

- Do sự phụ thuộc của hệ số truyền (sự liên hệ của cường độ ánh sáng tới trên

mặt phăng phân tích và cường độ đẳng sau mặt phăng phân tích) vào góc củacác mặt phẳng phân cực của bộ phân cực, gồm kính phân cực và kính phân

tích.

- Do hệ số phan xa Fresnel của ánh sáng phân cực trong hai trường hợp:

+ Vectơ chan động sáng nằm trong mặt phăng tới.

+ Vectơ chan động sáng vuông góc với mat phăng tới.

ù Á ˆ ` a £ + ,

¬-+ Rút ra kết luận và dé xuất các ý kiên.

5.Phuong pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

Phân tích và tông hợp các tài liệu quang học về hiện tượng phân cực ánh sang,

Từ đó đưa ra cơ sở lý thuyết và biết nguyên lý hoạt động của các dụng cụ thí

nghiệm.

- Phương pháp nghiên cứu thực tiễn:

+ Nghiên cứu nguyên lý hoạt động, cách sử dụng các dụng cụ và cách lắp ráp

bộ thí nghiệm.

+ Hỏi ý kiến giảng viên hướng dẫn, bộ phận cung cấp thiết bị và bạn bè dé biết

thêm thông tin về dung cụ, cách lắp ráp, cách xử lý số liệu nhằm hoàn

chỉnh bải thí nghiệm.

6.Đóng góp của đề tài

Kết quả lắp ráp và xử lí số liệu thành công thì bộ thí nghiệm có thé được sử

dụng cho sinh viên thực hảnh vật lý về hiện tượng phan cực ánh sang ở

phòng thí nghiệm vật lý nâng cao.

TONG QUAN

Thi nghiệm quang học trong vat lý đã được nhiều nước trên thé giới chú trọng

và áp dụng vào giáng dạy Các bộ thí nghiệm vẻ hiện tượng phân cực ánh sáng được

chế tạo chính xác và sản xuất phô biến

Những năm gan đây trong nước ta đã có nhiều công trình nghiên cứu về lắp ráp

thí nghiệm trong việc dạy học vật lý Đặc biệt là các thí nghiệm quang như:

- Dé tài nghiên cứu khoa học: Thie viện điện nv các thí nghiệm quang học

(2006) của nhóm sinh viên Huỳnh Công Đạt, Dương Hùng Cứ, Nguyễn Thị Hoa, Nguyễn Thị Kiều My thuộc trường đại học Sư phạm TP Hồ Chí

Minh.

- — Thực hiện các thi nghiệm chứng minh cho các bài giảng về quang học lý

(1996), Luận văn tốt nghiệp đại học của sinh viên Nguyễn Tuấn Huy

trường đại học Sư phạm Hỗ Chi Minh

Các đẻ tài nghiên cứu đã góp phan xây dựng những thí nghiệm phong phú dé

minh họa, kiểm chứng cho các kiến thức vat lý Tuy nhiên, các thí nghiệm về hiện tượng phân cực ánh sáng chi là thí nghiệm biêu điển, quan sát định tinh sự thay đôi

cường độ sáng Chưa có sự đo đạc để chứng minh một cách chặt chẽ sự đúng đắncủa các định luật vật lý Điều này làm giảm đi yếu tố thuyết phục khi sinh viên học

về các phan này.

Bên cạnh đó, em nhận thấy phòng thí nghiệm vat lý trường đại học Sư Phạm TP

Hỗ Chí Minh chưa có bộ thí nghiệm kiểm chứng hai định luật quan trọng chương

phân cực ánh sáng: định luật Malus và định luật Brewster Do đó sẽ làm giảm kha

năng tiếp thu bải vả kĩ năng sử dụng thành thạo dụng cụ thí nghiệm của sinh viên

Từ đây, em thực hiện dé tài này nhằm khắc phục những mặt còn hạn chế trên.

Đề tai sẽ tập trung nghiên cứu cách lắp ráp thí nghiệm, xây dựng cách đo đạc, xử lý

số liệu nhằm kiểm chứng định lượng các định luật Malus và định luật Brewster ve

hiện tượng phan cực ánh sáng.

