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

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 - 360 0 , chính xác 1 0 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 2 là 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 E 01 0 = .cos α và cường độ sáng I 1 ở phía sau bản phân cực bằng : I 1 = ( ) ( ) E E 01 2 0 2 = .cos α hay I 1 = I 0 . cos 2 α (1) Đây là công thức của định luật Malus về phân cực ánh sáng. Rõ ràng, khi α = 0 thì cos α = 1 : cường độ sáng sau bản kính phân cực đạt cực đại I 1max = I 0 ; còn khi α = 90 0 thì cos α = 0 : cường độ sáng sau bản kính phân cực sẽ cực tiểu I 1min = 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 ÷ 360 0 ) 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 1 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 K 1 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 5 0 ) từ giá trị ban đầu đến giá trị α = + 90 0 .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 ± 5 0 ) chỉ thay đổi mỗi lần 1 0 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” 2 DL 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 cos 2 x thỡ cú thể chọn trục A – Axis là cos 2 x máy tính sẽ vẽ đồ thị cường độ sáng tỷ lệ với cos 2 x µ A K 1 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 góc α 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 . 3 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 cos α cos 2 α α I 1 cos α cos 2 α 0 50 5 55 10 60 15 65 20 70 25 75 30 80 35 85 40 90 45 0 1. Vẽ đồ thị I 1 = f ( X ) với X = cos 2 α , nhận xét đồ thị có dạng đường gỡ? 4 . cực tiểu I 1min = 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. 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. 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