lắp ráp bài thí nghiệm kiểm chứng định luật brewster

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  Luận văn tốt nghiệp LẮP RÁP BÀI THÍ NGHIỆM KIỂM CHỨNG ĐỊNH LUẬT BREWSTER SVTH: Lương Minh Nghĩa Sinh viên năm Khoa Vật Lý GVHD: Trần Văn Tấn Tp Hồ Chí Minh, tháng 4/2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  Lương Minh Nghĩa LẮP RÁP BÀI THÍ NGHIỆM KIỂM CHỨNG ĐỊNH LUẬT BREWSTER VỀ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ Mã số: 102 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Ths.Trần Văn Tấn Tp Hồ Chí Minh - 2011 LỜI CẢM ƠN Khoảng thời gian học tập rèn luyện miệt mài giảng đường Đại Học giúp cho em tích luỹ vốn kiến thức kỹ sư phạm cần thiết cho công việc giảng dạy sau Với có ngày hôm nay, nhờ công lao dạy dỗ Thầy Cô Công lao không đền đáp được, em mong quý thầy cô nhận nơi em lòng chân thành biết ơn sâu sắc Trước tiên, em xin chân xin chân thành gởi lời cảm ơn đến quý Thầy cô Trường Đại Học Sư Phạm đặc biệt quý thầy cô khoa Vật Lý tạo điều kiện thuận lợi dạy tận tình em suốt trình học tập thời gian thực luận văn Tiếp đến, em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Văn Tấn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành luận văn Cuối cùng, em xin cảm ơn cha mẹ, anh chị bạn hết lòng động viên, giúp đỡ, bảo em suốt thời gian học tập trình thực luận văn Sinh viên Lương Minh Nghĩa MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN T T MỤC LỤC T T LỜI NÓI ĐẦU T T CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT T T 1.1 THÍ NGHIỆM MALUS T T 1.1.1 Dụng cụ thí nghiệm T T 1.1.2 Tiến hành thí ngiệm T T 1.1.3 Giải thích thí nghiệm T T 1.1.4 Kết luận T T 1.2 THÍ NGHIỆM BREWSTER T T 1.2.1 Dụng cụ thí nghiệm T T 1.2.2 Tiến hành thí nghiệm T T 1.2.3 Giải thích thí nghiệm 10 T T 1.2.4 Định luật Brewster 12 T T 1.3 KHẢO SÁT LÝ THUYẾT VỀ SỰ PHÂN CỰC DO PHẢN XẠ 12 T T 1.3.1 Điều kiện biên vector điện trường E 13 T T 1.3.2 Điều kiện biên vector từ trường H 14 T T 1.3.3 Khảo sát lý thuyết phân cực phản xạ 15 T T 1.3.4 Đối với ánh sáng tự nhiên 20 T T 1.4 GÓC QUAY MẶT PHẲNG PHÂN CỰC DO PHẢN XẠ 21 T T 1.4.1 Mặt phẳng phân cực 21 T T 1.4.2 Góc quay mặt phẳng phân cực phản xạ 21 T T 1.5 ĐỘ PHÂN CỰC 24 T T 1.5.1 Độ phân cực 24 T T 1.5.2 Độ phân cực chùm tia phản xạ 24 T T CHƯƠNG 2: THÍ NGHIỆM 27 T T 2.1 THÍ NGHIỆM KIỂM CHỨNG ĐỊNH LUẬT BREWSTER 27 T T 2.1.1 Mục đích thí nghiệm 27 T T 2.1.2 Dụng cụ thí nghiệm 27 T T 2.1.3 Bố trí – tiến hành thí nghiệm 28 T T 2.1.4 Kết thí nghiệm 31 T T 2.1.5 Sai số phép đo (của lần đo) 34 T T 2.2 THÍ NGHIỆM ĐO GÓC QUAY MẶT PHẲNG PHÂN CỰC 37 T T 2.2.1 Mục đích thí nghiệm 37 T T 2.2.2 Dụng cụ thí nghiệm 37 T T 2.2.3 Bố trí – tiến hành thí nghiệm 38 T T 2.2.4 Kết thí nghiệm 39 T T 2.2.5 Sai số phép đo 40 T T CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN 43 T T TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 T T LỜI NÓI ĐẦU Vật lý học nghành khoa học đóng góp phần to lớn cho văn minh nhân loại Thế giới vật lý muôn hình muôn vẻ, tranh mở vật tượng gần gũi, quen thuộc lại chứa bí ẩn thúc người tìm tòi nghiên cứu Trong vật lý có nhiều lĩnh vực như: cơ, nhiệt, điện, quang… lĩnh vực nghiên cứu vấn đề khác thể hay riêng sâu tìm