CHUONG I: CƠ SỞ LÝ THUYET

1.1.Lý thuyết sóng điện từ

1.1.1Anh sáng là sóng điện từ

Các kích thích của trường điện từ (tức là trường điện từ biến đôi) lantruyền trong không gian, được gọi lả sóng điện từ

Toàn bộ lý thuyết cơ bản về điện và từ có thé trình bày trong hệ bốn

phương trình Maxwell sau:

7 vécto mật độ dong điện.

Nếu môi trường 1a chất điện môi đồng nhất, đăng hướng không có tínhchất sắt điện hoặc sắt từ thì:

Viết các phương trình Maxwell khi môi trường là chất điện môi đồng

nhất, đăng hướng, không có chứa các điện tích tự do (ø= 0) cũng như cácdong điện vĩ mô (j= 0) và hình chiều của chúng lên các trục tọa độ có đạng

: OE, @ GH ô 9H,

Nên £E, =

or ay êt Ôz at

Thay các đại lượng trong dau ngoặc, tức là các đạo ham riêng của H, va

H, theo thời gian t bằng các biêu thức trong (1.8) và (1.9):

@E, _ XE 8E, CE, @ OE @E,

&&, >°" Af my lÖy Êy ôi” ôi ôi ô: 9|

tựu LÔ?” ý Ox ay Be

Từ (1.10) suy ra:

" @E, _ 1 OF, GE, GE,= of ` `E, 1.15

ar re ar ay?” X bly lưu

Đối với E„, E; ta cũng chứng minh tương tự như (1.15):

Ta có thẻ tính được vận tốc truyền sóng điện từ trong chân không (e = 1

Từ lý thuyết Maxwell đã tiên đoán là có sóng điện từ và ánh sáng chính là

sóng điện từ Sau này vào năm 1888, Hertz tạo ra sóng điện từ bằng thựcnghiệm Và tất cả các kết quả thực nghiệm đều dẫn đến kết luận ánh sáng cũng

là một loại sóng điện từ.

1.1.2.Sóng điện từ là sóng ngang

Xét sóng điện từ phẳng lan truyền theo trục Ox Vì là sóng phẳng nên tat

cả các điểm trên mặt phăng vuông góc với trục Ox có véctơE£,H chỉ phụ thuộc tọa độ và thời gian E(x,t),H (x,t) là nghiệm của các phương trình truyền sóng (1.16) và (1.17):

Ê=ƒ@~Ð) và =gự—Ã)

Vì E và H không phụ thuộc vao toa độ y, z nên:

E E OE BE

OE, _ OE, _y GE, _ GE, _9 GE, _ GE _o

6H, _ 6H, _ 4 OH, OH, OH _ OH =0

Vậy E, không phụ thuộc vao cả x vat: E, = const.

Vi lý do đối xứng giá trị không đỏi của E, bằng không.

E, =0

Tương tự ta có thê suy ra H, = 0.

Có nghĩa là các vectơ E và H vuông góc với phương truyền sóng Ox.

Vậy sóng điện từ là sóng ngang.

Quan hệ giữa £ và H trong sóng điện từ

Bây giờ ta xét biến thiên của các hình chiếu Ey, E; của cường độ điện

trường E và hình chiều H,, H, của cường độ điện trường

Theo (1.19) có thê viết

E, = f,(t->)E = f.¢-*)

vực

:

Tính các dao hàm riêng của E,, E,, H, H; rồi thay vào các phương trình

(1.8), (1.9), (1.12), (1.13) ta sẽ tìm được mối liên hệ giữa các đại lượng này Dao ham riêng theo các toa độ y va z thi bang 0, theo (1.20) Chi còn lại các đạo hàm riêng theo x và t Muốn tinh các đạo ham nay, dùng qui tắc đạo ham

Từ hai phương trình (1.21) và (1.22) ta suy ra các mối quan hệ của E và

H trong sóng điện từ.

e Hai vecto E và H vuông góc nhau.

Ta có E.H =E,H,+E,H +EH =

Hình 1.1: Các thành phan của sóng điện từ

Vectơ vận tốc truyền sóng v hướng theo trục Ox, ta chọn trục Oy trùng

với vectơ E Như vậy Ey = E và E, = 0, từ (1.21) va (1.22) suy ra

H. / = E, và Hy = 0 tức là vectơ H có hướng theo trục Oz Như vậy ba

“iu

vectơ E, Hy v hợp thành một tam điện Oy, Oz, Ox đó là tam diện thuận nêu

Oxyz là tam diện thuận theo quy ước chung.

