KHẢO SÁT SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG DÙNG TIA LASER . ppt

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 trường E hay còn gọi là vectơ sóng sáng luôn dao động the

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 Thước đo góc 0 - 3600 , chính xác 10

4 Cảm biến photodiode silicon + ống che

sáng

5 Bộ khuếch đại và chỉ thị cường 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 trường E hay còn gọi là

vectơ sóng sáng luôn dao động theo phương

vuông góc với phương truyền v của sóng

sáng (tia sáng)

Như 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

phương 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

phương vuông góc với tia sáng được gọi là

ánh sáng tự nhiên

Nếu ánh sáng có vectơ sóng sáng E chỉ

dao động theo một phương xác định vuông

góc với tia sáng gọi là ánh sáng phân cực

phẳng (hoặc thẳng) Mặt phẳng chứa tia sáng

và phương 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 phương 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 được qua bản, còn thành phần E 2

vuông góc với quang trục Q sẽ bị cản lại Dễ

dàng nhận thấy : E 1 = E cos α

Vì cường độ sáng tỷ lệ thuận với bình phương biên độ vectơ sóng sáng, nên nếu

E 0 là biên độ của vectơ sóng sáng E và I 0

( )

= E 0 2là cường 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

E 01 =E 0 cosα và cường độ sáng I 1 ở

phía sau bản phân cực bằng :

I 1 =( )E 01 2 =(E 0 cosα)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 cosα = 1 : cường độ sáng sau bản kính phân

cực đạt cực đại I1max= I0 ; còn khi α= 900 thì cosα= 0 : cường 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 thước tròn T (được chia độ từ 0 ÷ 3600) gắn chặt với bản phân cực P dùng đo góc quay α giữa phương của

vectơ sóng sáng E truyền tới bản phân cực P

và quang trục Q của bản này Để khảo sát sự

thay đổi cường 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 được đưa vào bộ

khuếch đại và chỉ thị cường độ sáng KĐ nhờ

một chốt cắm C Toàn bộ thiết bị thí nghiệm

đặt trên cùng một giá quang học G

2 Cắm phích lấy điện của khuếch đại và

chỉ thị cường độ sáng KĐ vào nguồn điện ~

220V Vặn núm biến trở R (ngược chiều

kim đồng hồ) về vị trí tận cùng bên trỏi ứng

với độ nhạy lớn 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 milivonkế điện-tử Nếu

kim của điện kế 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 được 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 thước tròn chia độ T cho tới khi

kim của điện kế đạt độ lệch lớn nhất ( giá trị

lớn nhất của kim điện kế không được vượt quá

thang đo, nếu quá thang đo phải qiảm khuếch

đại của bién trở R sao cho giá trị lớn nhất của

điện kế vào khoảng 100 – 150),đó chính là

giá trị góc ỏ =0

5 Tiếp tục quay thước tròn chia độ T để tăng góc quay α (mỗi lần tăng 50) từ giá trị ban đầu đến giá trị α = + 900 Mỗi lần thay đổi gúc thỡ bấm F9 một lần

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

đó cường 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 cường độ

sáng I 1 tương ứng Từ đó có thể xác định chính xác vị trí mặt phẳng phân cực của chùm tia laser

Khởi động chương trình máy tính: Trong thanh “Start” chọn “Program” và chọn

“Cassy Lab”, nhấp đúp chuột vào UA1, chọn 0 -10V

Trong cửa sổ “input setting” chọn

“Averagd Valuse”, “left”.

Trong cửa sổ Measing parametes chọn

“Manual”.

Nhấp đúp chuột vào UB1, chọn 0 -10V Trong cửa sổ “input setting” chọn

“Averagd Valuse”, “left”.

Trong cửa sổ Measing parametes chọn

“Manual”.

Cài đặt các trục tọa độ, ở đây hoành độ

biểu thị cosỏ , tung độ biểu thị cường độ sỏng I

Muốn cài đặt trục tọa độ thì trong của sổ

“setting” chọn “parameter Formula FFT”

* Khai báo cường độ sỏng I:

Chọn “new quantity”

Trong hộp “select quantity” điền vào tên

đại lượng mới “I”

Chọn “formula” điền công thức chỉ mối

liên hệ đại lượng mới với các đại lượng cũ: UA1/0.45*150

Trong “symbol” I: Unit: Cd From: 0 To: 150

*Khai báo cosx

Chọn “new quantity”

Trong hộp “select quantity” điền vào tên

đại lượng mới “cosx”

Chọn “formula” điền công thức chỉ mối

liên hệ đại lượng mới với các đại lượng cũ:

cos((n-1)*5)

Trong “symbol”: cosx: Unit: From: 0

To: 1.5

*Chọn hiển thị đồ thị I – cosx

Trong “setting” chọn ‘display”

Chọn “new display”

Trong hộp “select display” ghi tên đồ thị I –

cosx

Trong X – Axis chọn cosx và Y – Axis chọn I

Sau đó bấm F9 để bắt đầu đo, với mỗi lần

dịch chuyển thước đo 5 độ, sau đó bấm F9 Máy tính sẽ vẽ đồ thị cường độ sáng tỷ lệ với cos2x thỡ cú thể chọn trục A – Axis là cos2x máy tính sẽ vẽ đồ thị cường độ sáng tỷ

lệ với cos2x

µA

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 Giải thích tại sao khi chùm tia laser

truyền qua bản phân cực P , thì cường 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

4 Phát biểu và viết biểu thức của định luật

Malus về phân cực ánh sáng

5 Mô tả bộ thiết bị thí nghiệm và phương

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

Trường

Lớp Tổ

Họ tên

I Mục đích thí nghiệm

II kết quả thí nghiệm

Bảng 1

α I 1 cosα cos 2α α I 1 cosα cos 2α

1 Vẽ đồ thị I 1 = f ( X ) với X = cos 2α, nhận xét đồ thị có dạng đường gỡ?

4