hiểu Tuy nhiên, với niềm yêu thích điều kiện cho phép em chọn Quang học với đề tài “LẮP RÁP BÀI THÍ NGHIỆM KIỂM CHỨNG ĐỊNH LUẬT BREWSTER” để nghiên cứu hoàn thành khóa học Trong giới hạn đề tài em trình bày phần lý thuyết tượng phân cực ánh sáng phản xạ hai thí nghiệm: thí nghiệm kiểm chứng định luật Brewster thí nghiệm khảo sát góc quay mặt phẳng phân cực phản xạ Mặc dù có nhiều cố gắng khả nhiều hạn chế khác nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót Em mong bảo, góp ý quý thầy cô bạn Sinh viên Lương Minh Nghĩa CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT 1.1 THÍ NGHIỆM MALUS Đây thí nghiệm nhà Vật Lý Pháp Etienne Louis Malus (1775 - 1812) thực vào năm 1809 để khảo sát tượng phân cực ánh sáng phản xạ 1.1.1 Dụng cụ thí nghiệm Nguồn sáng tự nhiên S Hai gương phẳng M , M giống hệt nhau, mặt R R R R Hình 1.1 Etienne Louis Malus trước phản xạ ánh sáng chiếu tới, mặt sau gương bôi đen để khử tia phản xạ Màn ảnh M dùng để hứng chùm tia phản xạ cuối 1.1.2 Tiến hành thí ngiệm Bố trí thí nghiệm hình 1.2 M2 M1 I 57o 57o J M A2 R S A3 Hình 1.2 Bố trí thí nghiệm Malus A4 Chiếu tới gương M chùm tia sáng tự nhiên SI góc tới i = 570 Bỏ gương M đặt R R P P R R M hứng tia phản xạ IJ Quay gương M xung quanh tia tới SI với góc tới I = 570 không đổi thấy cường độ R R P P tia phản xạ IJ không thay đổi Đặt gương M hứng chùm tia phản xạ IJ từ gương M góc tới i = 570, tia R R R phản xạ cuối JR hứng M R P P Bây giữ gương M cố định, quay gương M xung quanh tia tới IJ góc tới i = R R R R 570 không đổi thấy cường độ tia phản xạ JR thay đổi, trải qua qua cực đại, cực P P tiểu triệt tiêu + Khi mặt phẳng tới ứng với gương (SIJ) (IJR) song song với cường độ chùm tia phản xạ JR cực đại, ứng với vị trí A , A M R R R R + Khi mặt phẳng tới gương thẳng góc với cường độ chùm tia phản xạ triệt tiêu, ứng với vị trí A , A M R R R R Nếu góc tới gương M khác 570 quay M xung quanh tia tới IJ, A , A cường R R P P R R R R R R độ tia phản xạ cuối JR cực tiểu (tối nhất) triệt tiêu 1.1.3 Giải thích thí nghiệm Chùm tia SI chùm tia sáng tự nhiên nên chấn động sáng có tính đối xứng theo tất phương thẳng góc với SI Vì quay gương M xung quanh SI với góc tới i = 570 R R P P quay không thay đổi cường độ sáng tia IJ Sau phản xạ gương M , ánh sáng IJ không tính đối xứng chùm tia SI R R mà ánh sáng phân cực thẳng Do đó, quay gương M xung quanh tia IJ với góc tới i R R = 57o không đổi quay có ảnh hưởng đến cường độ sáng tia phản xạ IR Có vị P P trí M để ánh sáng phản xạ có cường độ cực đại có vị trí khác M để R R R R ánh sáng phản xạ triệt tiêu Nếu chiếu chùm tia tới SI tới gương M góc tới i ≠ 57o chùm tia phản xạ IJ R R P P ánh sáng phân cực phần (phân cực elip) Do đó, quay gương M xung quanh tia tới IJ R R có phương cho ánh sáng phản xạ JR có cường độ cực đại có phương để ánh sáng phản xạ JR có cường độ cực tiểu không triệt tiêu (vì ánh sáng phân cực phần ta có ưu đãi phương chấn động phương chấn động bị khử hoàn toàn) Ta thấy phương diện cấu tạo, gương M M giống hệt chúng khác R R R R công dụng: + Gương M : Biến đổi ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng phân cực nên gọi kính R R phân cực + Gương M : Cho biết ánh sáng tới ánh sáng