Vậy là: H=.|““E

\ ưa

Vi luôn có sự tỉ lệ thuận giữa E và H nên hai vectơ Eva H trong sóng

điện từ luôn dao động cùng pha.

1.1.3.Năng lượng của sóng điện từ

1.1.3.1.Mật độ năng lượng

Trong trường điện từ, tại mỗi điểm và vào một thời điểm đã cho cường

độ điện trường E và cường độ từ trường H có giá trị xác định.

Mật độ theo thẻ tích của năng lượng điện trong môi trường không có tính

với v là vận tốc lan truyền sóng điện từ trong môi trường.

Trường hợp sóng phang hình sin phân cực thang lan truyền theo trục z

với cường độ điện trường E = A sin(@t - kz).

Vectơ mật độ dòng năng lượng Umôp - Poanhtinh

Vận tốc truyền năng lượng của sóng chạy đơn sắc bằng vận tốc pha của

sóng này Ta có: v= EAH.——va w= ten

Với sóng phân cực clip:

P= (= [ A? sin” (eat — kz) + A; sin” (@f = kz +9)

Cường độ ánh sáng tức là cường độ của sóng điện từ được khảo sát trong

quang học, thường hiểu một cách đơn giản là bình phương biên độ dao động của cường độ E của sóng ánh sáng.

1.2.Các điều kiện biên trên mặt phân cách hai môi trường

1.2.1.Điều kiện biên của vectơ 8

Lay điểm M bắt kì trên mặt phân cách của hai môi trường 1 và 2, và quy ước pháp tuyến ở mặt phân cách hướng từ môi trường | đến môi trường 2 Xét bình trụ rat nhỏ chứa điểm M và có trục song song với pháp tuyến tại M Day

S¡ của hình trụ nằm trong môi trường | và đáy S, năm trong môi trường 2:

Hình 1.2 : Lectơ cảm ứng từ qua mắt phan cách hai moi trường.

Tích phân phương trình (1.4) theo thê tích V của hình trụ:

Khi S > 0, V co về M thi BB), dần đến giá trị giới hạn là thành phan

pháp tuyến của vectơ B, ,B, tại điểm M Do đó ta có điều kiện biên cho vectơ

cảm ứng từ:

B

au = B,,

Vậy khi qua mặt phân cách hai môi trường, thành phần pháp tuyến của

vectơ B biến thiên liên tục

1.2.2.Điều kiện biên của veetơ D

Xuất phát từ phương trình (1.2), lấy tích phân theo thé tích 2 về củaphương trình:

với D,, D, là vectơ cảm ứng điện ở môi trướng 1,2.

Qe: tông điện tích tự do có trong V.

Khi chiều cao của hình trụ tiên vẻ 0, S, > 0 thì Í DdS 0 Và:

với a, là mật độ điện tích mặt trên diện tích.

Khi S> 0, V co về điểm M đang xét.

1.2.3.Điều kiện biên của vectơ E

Xét một điểm M bat kì trên mặt phân cách giữa hai môi trường | va 2.Pháp tuyến tại M là ø (hướng từ môi trường 1 sang môi trường 2) và ¢ là mộttiếp tuyến tại M Xét một hình chữ nhật nam trong mặt (1,1) và chứa điểm M

Hai cạnh của hình chữ nhật năm trong môi trường | và 2, đồng thời song với

mặt phân cách L; = Lạ = L Bề rộng hình chữ nhật là Lino: Chiều quay đương

trên hình chữ nhật được chọn sao cho vectơ pháp tuyến V của hình chữ nhật tạo với ø và £ thành một tam điện thuận,

Hình 1.3: Lectơ cường độ điện trường qua mặt phan cách hai môi trường.

Lay tích phân phương trình (1.1): rorE = ` theo mat § do hình chữ

nay triệt tiêu khi Ly, 0 Áp dụng định lý Stockes cho về trái:

[rorEdŠ = J Edl =|, Edi+ J Edit], Edi=0

(L)

Tích phan thứ 3 triệt tiêu khi Lạ„c—>0 Khi đó:

I E,di = “I, E, dl =—E}.L

I E,di=+ [, E,,dl =E?,.L

Và ta có:

(Ej, - E}).L=0

Cho qua giới han Ly 0, S co về M, thì #7, E), tiến tới giới hạn Ex, Ey,

lấy tại điểm M Ta có:

E,, =,

Vậy thành phan tiếp tuyến của vectơ điện trưởng biến thiên liên tục khi

qua mặt phân cách hai môi trường.

1.2.4.Điều kiện biên của vecto 1

Xuất phát từ phương trình (1.3) ta lay tích phân theo mặt S:

trong đó I là cường độ dòng điện dan đi qua mặt S.

Ap dụng định lý Stockes cho về trai:

Trai êD

Khi Lage —> 0 thì [, Hdl 0 và (2) 50 nên

= N

H L-H,.L=1,

trong do L,, là cường độ dong điện mat chảy qua đoạn L.

Khi L > 0, S co về M thi Aj, Hị, tiến tới giới hạn Hy, Hạ, lấy tại

điểm M Do đó:

H,,-H,, =i,

Với i, = = là thành phan theo pháp tuyến N của vecto mật độ dòng

điện mặt ï tại điểm M trên mặt phân cách.

Khi không có dòng điện mật:

Anh sáng là sóng điện từ, có độ dai sóng ngắn Các sóng điện từ phát ra

bởi các máy phát sóng có vectơ điện trường £, véctơ từ trường #7, véctơ vận

tốc v Đối với mắt, chỉ có thành phần của £ tác động lên tế bao thần kính thịgiác nên ta chỉ xét vectơ cường độ điện trường và gọi là vectơ chắn động sáng

(E,,v) lập thành một tam điện thuận Ánh sáng là sóng ngang.

Mặt phẳng ( E, v) gọi là mặt phăng dao động.

y—x

H

b‹ bey}

Hình 1.4: Cae thành phan E,H,v của sóng điện từ lập thành tam điện thuận.

1.3.1.Phân cực thang

Sóng ánh sáng có veetơ chân động sáng E chỉ phân bé theo một phương

xác định được gọi là ánh sáng phân cực hoàn toàn hay phân cực thăng.

Nếu quan sát sóng ánh sáng tại một điểm cố định trên phương truyềnsóng (ví dụ trục Z), ta có thé quan sát thay đầu mũi tên vecto dao động lênxuống dọc theo một đường thăng

gọi là phân cực tròn trái.

Hình 1.6 : Anh sáng phân cực tron

Anh sáng tự nhiên là anh sáng có vectơ điện E hướng theo tat cả mọi

phương thẳng góc với phương truyền của tia sáng, không có một phương dao

động nao được ưu tiên hơn phương dao động khác (vì trong qua trình phát sóng, các hạt độc lập với nhau).

Tắt cả các nguôn sáng trong tự nhiên (trừ nguồn Laser phát ánh sángphân cực thăng) đều phát ra ánh sáng tự nhiên

Hình 1.8: Ảnh sáng tự nhiên.

1.4.Định luật Malus

1.4.1.Hiện tượng phân cực ánh sáng khi truyền qua bản Tuamalin

+ Thí nghiêm:

Lay từ tinh thé Tuamalin (còn gọi là đá nhiệt điện, một loại tinh thẻ thiên

nhiên) một bản T; có hai mặt song song với một trong hai phương ưu tiên của

tỉnh thé, gọi là trục quang học.

- Cho chùm tia sáng song song hẹp qua bản, theo phương vuông góc với mặt

bản và đặt mắt đón chùm tia ló Quay ban T, theo chiều mũi tên quanhphương truyền SA của chùm sáng, ta không nhận thấy một sự thay đổi nào

của tia ló.

— je vớ

ty I;

Hình 1.9: Thí nghiệm phan cực ánh sáng qua các ban Tuamalin.

- Cô định Tị, cho tia 16 qua tiếp một bản Tuamalin T; hoan toàn giốngbản T;, Khi xoay bản T; xung quanh phương truyền của tia sáng, cường độ tia

ló thay đôi tuần hoàn Khi trục chính của hai bản Tuamalin này song song với

nhau (T; // T›) thì cường độ tia 16 là cực dai Khi trục chính của chúng vuông

góc với nhau (T; L T;) thì cường độ tia 16 băng không

4 Nhân xét:

Trước khi qua bản T;, ánh sáng có tính đối xứng tròn xoay quanh phương

truyền của nó Sau ban T; tính đối xứng tròn xoay đã bị mát, chính do bản T;

gây ra Ánh sáng sau bản T, đã bị phân cực Ta gọi chùm tia sáng ra khỏi ban

T; là chùm phân cực Bản T; gây ra sự phân cực ấy gọi là kính phân cực, bảnT; dùng dé nhận biết chim sáng phân cực gọi là kính phân tích Hai bản T, và

T; hoàn toàn giống nhau, nên nếu chiếu ánh sáng theo chiều ngược lại thi bản

T> trở thành kính phan cực, bản T, trở thành kính phân tích.

