Thí Nghiệm_BKO- Dinh Luat Malus.doc

Sự phân cực ánh sáng : Theo thuyết điện từ của Maxwell, ánh sáng là sóng điện từ tức là loại sóng ngang, trong đó vectơ điện trờng E hay còn gọi là vectơ sóng sáng luôn dao động theo

VLKT- Viện Vật lý Kỹ thuật- ĐHBK Hà nội

Thí nghiệm vật lý BKO-080

khảo sát sự phân cực ánh sáng dùng tia laser

Nghiệm định luật malus ( Maluýt )

Dụng cụ :

1 Nguồn phát tia laser bán dẫn

2 Bản kính phân cực ;

3 Thớc đo góc 0 - 3600 , chính xác 10

4 Cảm biến photodiode silicon + ống che

sáng ;

5 Bộ khuếch đại và chỉ thị cờng độ sáng

6 Giá quang học

I Cơ sở lý thuyết

1 Sự phân cực ánh sáng :

Theo thuyết điện từ của Maxwell, ánh sáng

là sóng điện từ tức là loại sóng ngang, trong đó

vectơ điện trờng E hay còn gọi là vectơ sóng

sáng luôn dao động theo phơng vuông góc với

phơng truyền v của sóng sáng (tia sáng)

Nh đã biết, ánh sáng tự nhiên là tập hợp vô

số các đoàn sóng do những nguyên tử riêng

biệt trong nguồn sáng phát ra, nên vectơ sóng

sáng E của mỗi đoàn sóng có phơng dao động

rất khác nhau và mang tính ngẫu nhiên Vì vậy

theo định nghĩa, ánh sáng trong đó vectơ sóng

sáng E dao động đều đặn (với cùng xác suất)

theo mọi phơng vuông góc với tia sáng đợc gọi

là ánh sáng tự nhiên (Hình 1)

Nếu ánh sáng có vectơ sóng sáng E chỉ dao

động theo một phơng xác định vuông góc với tia

sáng gọi là ánh sáng phân cực phẳng (hoặc thẳng)

Mặt phẳng chứa tia sáng và phơng dao động của

vectơ sóng sáng E gọi là mặt phẳng dao động

Mặt phẳng chứa tia sáng và vuông góc với mặt

phẳng dao động gọi là mặt phẳng phân cực

Có thể tạo ra ánh sáng phân cực phẳng

bằng cách cho ánh sáng tự nhiên truyền qua

các bản phân cực (pôlarôit hoặc hêrapatit) Thực

nghiệm chứng tỏ ánh sáng tự nhiên, sau khi

truyền qua bản phân cực, sẽ trở thành ánh

sáng phân cực phẳng có vectơ sóng sáng E

dao động theo một phơng hoàn toàn xác định

gọi là quang trục Q của bản phân cực Giả sử

nếu ánh sáng truyền tới bản phân cực là ánh

sáng phân cực phẳng có vectơ sóng sáng E

nghiêng một góc α so với quang trục Q của

bản này, thì chỉ có thành phần E 1 song song

với quang trục Q mới truyền đợc qua bản, còn

thành phần E 2 vuông góc với quang trục Q sẽ

bị cản lại (Hình 2) Dễ dàng nhận thấy : E 1 =

E cos α.

Vì cờng độ sáng tỷ lệ thuận với bình phơng

biên độ vectơ sóng sáng, nên nếu E 0 là biên

độ của vectơ sóng sáng E và I 0 = ( ) E0 2là c-ờng độ sáng của ánh sáng phân cực phẳng truyền tới bản phân cực, thì biên độ của thành

phần vectơ sóng sáng E 1 truyền qua bản phân cực sẽ là E01 = E0.cos α và cờng độ sáng

I 1 ở phía sau bản phân cực bằng :

I 1 =( ) E01 2 = ( E0.cos α )2 hay I 1 = I 0 cos 2α (1)

Đây là công thức của định luật Malus về

phân cực ánh sáng Rõ ràng, khi α= 0 thì cos

α = 1 : cờng độ sáng sau bản kính phân cực

đạt cực đại I1max= I0 ; còn khi α = 900 thì cos

α = 0 : cờng độ sáng sau bản kính phân cực sẽ cực tiểu I1min= 0

Trong thí nghiệm này, ta sẽ khảo sát sự phân cực ánh sáng của chùm tia laser để xác định mặt phẳng phân cực của chùm tia laser và nghiệm lại định luật Malus về phân cực ánh sáng

II Trình tự thí nghiệm

1 Quan sát bộ thiết bị thí nghiệm gồm một diode laser DL (3,8V - 5 mW) phát ra chùm tia laser màu đỏ chiếu vuông góc vào tâm của mặt bản phân cực P Một thớc tròn T (đợc chia độ từ