phân cực nên gọi kính phân R R tích 1.1.4 Kết luận Như vậy, qua thí nghiệm Malus, ta kết luận: Trong tượng phản xạ ánh sáng + Khi góc tới có giá trị i = 570 ánh sáng phản xạ ánh sáng phân cực thẳng (hoàn P P toàn) + Khi góc tới có giá trị i ≠ 570 ánh sáng phản xạ ánh sáng phân cực elip (một P P phần) 1.2 THÍ NGHIỆM BREWSTER Đây thí nghiệm nhà Vật Lý Scotland Sir David Brewster (1781–1868) thực vào năm 1812 để khảo sát tượng phân cực ánh sáng phản xạ Từ đời định luật tiếng mang tên ông 1.2.1 Dụng cụ thí nghiệm Hai môi trường điện môi có mặt phân cách phẳng Hai Tuamalin Hình 1.3 Sir David Brewster 1.2.2 Tiến hành thí nghiệm Bố trí thí nghiệm hình 1.4 Chiếu chùm tia sáng tự nhiên SI vào mặt phân cách hai môi trường Một phần ánh sáng bị phản xạ, phần lại khúc xạ vào môi trường thứ hai Để khảo sát phân cực tia phản xạ tia R S T1 i nt I nk T2 khúc xạ, ta đặt Tuamalin đường truyền chúng Khi quay T , T xung quanh tia sáng thấy R R R R R R J Hình 1.4 Bố trí thí nghiệm Brewster cường độ chùm ánh sáng phản xạ khúc xạ tăng giảm cách tuần hoàn Đối với tia phản xạ, cường độ ánh sáng đạt đến giá trị cực tiểu (nhưng không triệt tiêu) mặt phẳng chứa trục quang học T tia phản xạ song song với mặt phẳng tới Và đạt giá trị cực đại R R từ vị trí ta quay T góc 900 R R P P Bây thay đổi góc tới chùm tia tới mặt phân cách từ 00 đến 900 ta tìm vị P P P P trí mà tia phản xạ IR bị T làm triệt tiêu hoàn toàn Đây vị trí mà tia phản xạ R R khúc xạ vuông góc với Góc tới gọi góc tới Brewster (i B ) Giá trị i B xác R R R R định tani B = n k /n t R R R R R R Không có góc tới để tia khúc xạ IJ bị T làm triệt tiêu hoàn toàn R R 1.2.3 Giải thích thí nghiệm Ta biểu diễn dao động vector điện trường E ánh sáng tự nhiên tới mặt phân cách môi trường tập hợp hai thành phần vuông góc với là: + Thành phần E 01 nằm mặt phẳng tới + Thành phần E 02 vuông góc với mặt phẳng tới nt nk Hình 1.5 Anh sáng tới mặt phân cách góc tới Khi sóng tới truyền tới điểm I, có tương tác ánh sáng tới với môi trường, làm cho nguyên tử môi trường dao động phát sóng thứ cấp Các sóng thứ cấp giao thoa với cho ta tia phản xạ tia khúc xạ 10 Lăng kính đặt giá đỡ, đặt đầu trục quang học, hứng chùm tia sáng sau qua kính lọc Điều chỉnh vị trí đế lăng kính sát mép trục quang học, cho quay góc từ đến 900 Chỉnh lăng kính cho góc đọc thước đo góc 00 P P P P tia sáng vuông góc với mặt lăng kính (vị trí góc tới 00, tia sáng bị phản xạ ngược lại) P P Nối vôn kế với photo diod Vặn chặt ốc giá đỡ để cố định thiết bị Trong suốt trình làm thí nghiệm vị trí lăng kính không thay đổi 2.1.3.2 Tiến hành thí nghiệm Bước 1: Chỉnh vôn kế thang đo mV Bật nguồn vôn kế, đèn Laser Bước 2: Làm thí nghiệm với trường hợp ánh sáng tới lăng kính ánh sáng phân cực thẳng có vector chấn động sáng song song với mặt phẳng tới + Quay vạch kính lọc đến vị trí 900, chùm sáng ló lúc phân cực thẳng có P P vector chấn động sáng song song với mặt phẳng tới + Bật đèn Laser, chỉnh chế độ sáng mạnh để cường độ ánh sáng sai khác nhiều lần đo với góc khác + Đặt photo diod trục quang học, kính lọc lăng kính, hứng chùm tia sáng từ đèn Laser sau qua kính lọc để xác định cường độ chùm ánh sáng tới Đặt thùng giấy cacton vào vị trí, ý không