4 Giải thích:

Anh sáng tới la sóng ngang có phương dao động vuông góc với phươngtruyền Anh sáng phát ra từ nguồn là ánh sáng tự nhiên, không có phương dao

động nào ưu tiên.

Ban Tourmaline chỉ truyền qua những chan động sáng có phương dao

động song song với trục quang học của tinh thé Anh sáng truyền qua bản T;

có phương dao động xác định, đó là ánh sang phân cực Khi bản T; đặt sao cho trục quang học của nó vuông góc với phương dao động ưu tiên này thì sẽ

không còn quan sát thay ánh sáng sau bản T; nữa

1.4.2.Định luật Malus

Hình 1.10: Hình ảnh thể hién định luật Malus về phân cực anh sáng,

Chiều chim anh sáng tự nhiên đến kinh phân cực P, chùm ánh sang ló laphân cực thăng có véctơ chan động sáng OP trùng mặt phang chính của kính

phân cực P Hứng chim tia sáng qua kính phân tích A, mặt phăng chính của A

hợp với OP một góc 8.

Nếu E là đao động sáng sau khi qua kính phân cực P thì chỉ có thành

phần Ecos@ song song với quang trục A mới truyền được qua kinh phân tíchtới đầu đo quang, còn thành phần vuông góc với quang trục A sẽ bị cản lại

Vì cường độ sáng tỷ lệ thuận với bình phương biên độ véctơ sóng ánh sáng nên cường độ sáng sau khi qua A là:

18) =1, cos’ Ø

Trong đó: Ip: cường độ ánh sáng tới.

6 : góc hợp bởi mặt phang dao động của anh sáng tới trên

kinh phân tích và mặt phang chính của kính lọc nay

1: cường độ anh sáng ứng với góc 8.

& Nhan xét:

Khi quay kính phân tích A:

- Nếu 0 = 0° thi cos @ = 1: cường độ sáng sau bảng kính phân tích đạt cực

đại Lnax = lu.

- Nếu 0 = 90° thi cos Ø = 1: cường độ sáng sau bảng kính phân tích đạt

cực tiêu I, = 0.

1.5.Hiện tượng phân cực do phan xạ

Khi ánh sáng phản xạ trên các môi trường điện môi nói chung đều bịphân cực một phan Người đầu tiên phát hiện hiệu ứng này là E’tienne Malus

(1808) khi quan sát hiện tượng khúc xạ kép của tinh thé calcite bằng ánh sáng

Chiếu một chùm tia sáng tự nhiên hẹp lên một tam thuỷ tỉnh M dưới góc

tới i= 57° Mặt sau của gương được bôi đen đẻ loại trừ tia phản chiếu ở mặt

sau của gương Ánh sáng khi tới mặt trước của gương M sẽ phản chiếu Hứng

chùm tia phản chiều lên một gương M giống hệt gương M va cũng với góc i

= 57” Tia phản chiếu cuối cùng trên M' được hứng trên một màn ảnh E

Quan sát cường độ tia phản xạ TR trên màn E khi quay gương (M ) quanh

tia tới II

4 Kết quả:

- Khi quay gương M xung quanh tia tới SI và vẫn giữ góc tới i = 57“

— cường độ sáng của tia phản xạ I [khong thay đồi

- Dé yên gương M và quay gương M' xung quanh tia tới I Ï và vẫn giữ

góc tới i = 57” — cường độ chùm tia phản chiếu IR trải qua những cực đại và những cực tiều triệt tiêu.

+ Khi hai mặt phẳng tới (SIL') va (II R) song song: cường độ tia phanchiếu IR cực đại, vệt sáng trên màn E sáng nhất ở hai vị trí Ay vàLÊN

+ Khi hai mặt phăng tới này thăng góc với nhau: cường độ chùm tia

IR triệt tiêu, ứng với hai vị trí Az và Ay.