0 ữ 3600) gắn chặt với bản phân cực P dùng đo góc quay α giữa phơng của vectơ sóng sáng E

truyền tới bản phân cực P và quang trục Q của bản này Để khảo sát sự thay đổi cờng độ của

ánh sáng phân cực sau khi truyền qua bản phân cực P, ta dùng một cảm biến quang điện silicon QĐ đặt ở bên trong một ống che sáng Tín hiệu laser truyền qua bản kính phân cực tới rọi vào cảm biến quang điện silicon QĐ đợc đa vào bộ khuếch đại và chỉ thị cờng độ sáng KĐ nhờ một chốt cắm C Toàn bộ thiết bị thí nghiệm đặt trên cùng một giá quang học G

(Hình 5) 2 Cắm phích lấy điện của khuếch đại

và chỉ thị cờng độ sáng KĐ vào nguồn điện ~

220V Vặn núm chọn thang đo N của

micrôampekế điện-tử à A tới vị trí 100 và vặn

núm biến trở R (ngợc chiều kim đồng hồ) về vị

trí tận cùng bên phải ứng với độ nhạy nhỏ nhất

Bấm khóa đóng điện K trên mặt của bộ khuếch

đại KĐ : đèn tín hiệu LED phát sáng Nới lỏng

vít hãm V và quay ống chắn sáng của cảm biến

quang điện QĐ để trục của nó đi qua tâm của

bản phân cực P Chờ khoảng 5 phút để bộ

khuếch đại KĐ ổn định, thực hiện việc điều

chỉnh vị trí số 0 của micrôampekế điện-tử à A

Nếu kim của micrôampekếà A không chỉ đúng

số 0 thì phải vặn từ từ núm "qui 0" để cho kim

chỉ thị của nó quay trở về đúng số 0 Chú ý :

Sau khi điều chỉnh xong, phải giữ nguyên vị trí

này của núm "qui 0" trong suốt thời gian làm thí

nghiệm

3 Cắm phích lấy điện của bộ nguồn nuôi

diode laser DL vào nguồn điện xoay chiều

~220V Bật côngtắc K1 của diode laser DL, ta

sẽ nhận đợc chùm tia sáng laser màu đỏ Điều

chỉnh để chùm tia sáng laser phát ra từ cửa sổ

của diode laser DL đi qua tâm của bản phân

cực P và chiếu vào tâm của vít V Khi đó giữ

nguyên độ cao của cảm biến quang điện QĐ

và quay nó để cho chùm tia laser rọi thẳng vào

cảm biến quang điện QĐ

4 Quay thớc tròn chia độ T cho tới khi kim của

micrôampekếà A đạt độ lệch lớn nhất Sau đó,

vặn từ từ núm biến trở R (ngợc chiều kim đồng

hồ) để kim của micrôampekếà A dịch chuyển

tới vị trí của vạch 100 trên mặt thang đo của

micrôampekếà A Đọc và ghi giá trị góc quay

ban đầu α0 (trên thớc tròn chia độ T) của bản

phân cực P vào bảng 1

5 Tiếp tục quay thớc tròn chia độ T để tăng

góc quay α (mỗi lần tăng 50) từ giá trị ban đầu

α0 đến giá trị α = + 3600 Đọc và ghi các giá trị

tơng ứng của góc quay α và của cờng độ sáng

I 1 (tỷ lệ với cờng độ dòng điện trên

micrôampekế à A) trong mỗi lần đo vào bảng 1

6 Đọc và ghi các số liệu sau đây vào bảng

1 :

- Độ chia nhỏ nhất của thớc tròn chia

độ T

2 Cắm phích lấy điện của khuếch đại và chỉ

thị cờng độ sáng KĐ vào nguồn điện ~ 220V

Vặn núm chọn thang đo N của micrôampekế

điện-tử à A tới vị trí 100 và vặn núm biến trở R (ngợc chiều kim đồng hồ) về vị trí tận cùng bên phải ứng với độ nhạy nhỏ nhất Bấm khóa đóng

điện K trên mặt của bộ khuếch đại KĐ : đèn tín hiệu LED phát sáng Nới lỏng vít hãm V và quay ống chắn sáng của cảm biến quang điện QĐ để trục của nó đi qua tâm của bản phân cực P Chờ khoảng 5 phút để bộ khuếch đại KĐ

ổn định, thực hiện việc điều chỉnh vị trí số 0 của micrôampekế điện-tử à A Nếu kim của micrôampekếà A không chỉ đúng số 0 thì phải vặn từ từ núm "qui 0" để cho kim chỉ thị của nó quay trở về đúng số 0 Chú ý : Sau khi điều chỉnh xong, phải giữ nguyên vị trí này của núm