chạm vào photo diod làm lệch vị trí Che tia sáng từ đèn Laser, nhấn nút Reset vôn kế Thôi che tia sáng Laser, đọc giá trị vôn kế (U //) Chú ý R RP P chờ số vôn kế tương đối ổn định, cực đại đọc giá trị đo (những lần lấy giá trị lúc sau vậy) + Lấy photo diod Khi góc tới i = chùm tia tới lăng kính phản xạ ngược trở lại Thay đổi góc tới 50 gần tới vùng góc Brewster ta thay đổi 10 Mỗi lần thay P P P P đổi góc ta phải đặt photo diod cho tia sáng phản xạ vuông góc mặt diod để cường độ chùm sáng phản xạ lớn Đọc giá trị bàn đỡ lăng kính, giá trị góc tới i Đặt thùng giấy cacton vào vị trí Đọc giá trị vôn kế (U r //) R Thực lại bước nhiều lần 30 RP P Bước 3: Làm thí nghiệm với trường hợp ánh sáng tới lăng kính ánh sáng phân cực thẳng có vector chấn động sáng vuông góc với mặt phẳng tới Thao tác tương tự trường hợp + Quay vạch kính lọc đến vị trí 00, chùm sáng ló lúc phân cực thẳng có P P vector chấn động sáng vuông góc với mặt phẳng tới + Đặt photo diod trục quang học, kính lọc lăng kính, hứng chùm tia sáng từ đèn Laser sau qua kính lọc để xác định cường độ chùm ánh sáng tới Đặt thùng giấy cacton vào vị trí Đọc giá trị vôn kế (U ⊥) R RP P + Lấy photo diod Khi góc tới i = chùm tia tới lăng kính phản xạ ngược trở lại Thay đổi góc tới 50 Mỗi lần thay đổi góc ta phải di chuyển photo diod cho tia sáng P P phản xạ vuông góc mặt điốt để cường độ chùm sáng phản xạ lớn Đọc giá trị bàn đỡ lăng kính, giá trị góc tới i Đặt thùng giấy cacton vào vị trí Đọc giá trị vôn kế (U r ⊥) R RP P Thực lại bước nhiều lần 2.1.4 Kết thí nghiệm 2.1.4.1 Kết đo Chọn kết lần đo phù hợp để xử lí (Bảng 2.1 bảng 2.2) U r// Công thức tính hệ số phản xạ: ρ// = P P U 0// Giá trị hệ số phản xa trung bình: ρ // = ∑ρ n =1 // n Bảng 2.1: U U Lần U o1 // =2,08 10-2 V R RP Lần U o1 // =1.98 10-2 V P P R P RP Lần U o1 // =2,01 10-2 V P P R P RP Lần U o1 // =1.52 10-2 V P P R P RP Trung bình P P P ρ1// i U r1 // U r2 // U r4 // U r3 // ρ 3// ρ 2// (độ) (.10-3V) (.10-2) (.10-3V) (.10-2) (.10-3V) (.10-2) (10-3V) ρ 4// ρ // (.10-2) (.10-2) 15 20 2.96 2.70 R RP P R P P P 0.82 0.74 RP 3.94 3.56 R P P P P 0.67 0.65 RP 3.38 3.28 R P P 0.75 0.62 31 P 3.73 3.08 P RP P P 0.45 0.41 P P P P 3.503 3.155 25 0.69 3.32 0.50 2.53 0.61 3.03 0.38 2.50 2.845 30 35 0.61 0.49 2.93 2.36 0.41 0.35 2.07 1.77 0.48 0.42 2.39 2.09 0.35 0.32 2.30 2.11 2.423 2.083 40 0.37 1.78 0.26 1.31 0.28 1.39 0.30 1.97 1.613 45 50 0.25 0.15 1.20 0.72 0.18 0.09 0.91 0.45 0.22 0.17 1.09 0.85 0.24 0.18 1.58 1.18 1.195 0.800 52.5 55 0.10 0.08 0.48 0.38 0.07 0.06 0.35 0.30 0.17 0.14 0.85 0.70 0.15 0.10 0.99 0.66 0.668 0.510 56 57 58 0.08 0.07 0.07 0.38 0.34 0.34 0.06 0.05 0.05 0.30 0.25 0.25 0.14 0.15 0.15 0.70 0.75 0.75 0.11 0.08 0.08 0.72 0.53 0.53 0.525 0.468 0.468 59 0.11 0.53 0.07 0.35 0.18 0.90 0.15 0.99 0.693 60 62.5 65 70 0.12 0.21 0.34 0.96 0.58 1.01 1.63 4.62 0.08 0.14 0.29 0.57 0.40 0.71 1.46 2.88 0.19 0.29 0.45 0.87 0.95 1.44 2.24 4.33 0.21 0.35 0.47 1.09 1.38 2.30 3.09 7.17 0.828 1.365 2.105 4.750 75 80 85 1.84 3.69 7.71 8.85 17.74 37.07 1.85 3.31 8.50 9.34 16.72 42.93 1.76 3.96 8.83 8.76 19.70 43.93 2.40 3.58 8.54 15.79 23.55 56.18 10.685 19.428 45.028 Bảng 2.2: U U Lần U o1 ⊥ =1.98 10-2 V R RP Lần