- Nếu góc tới khác 57° thì tại các vị trí A> và Ag, cường độ của tia IR chi cực tiêu (tai Ay va Ay là tối nhat) chứ không triệt tiêu.

#4 Giải thích:

- Chùm tỉa tới SI là ánh sáng tự nhiên Khi quay gương M thì sự quay

nay không lam thay đồi cường độ của chùm tia phản xạ IL

- Sau khi phản xạ trên gương M, chùm tia II không còn tính đối xứng

của vectơ £ như chùm tia tới SI, mà lúc này là ánh sáng phân cực thăng Nên

khi quay gương M sẽ ảnh hưởng tới cường độ của chùm tia IR, có những vị trí dé

tia phản xạ cực đại và những vị trí khác làm ánh sáng phản xạ triệt tiêu.

- Nếu góc tới i # 57°, chùm tia II là ánh sáng phân cực một phan Khi

quay gương M, có phương làm cường độ TR cực tiêu nhưng không triệt tiêu.

& Kết luận:

- Hiện tượng tia sáng phân cực sau khi phản xạ tại mặt phân cách hai

môi trường gọi là sự phân cực ánh sáng do phản xạ.

- Gương M biến ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng phân cực: kính phân

cực.

- Gương M cho biết ánh sáng tới là ánh sáng phân cực: kính phân tích

1.5.2.Định luật Brewster

Bằng thực nghiệm, nhà vật lý David Brewster (1781-1868) đã phát biêu

định luật mang tên ông:

Khi có sự phản xạ từ môi trường chiết suất nạ trên môi trường chiếtsuất nạ Để tỉa phản xạ là ánh sáng phân cực thăng thì góc tới phải thỏamãn điều kiện:

¬:

Hay i, =——'

Trong trường hợp nay tia phản xa và tia khúc xạ vuông góc với nhau.

4 Đối với thí nghiệm Malus:

“Ta có không khí nụ = 1, thủy tinh nạ = 1.5

Khi cho ánh sáng chiếu vào bé mặt kính phăng, nó sẽ bị phản xạ ở góc

lớn hay bé là phụ thuộc vào góc tới Công thức Fresnel có thê nhận được nếu

ta cho rằng ánh sáng là sóng điện từ và áp dụng được các phương trình

Maxwell,

Xét sóng điện từ phân cực thăng tới một mat phăng phân cách 2 môi trường có chiết suất nạ và nạ (giả sử nạ > nj).

Gọi £ vane’ va lần lượt là hằng số điện môi va độ từ thâm của môi

trường | vả môi trường 2.

1.6.1.Véctơ cường độ điện trường E nằm trong mặt phẳng tới

Gọi Ej,H!,E/,H?,E},H` lần lượt là các trị số cực đại của điện trường

va từ trường ứng với sóng tới, sóng phản xạ và sóng khúc xạ.

i

Ei,

Hình 1.13: Anh sảng tới có vectơ cường độ điện trường nam trong

mặt pháng tới.

Điều kiện biên;

E}, cosi— Ef cosi = ES cosr (6.1)

H' +H! =H’ (6.2)

Theo lý thuyết về sóng điện từ;

Công thức tinh EE? theo Ej ở trên được gọi là công thức Fresnel đối

với trường hợp véctơ cường độ điện trường £ nằm trong mặt phẳng tới.

1.6.2.Véctơ cường độ điện trường thắng góc với mặt phăng tới

Gọi E),Hƒ,.E?,Hƒ.E}.H}, lần lượt là các trị số cực đại của điện trường

X VÀ ` + ess as ‘ «4 ` 2ˆ a

va từ trường ứng với sóng tới, sóng phản chiêu và sóng khúc xạ.

Hình 1.14: Anh sáng tới có vecta cường độ điện trường vuông góc với

mặt pháng tới.

Điêu kiện biên:

E' +E? =E! (6.6)

=Hj,cosi+ Hf cosỉ =—=H} cosr (6.7)

Theo lý thuyết về sóng điện ti:

Nhân 2 về phương trình cho [2 ta duge:

Palthal (- -E\ + E')=-.|—>+ —=+F;) cosr Moe,

Enh Eoks cos!

Chiết suất của một môi trường là: