Bài 6: XÁC ĐỊNH BƯỚC SÓNG ÁNH SÁNG BẰNG GIAO THOA CHO VÂN TRÒN NEWTON Họ và tên: .... MỤC ĐÍCH BÀI THÍ NGHIỆM: - Biết sử dụng các thiết bị dụng cụ: kính hiển vi đo lường, bộ thấu kính
Trang 1Bài 6: XÁC ĐỊNH BƯỚC SÓNG ÁNH SÁNG BẰNG GIAO THOA CHO VÂN TRÒN NEWTON
Họ và tên:
Lớp: MSSV:
Ngày làm TN:
Ngày nộp báo cáo:
I MỤC ĐÍCH BÀI THÍ NGHIỆM:
- Biết sử dụng các thiết bị dụng cụ: kính hiển vi đo lường, bộ thấu kính phẳng lồi tạo bản nên không khí, bộ gương bán mạ phản xạ truyền qua, bộ nguồn đơn sắc để quan sát hiện tượng giao thoa cho vân tròn Newton ứng với các ánh sáng đơn sắc khác nhau
- Vận dụng kết quả, xác định bước sóng ánh sáng đơn sắc và sai số phép đo
II TÓM TẮT LÍ THUYẾT:
1 Giao thoa cho hệ vân tròn Newton
Giao thoa cho hệ vân tròn Newton là hiện tượng giao thoa của
các sóng sáng truyền qua bản nêm không khí Nếu chiếu chùm
sáng song song đơn sắc có bước sóng λ vuông góc với mặt phẳng
của các bản phẳng thủy tinh P thì các tia sáng phản xạ từ mặt trên
và mặt dưới của bản nêm không khí sẽ giao thoa với nhau tạo
thành các hệ thống vân sáng, tối hình tròn đồng tâm nằm xen kẽ
nhau
Hiệu quang lộ các tia phản xạ: 2
2
k
D = +
(d k: bề dày lớp không khí)
Bán kính r k: r k2 =(2R d d- k) k
Vì d k bé nên: r k2 =2Rd k→ Tại bề dày d k có vân tối k thì:
k
r
Rk
Xác định bước sóng λ đối với 2 vân tối thứ k và thứ i: r k2 =k Rl ; r i2 =i Rl Þ
(k i R Bb)
l =
- với B r= +k r i, b r= -k r i
9,0
NGUYỄN LÊ ANH
SP Lý 3A K36.102.012
05/10/2012 05/10/2012
r k
r i
R
L P
d k
Trang 22 Quan sát hệ vân Newton qua kính hiển vi
(Ánh sáng) Nguồn sáng Đ → Thấu kính tụ quang Q → Gương bán mạ G (nghiêng 450) → Nêm không khí Các tia phản xạ trên 2 mặt nêm không khí giao thoa → hệ vân tròn Newton (các giá trị B, b đo bằng kính trắc vi)
III CÁC BƯỚC THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM
1 Quan sát ảnh của hệ vân tròn Newton qua kính hiển vi:
a Lắp ráp hệ thống:
Đặt kính hiển vi đo lường ngay ngắn trước mặt, nguồn phát đặt đối diện kính hiển vi sao cho tia sáng đơn sắc chiếu vào gương bán mạ G Đặt hộp H lên mâm cặp vật 1 sao cho đồng trục với ống vật kính Cắm phích của nguồn sáng vào ổ điện và bật công tắc Nhìn vào thị kính, điều chỉnh nguồn sáng và gương G để quan sát quầng sáng
b Điều chỉnh để quan sát hệ vân:
Nhìn vào phía ngoài và vặn nút 2 để hạ thấp dần ống kính sao cho gương G hạ gần sát hộp H nhưng không chạm Đặt mắt trên thị kính T quan sát Vặn từ từ núm 2 để nâng ống ngắm N cho tới khi quan sát thấy hệ vân Dịch chuyển hộp H để hệ vân nằm ở tâm thị trường của ống ngắm Điều chỉnh tinh độ cao ống ngắm bằng núm 2 Phối hợp xoay núm 3 để giao điểm X của vạch chữ thập trong trắc vi trùng tâm hệ vân Nếu giao điểm X chạy lệch ra ngoài đường kính của hệ vân, ta điều chỉnh bằng cách nới vít 4 và xoay nhẹ ống kính của trắc vi thị kính T, phối hợp điều chỉnh vị trí hộp H
2 Đo các đại lượng B và b
- Xoay núm 3 sao cho giao điểm X trùng với vị trí K tại vân tối thứ k Đọc và ghi tọa độ x k thứ k
trên thước thẳng (mm) và phần lẻ trên trống 3 (0,01 mm/vạch) vào bảng 1
- Xoay núm 3 sao cho giao điểm Z chạy đến vị trí I tại vân tối thứ i Đọc và ghi tọa độ x i của điểm
I
- Xoay núm 3 cho giao điểm X chạy đến các vị trí I’ và K’ Đọc và ghi tọa độ của các điểm này vào bảng 1
- Thực hiện lại các động tác trên 5 lần để tìm giá trị trung bình của B và b
IV KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
1 Xác định bước sóng ánh sáng đỏ
- Bán kính mặt lồi của thấu kính: R =855 mm
k i
B r= +r, b r= -k r i,
2
k k k
2
i i i
=
- Dùng vân tối thứ 1 và thứ 4
Đơn vị: mm
Lần Xk Xi Xi’ Xk’ B b B b DB Db
1 37,64 36,96 35,48 34,74 2,19 0,71
2,203 0,720 0,009 0,007
2 37,67 36,94 35,45 34,74 2,21 0,72
3 37,67 36,96 35,48 34,73 2,21 0,73
Trang 3v Bước sóng của ánh sáng đỏ:
( . ) 2,203.0,72(4 1 855) 0,618.10 mm3 ( ) 0,618
B b
k i R
v Tính Dl (CM lại)
0,009 0,007 1
1,5%
2,203 0,72 855
B b
k i R
R
R
l
l
l
d
l
0,618.1,5% 0,00927
l l d
v Vậy: l l= ± D =l 0,618 0,009± (μm)
2 Xác định bước sóng ánh sáng màu lục
- Bán kính mặt lồi của thấu kính: R =855 mm
k i
B r= +r, b r= -k r i,
2
k k k
2
i i i
=
- Dùng vân tối thứ 1 và thứ 5
Đơn vị: mm
Lần Xk Xi Xi’ Xk’ B b B b DB Db
1 37,63 36,81 35,47 34,66 2,16 0,82
2,167 0,810 0,009 0,007
2 37,63 36,84 35,46 34,66 2,18 0,80
3 37,62 36,84 35,49 34,65 2,16 0,81
v Bước sóng của ánh sáng lục:
( . ) (2,167.0,815 1 855) 0,513.10 mm3 ( ) 0,513
B b
k i R
v Tính Dl
0,009 0,007 1
1,4%
2,167 0,81 855
R
l
d
l
0,513.1,4% 0,00718
l l d
v Vậy: l l= ± D =l 0,513 0,007± (μm)
Trang 43 Xác định bước sóng ánh sáng xanh dương
- Bán kính mặt lồi của thấu kính: R =855 mm
k i
B r= +r, b r= -k r i,
2
k k k
,
2
i i i
- Dùng vân tối thứ 1 và thứ 6
Đơn vị: mm
Lần Xk Xi Xi’ Xk’ B b B b DB Db
1 37,72 36,86 35,56 34,68 2,17 0,87
2,173 0,860 0,004 0,006
2 37,70 36,88 35,55 34,67 2,18 0,87
3 37,71 36,86 35,55 34,67 2,17 0,86
v Bước sóng của ánh sáng lục:
( . ) (2,173.0,866 1 855) 0,437.10 mm3 ( ) 0,437
B b
k i R
v Tính Dl
0,004 0,006 1
1,0%
2,173 0,86 855
R
l
d
l
0,437.1,0% 0,00437
l l d
Vậy: l l= ± D =l 0,437 0,004± (μm)
V TRẢ LỜI CÂU HỎI
1 Định nghĩa và nêu rõ điều kiện để có giao thoa ánh sáng
- Giao thoa ánh sáng là sự tổng hợp của hai hay nhiều ánh sáng kết hợp mà kết quả là có chỗ biên độ được tăng cường hoặc biên độ bị triệt tiêu
- Điều kiện để có giao thoa ánh sáng: Các nguồn sáng là các nguồn kết hợp (có cùng tần số, cùng phương dao động, có hiệu số pha không đổi theo thời gian)
2 Giải thích hiện tượng giao thoa cho bởi bản nêm không khí, tạo thành hệ vân trong Newton Tại sao trong thí nghiệm này, ảnh giao thoa lại là một hệ vân tròn đồng tâm
- Giải thích:
+ Nếu chiếu chùm sáng song song đơn sắc có bước sóng λ vuông góc với mặt phẳng của bản thủy tinh P thì các tia sáng phản xạ từ mặt trên và mặt dưới của bản nêm không khí sẽ giao thoa với nhau
+ Hiệu quang lộ của các tia sáng phản xạ trên hai mặt của bản nêm không khí tại vị trí ứng với độ dày d k của bản bằng: 2
2
k
D = +
+ Đại lượng
2
l
xuất hiện là do ánh sáng truyền qua bản nêm không khí tới mặt dưới của bản rồi
bị phản xạ tại mặt phẳng của bản thủy tinh P chiết quang hơn không khí
Trang 5+ Khi (2 1)
2
D = + với k =0,1,2,3, ta có cực tiểu giao thoa ứng với bề dày:
2
k
= + Gọi R là bán kính mặt lồi của thấu kính L Vì d k =R nên áp dụng hệ thức lượng trong tam giác vuông, ta tính được bán kính r k của vân tối thứ k:
r
kR
- Chúng ta quan sát thấy vân giao thoa đồng độ dày Hệ thí nghiệm được bố trí đối xứng tròn xoay quanh trục CO và lớp không khí mỏng cùng độ dày có dạng vòng tròn đồng tâm O Vậy hệ vân là các vân tròn cùng tâm O
3 Tại sao phải xác định bước sóng λ của ánh sáng theo công thức
(k i R Bb)
l =
- , mà không xác định
trực tiếp theo công thức
2
k
r kR
Thực tế không thể đạt được sự tiếp xúc điểm giữa mặt thấu kính phẳng lồi L và mặt phẳng thủy tinh P, nên vân tối chính giữa của hệ vân tròn Newton không phải là một điểm mà là một hình tròn Vì thế,
để xác định chính xác bước sóng λ của ánh sáng đơn sắc, người ta áp dụng công thức
2
k
r kR
l = đối với hai
vân tối thứ k và thứ i: r k2 =k Rl và r i2 =k Rl Từ đó suy ra: 2 2 ( )
k i
r -r = k i- l R hay
(k i R Bb)
l =
-với B r= +k r i, b r= -k r i
4 Hãy chứng tỏ công thức tính sai số tương đối của phép đo bước sóng ánh sáng λ bằng phương pháp giao thoa cho vân tròn Newton có dạng:
l d l
Từ đó suy ra cách chọn các vân thứ k và thứ I nên như thế nào để phép đo bước sóng λ theo phương pháp này đạt độ chính xác cao?
- Ta có:
(k i R B b. )
l =
- + Bước 1: lnl =lnB+lnb-ln(k i- -) lnR
+ Bước 2: d d B db dR
R
l
R
l d l
Vậy sai số tương đối: B b R
l d l
Trang 6- Nên chọn i =1 ; k =4,5 hoặc 6 vì vân tối thứ nhất có độ rõ nét cao, không quá gần các vân tối bên cạnh nên dễ dàng xác định tọa độ x i (hay x i¢) Đối với vân tối thứ k, không nên chọn gần vân tối thứ nhất, như vậy khoảng cách 2 vân gần nhau, sai số lớn Tuy nhiên cũng không nên chọn k
quá lớn bởi vì càng xa vân tối trung tâm thì các vân rất sít nhau, khó xác định tọa độ của các vân tối này, độ rõ nét cũng không thật sự cao Cho nên chọn khoảng từ 4 đến 6 là được