U o1 ⊥ =1.54 10-2 V P P R P RP Lần U o1 ⊥ =1.85 10-2 V P P R P RP Lần U o1 ⊥ =1.91 10-2 V P P R P RP Trung bình P P P ρ1⊥ i ρ 3⊥ U r1 ⊥ U r4 ⊥ U r2 ⊥ U r3 ⊥ ρ 2⊥ (độ) (.10-3V) (.10-2) (.10-3V) (.10-2) (.10-3V) (.10-2) (10-3V) ρ⊥ ρ 4⊥ (.10-2) (.10-2) 15 20 25 30 35 40 45 0.75 0.94 0.89 1.05 1.11 1.30 1.62 3.79 4.75 4.49 5.30 5.61 6.57 8.18 0.53 0.52 0.56 0.71 0.96 1.26 1.36 3.66 3.59 3.86 4.90 6.62 8.69 9.38 0.66 0.68 0.77 0.80 1.20 1.30 1.36 3.57 3.68 4.16 4.32 6.49 7.03 7.35 0.68 0.67 0.79 0.84 1.35 1.32 1.48 3.56 3.51 4.14 4.4 7.07 6.91 7.75 3.645 3.883 4.163 4.730 6.448 7.300 8.165 50 2.06 10.40 1.57 10.83 1.70 9.19 1.77 9.27 9.923 R RP P R P P P RP P R P RP P P R P P 32 P P RP P P P P P P 55 2.94 14.85 1.86 12.83 2.68 14.49 2.60 13.61 13.945 60 65 3.33 3.91 16.82 19.75 2.56 3.15 17.66 21.72 2.88 3.85 15.57 20.81 2.98 3.58 15.6 18.74 16.413 20.255 70 5.20 26.26 4.60 31.72 5.10 27.57 5.02 26.28 27.958 75 80 6.49 8.48 32.78 42.83 5.74 8.07 39.59 55.66 6.62 8.60 35.78 46.49 6.77 8.55 35.45 44.76 35.900 47.435 85 11.81 59.65 11.09 76.48 12.00 64.86 12.56 65.76 66.688 2.1.4.2 Đồ thị Lý thuyết Thực nghiệm ρ⊥ ρ// Hình 2.4 Đồ thị (i,ρ//) (i,ρ⊥) P P P P 2.1.4.3 Nhận xét đồ thị: + Đồ thị nghiệm phương trình Fresnel phụ thuộc hệ số phản xạ vào góc tới 33 + Ở vùng góc tới Brewster, hệ số phản xạ ánh sáng có vector chấn động sáng song song với mặt phẳng tới cực tiểu, giá trị tiến 0, ánh sáng có vector chấn động sáng vuông góc với mặt phẳng tới Anh sáng phản xạ ánh sáng phân cực thẳng Định luật Brewster nghiệm 2.1.5 Sai số phép đo (của lần đo) 2.1.5.1 Cách tính sai số (Bảng 2.3) Độ chia nhỏ dụng cụ + Thước đo độ: δ t = 2,5 độ (Vùng Brewster δ t = độ) + Vôn kế điện tử: δ d = 5.10-6 V (Thang đo 10-3) R R R R R P P P R P δ d = 5.10-5 V (Thang đo 10-2) R R P P P P ∆i = δ t = 2,5 độ Vùng Brewster ∆i = δ t = độ R R R R ∆U = δ d = 5.10-5 V R R R R P P ∆U r = δ d = 5.10-6 V R R R R P Ta có: ρ = P Ur U0 Ur dρ dU r dU ⇒ = + ρ U0 Ur U0 Lấy đạo hàm vế: dρ = d Suy ra:  ∆U r ∆U = + ρ  Ur U0 ∆ρ  ∆U r ∆U + U U0 r  Vậy: = ∆ρ    ×100%   ρ  Bảng 2.3: U Lần U o1 U o1 =1,98.10-2 V ∆ρ ∆ρ ρ1// ρ1⊥ U r1 // U r1 ⊥ ∆ρ ∆ρ ρ ρ -3 -2 -3 -2 -2 (.10 V) (.10 ) (.10 ) (.10 V) (.10 ) (.10-2) (%) (%) 0.82 3.94 0.85 0.033 0.75 3.79 0.93 0.035 // R i (độ) 15 20 R RP P Lần =2,08.10-2 V P ⊥ P R RP P R P P 0.74 3.56 P P 0.92 P 0.033 34 RP P P P RP P P 0.94 P 4.75 P P 0.80 0.038 P 25 0.69 3.32 0.97 0.032 0.89 4.49 0.83 0.037 30 35 0.61 0.49 2.93 2.36 1.06 1.26 0.031 0.030 1.05 1.11 5.30 5.61 0.74 0.72 0.039 0.040 40 0.37 1.78 1.59 0.028 1.30 6.57 0.65 0.043 45 50 0.25 0.15 1.20 0.72 2.24 3.57 0.027 0.026 1.62 2.06 8.18 10.40 0.57 0.51 0.047 0.053 52.5 55 0.10 0.08 0.48 0.38 5.24 6.49 0.025 0.025 2.94 14.85 0.43 0.064 56 57 58 0.08 0.07 0.07 0.38 0.34 0.34 6.49 7.38 7.38 0.025 0.025 0.025 59 0.11 0.53 4.79 0.025 60 62.5 65 70 0.12 0.21 0.34 0.96 0.58 1.01 1.63 4.62 4.41 2.62 1.71 0.76 0.026 0.026 0.028 0.035 3.33 16.82 0.41 0.069 3.91 5.20 19.75 26.26 0.39 0.36 0.077 0.095 75 80 85 1.84 3.69 7.71 8.85 17.74 37.07 0.51 0.38 0.31 0.045 0.067 0.115 6.49 8.48 11.81 32.78 42.83 59.65 0.34 0.32 0.31 0.111 0.137 0.185 35 2.1.5.2 Đồ thị biểu diễn sai số ρ⊥ ρ// Hình 2.5 Đồ thị biểu diễn sai số lần đo thứ 2.1.5.3 Nhận xét sai số Sai số tương đối nhỏ (0,31 %  7,38 %), chấp nhận * Nguyên nhãn sai số: + Dụng cụ đo chưa thật xác: diod, thước đo góc, vôn kế + Cường độ chùm sáng Laser phát từ đèn không ổn định + Anh sáng sau qua kính lọc không thật phân cực thẳng hoàn toàn Mặt phẳng phân cực ánh sáng không thật song song hay vuông góc với mặt phẳng tới + Cường độ ánh sáng lớn, không ổn định + Đọc kết đo không xác (số vôn kế thay đổi liên tục) 36 + Cường độ sáng bị hấp thụ bớt truyền không khí qua kính lọc khúc xạ vào lăng kính * Điều cần ý làm thí nghiệm: + Nơi làm thí nghiệm cần che tối tối đa đến mức + Thao tác nhanh để cường độ chùm sáng từ nguồn cường độ ánh sáng ánh sáng Laser không thay đổi nhiều + Thao tác đọc ghi nhận giá trị cường độ sáng đồng hồ điện phải thật nhuần nhuyễn (thao tác khó thực hiện) 2.1.5.4 Đề xuất + Tóm lại, qua việc thực thí nghiệm này, nhận thấy thí nghiệm tương đối khó thành công Cần cải tiến thêm thùng giấy cacton để che chắn hoàn toàn ánh sáng bên vào photo diod để thuận tiện cho việc tiến hành thí nghiệm + Cần chọn đèn Laser có cường độ sáng ổn định, tránh sai khác trình thí nghiệm + Nếu đưa vào chương trình giảng dạy nên áp dụng đến mức độ thí nghiệm biểu diễn, định tính 2.2 THÍ NGHIỆM ĐO GÓC QUAY MẶT PHẲNG PHÂN CỰC 2.2.1 Mục đích thí nghiệm Xác định quay mặt phẳng phân cực phản xạ 2.2.2 Dụng cụ thí nghiệm Một đèn Laser Một nguồn cho đèn Laser Hai kính lọc phân cực Một lăng kính, tiết diện tam giác đều, chiết suất 1,5 Một bàn đỡ lăng kính có gắn thước chia độ Một trục quang học Hai giá đỡ trục quang học 37 Một bìa trắng dùng làm 2.2.3 Bố trí – tiến hành thí nghiệm 2.2.3.1 Bố trí thí nghiệm Hình 2.6 Bố trí thí nghiệm đo góc quay mặt phẳng phân cực Bố trí đèn Laser, kính lọc lăng kính giống hệt thí nghiệm kiểm chứng định luật Brewster Đặt thêm kính lọc thứ hai chỗ photo diod 2.2.3.2 Tiến hành thí nghiệm Bước 1: Quay kính lọc thứ (chắn chùm tia sáng từ đèn) đến vị trí α = 1350 Bật R R P P đèn Laser Quay lăng kính đến vị trí 100 (cũng góc tới) P P Bước 2: Đặt kính lọc thứ kính lọc thứ lăng kính, hứng chùm tia Laser Quay kính lọc thứ đến vị trí α = 450 cường độ sáng đo cực tiểu (hai mặt phẳng R R P P phân cực vuông góc với nhau) Bước 3: Thay đổi vị trí kính lọc thứ chắn chùm tia sáng phản xạ Đặt bìa dùng làm hứng chùm tia ló qua kính lọc thứ hai Bước 4: Quay chậm kính lọc thứ từ vị trí 1350 theo chiều giảm góc, đến độ sáng P P chùm Laser bìa cực tiểu Đọc ghi cặp giá trị góc tới lăng kính i vị trí kính lọc thứ hai α R R Bước 5: Thay đổi góc tới 50 đạt 800, lần thực lại P P P bước 38 P Làm lại bước bước nhiều lần 2.2.4 Kết thí nghiệm 2.2.4.1 Kết đo Chọn kết lần đo phù hợp để xử lí (Bảng 2.4) Góc quay mặt phẳng phân cực phản xạ lăng kính: D = α - α = α – 450 R R R R R R P P Giá trị trung bình: D= ∑D n Bảng 2.4: U Lần Lần Lần Giá trị trung bình Lần i α2 (độ) (độ) 10 132.5 15 130.5 D α2 D2 D3 D4 α2 α2 (độ) (độ) (độ) (độ) (độ) (độ) (độ) 87.5 130.0 85.0 130.0 85.0 130.5 85.5 85.5 127.5 82.5 127.5 82.5 127.5 82.5 (độ) 85.75 83.25 20 25 30 35 82.5 80.0 77.5 72.5 82.5 77.5 72.5 70.0 81.25 78.13 73.13 70.63 65.0 110.0 65.0 110.0 65.0 107.5 62.5 60.0 105.0 60.0 105.0 60.0 