"qui 0" trong suốt thời gian làm thí nghiệm

3 Cắm phích lấy điện của bộ nguồn nuôi diode laser DL vào nguồn điện xoay chiều

~220V Bật côngtắc K1 của diode laser DL, ta

sẽ nhận đợc chùm tia sáng laser màu đỏ Điều chỉnh để chùm tia sáng laser phát ra từ cửa sổ của diode laser DL đi qua tâm của bản phân cực P và chiếu vào tâm của vít V Khi đó giữ nguyên độ cao của cảm biến quang điện QĐ

và quay nó để cho chùm tia laser rọi thẳng vào cảm biến quang điện QĐ

4 Quay thớc tròn chia độ T cho tới khi kim của micrôampekếà A đạt độ lệch lớn nhất Sau đó, vặn từ từ núm biến trở R (ngợc chiều kim đồng hồ) để kim của micrôampekếà A dịch chuyển tới vị trí của vạch 100 trên mặt thang đo của micrôampekếà A Đọc và ghi giá trị góc quay ban đầu α0 (trên thớc tròn chia độ T) của bản phân cực P vào bảng 1

5 Tiếp tục quay thớc tròn chia độ T để tăng góc quay α (mỗi lần tăng 50) từ giá trị ban đầu

α0 đến giá trị α = + 3600 Đọc và ghi các giá trị tơng ứng của góc quay α và của cờng độ sáng

I 1 (tỷ lệ với cờng độ dòng điện trên micrôampekế à A) trong mỗi lần đo vào bảng 1

6 Đọc và ghi các số liệu sau đây vào bảng

1 :

- Độ chia nhỏ nhất của thớc tròn chia

độ T

- Độ chia nhỏ nhất trên thang đo 100 của micrôampekế điện-tử à A

7 Dựa vào những giá trị đo đợc của cờng độ

sáng I 1 và của góc quay α tơng ứng trong

bảng 1, vẽ đồ thị biểu diễn hàm số :

I 1 = f ( X ) với X = cos 2α (3)

Chú ý : Cần kiểm tra chính xác các vị trí tại đó

cờng độ sáng đạt cực đại hoặc cực tiểu bằng

cách ở lân cận hai phía của mỗi vị trí này (trong giới hạn ± 50) chỉ thay đổi mỗi lần 10 đối với góc quay α và đọc giá trị cờng độ sáng I 1 tơng ứng Từ đó có thể xác định chính xác vị trí mặt phẳng phân cực của chùm tia laser

à A

K1 P T QĐ

V

R "0"

1 10 100

K

N

C + −

G KĐ

Hình 5

III Câu hỏi kiểm tra

1 Nêu rõ thuyết điện từ của Maxwell về bản

chất của ánh sáng ánh sáng là sóng ngang

hay sóng dọc ?

2 Phân biệt ánh sáng tự nhiên và ánh sáng

phân cực

3 Định nghĩa laser Nêu rõ nguyên tắc tạo

ra trạng thái đảo mật độ hạt Phân biệt sự phát

xạ tự phát và phát xạ cảm ứng của các nguyên

tử Nêu nguyên tắc ccấu tạo và hoạt động của

diode laser

4 Giải thích tại sao khi chùm tia laser truyền qua bản phân cực P , thì cờng độ sáng I ở phía

sau bản phân cực P lại thay đổi phụ thuộc vào gócα giữa vectơ sóng sáng E truyền tới bản

phân cực P và quang trục Q của bản đó

5 Phát biểu và viết biểu thức của định luật Malus về phân cực ánh sáng

6 Mô tả bộ thiết bị thí nghiệm và phơng pháp khảo sát sự phân cực ánh sáng để nghiệm lại

định luật Malus về phân cực ánh sáng và xác

định mặt phẳng phân cực của chùm tia laser

Báo cáo thí nghiệm

khảo sát phân cực ánh sáng dùng tia laser

Nghiệm Định luật malus ( maluýt )

Xác nhận của thày giáo

Trờng

Lớp Tổ

Họ tên

I Mục đích thí nghiệm

II kết quả thí nghiệm

Bảng 1

- Giá trị độ chia nhỏ nhất của thớc đo góc T :

- Giá trị độ chia nhỏ nhất trên micrôampekếà A :

1 Vẽ đồ thị I1 = f ( X ) với X = cos 2α

2 Kết luận

Đồ thị I1 = f ( X ) với X = cos 2α có dạng một đờng (thẳng, cong, ) tức

là cờng độ ánh sáng phân cực I1 phụ thuộc X = cos 2α theo qui luật hàm bậc

Kết quả này chứng tỏ định luật Malus về phân cực ánh sáng

(đã nghiệm hoặc không nghiệm đúng)