107.5 62.5 52.5 97.5 52.5 95.50 50.5 97.5 52.5 45.0 92.5 47.5 92.5 47.5 90.0 45.0 40.0 85.0 40.0 80.0 35.0 85.0 40.0 32.5 80.0 35.0 77.5 32.5 77.5 32.5 24.0 70.0 25.0 70.0 25.0 70.0 25.0 17.5 65.0 20.0 65.0 20.0 65.0 20.0 10.0 60.0 15.0 60.0 15.0 60.0 15.0 7.5 55.0 10.0 55.0 10.0 55.0 10.0 64.38 60.63 52.00 46.25 38.75 33.13 24.75 19.38 13.75 9.38 R 127.5 125.0 122.5 117.5 40 110.0 45 105.0 50 97.5 55 90.0 60 85.0 65 77.5 70 69.0 75 62.5 80 55.0 85 52.5 R R 125.0 122.5 120.0 115.0 R 80.0 77.5 75.0 70.0 R 125.0 122.5 112.5 115.0 39 R 80.0 77.5 67.5 70.0 R 127.5 122.5 117.5 115.0 R D 2.2.4.2 Đồ thị (i, D) Hình 2.7 Góc quay mặt phẳng phân cực 2.2.4.3 Nhận xét đồ thị Đồ thị nghiệm phương trình lý thuyết phụ thuộc góc quay mặt phẳng phân cực phản xạ vào góc tới Sai lệch vùng góc tới nhỏ nhiều, sai lệch vùng góc tới lớn 2.2.5 Sai số phép đo 2.2.5.1 Cách tính sai số Độ chia nhỏ dụng cụ + Thước đo độ đế lăng kính: δ t = 2,5 độ R R + Thước đo độ kính lọc: δ k = 2,5 độ R Ta có: R ∆α = ∆α = δ k = 2.5 độ R R R R R R 40 Và: D = α2 - α1 Suy ra: ∆D = ∆α + ∆α = độ R R R R R R R R 2.2.5.2 Đồ thị biểu diễn sai số Hình 2.8 Biểu diễn sai số 2.2.5.3 Nhận xét sai số Sai số phép đo tương đối nhỏ, chấp nhận Tuy nhiên, thang chia đo góc kính lọc lớn nên ô sai số biểu diễn có kích thước lớn * Nguyên nhân sai số: + Dụng cụ đo chưa thật xác: thước đo góc + Cường độ ánh sáng lớn * Điều cần ý làm thí nghiệm: 41 + Nơi làm thí nghiệm cần che tối tối đa đến mức + Đọc giá trị góc kính lọc thật cẩn thận 2.2.5.4 Đề xuất - Tóm lại, thí nghiệm tương đối đễ thực (hơn so với thí nghiệm trước), kết xác - Có thể đưa thí nghiệm vào chương trình giảng dạy đại học 42 CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN Đề tài quang học “LẮP RÁP BÀI THÍ NGHIỆM KIỂM CHỨNG ĐỊNH LUẬT BREWSTER”đã trình bày phần lý thuyết tượng phân cực ánh sáng phản xạ hai thí nghiệm: thí nghiệm kiểm chứng định luật Brewster thí nghiệm khảo sát góc quay mặt phẳng phân cực phản xạ tương đối hoàn chỉnh Trong phần lý thuyết tượng phân cực ánh sáng phản xạ trình bày dựa theo lý thuyết chương trình học đại học, có chọn lọc tổng hợp Phần trình bày chi tiết Phần thí nghiệm kiểm chứng định luật Brewster thực tương đối khó, nhiều thời gian làm thí nghiệm để lấy số liệu đo Tuy nhiên hoàn thành với đồ thị thực nghiệm sai khác với lý thuyết không nhiều Sai số nhỏ việc biểu diễn sai số gặp khó khăn số liệu nhỏ Phần thí nghiệm khảo sát góc quay mặt phẳng phân cực phản xạ thực dễ dàng Kết thí nghiệm tương đối phù hợp với lý thuyết Tóm lại, lý thuyết phân cực ánh sáng phản xạ (định luật Brewster góc quay mặt phẳng phân cực) kiểm chứng qua thí nghiệm kiểm chứng thực luận văn 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Diệp Ngọc Anh - Nguyễn Trần Trác (2005), Giáo trình quang học, ĐHQG TP HCM, TP HCM [2] Ngô Quốc Quýnh (1984), Quang học, ĐH THCN Hà Nội, Hà Nội [3] D Halliday, R Resnick, J Walker (1998), Cơ sở vật lý tập – Quang học, Gio Dục [4] Douglas B Murphy, Kenneth R Spring, Micheal W Davidson (2008), Sự Phân Cực Anh Sáng, hiepkhachquay dịch, davidson@magnet.fsu.edu TU T U 44 [...]... sáng tự nhiên + Chùm tia tới đến mặt phân cách dưới góc tới Brewster ( i =i B ) R i B + r B = 900 R R R R P R P I p1 = 0 R R Từ (25) ⇒ V p = 1 R R Ánh sáng phản xạ là ánh sáng phân cực toàn phần, có vector chấn động sáng vuông góc với mặt phẳng tới 26 CHƯƠNG 2: THÍ NGHIỆM 2.1 THÍ NGHIỆM KIỂM CHỨNG ĐỊNH LUẬT BREWSTER 2.1.1 Mục đích thí nghiệm Xác định hệ số phản xạ cho ánh sáng phân cực thẳng Trường hợp... sáng bên ngoài vào Trên thùng có 1 lỗ nhỏ cho tia sáng đèn Laser vào chiếu vào lăng kính 2.1.3 Bố trí – tiến hành thí nghiệm * Điều kiện thí nghiệm: 5 + Thí nghiệm phải được làm trong phòng tối đến mức tối đa có thể để tránh ảnh hưởng của ánh sáng nền trong phòng thí nghiệm 1+ Do thiết bị thí2 nghiệm không 3 đáp ứng4được việc đo cường độ ánh sáng, nên ta thay thế bằng cách đo hiệu điện thế của photo diod... là lăng kính, không dùng gương phẳng Vì nếu dùng gương thì sẽ cho 2 tia ló (1 tia ở mặt trước và 1 tia ở mặt sau), như vậy thì việc đo đạc sẽ không đúng 28 2.1.3.1 Bố trí thí nghiệm Hình 2.2 Bố trí thí nghiệm kiểm chứng định luật Brewster Hình 2.3 Vị trí đặt thùng giấy cacton Đặt trục quang học nằm ngang Đặt đèn Laser trên trục quang học Điều chỉnh đèn sao cho tia sáng từ đèn chiếu theo phương song... nghiệm Xác định hệ số phản xạ cho ánh sáng phân cực thẳng Trường hợp vector chấn động sáng nằm trong mặt phẳng tới và trường hợp vector chấn động sáng vuông góc với mặt phẳng tới Kiểm chứng định luật Brewster 1 2.1.2 Dụng cụ thí nghiệm 1 2 3 5 4 6 Hình 2.1 1) Photo diod 2) Kính lọc phân cực 3) Lăng kính gắn trên bàn đỡ có thước đo độ 4) Vôn kế điện tử 5) Đèn Laser 6) Nguồn cho đèn Laser Một đèn Laser để... bằng 00, tia sáng bị phản xạ ngược lại) P P Nối vôn kế với photo diod Vặn chặt ốc ở các giá đỡ để cố định các thiết bị Trong suốt quá trình làm thí nghiệm thì vị trí lăng kính không được thay đổi 2.1.3.2 Tiến hành thí nghiệm Bước 1: Chỉnh vôn kế ở thang đo mV Bật nguồn vôn kế, đèn Laser Bước 2: Làm thí nghiệm với trường hợp ánh sáng tới lăng kính là ánh sáng phân cực thẳng có vector chấn động sáng song... phản xạ là ánh sáng phân cực thẳng Định luật Brewster đã được nghiệm đúng 2.1.5 Sai số phép đo (của 1 lần đo) 2.1.5.1 Cách tính sai số (Bảng 2.3) Độ chia nhỏ nhất của dụng cụ + Thước đo độ: δ t = 2,5 độ (Vùng Brewster δ t = 1 độ) + Vôn kế điện tử: δ d = 5.10-6 V (Thang đo 10-3) R R R R R P P P R P δ d = 5.10-5 V (Thang đo 10-2) R R P P P P ∆i = δ t = 2,5 độ Vùng Brewster ∆i = δ t = 1 độ R R R R ∆U... toàn Hình 1.6 Anh sáng tới mặt phân cách dưới góc tới Brewster 11 1.2.4 Định luật Brewster Trong hiện trượng phân cực ánh sáng do phản chiếu, tia phản xạ là ánh sáng phân cực hoàn toàn khi góc tới thoả mãn điều kiện tani B = R R nk nt n t : Chiết suất môi trường tới R R n k : Chiết suất môi trường khúc xạ R R Hình 1.7 Anh sáng phản xạ dưới góc tới Brewster 1.3 KHẢO SÁT LÝ THUYẾT VỀ SỰ PHÂN CỰC DO PHẢN... tiểu triệt tiêu R R Thí nghiệm cũng chứng tỏ khi tia phản xạ phân cực hoàn toàn thì độ phân cực của ánh sáng khúc xạ cũng đạt đến giá trị cực đại nhưng tia khúc xạ vẫn là ánh sáng phân cực một phần, vector điện trường dao động ưu tiên trong mặt phẳng tới Muốn cho chùm tia khúc xạ phân cực hoàn toàn ta phải cho nó đi qua một loạt các bản điện môi liên tiếp Nếu tia tới thỏa mãn góc tới Brewster và tia khúc... gần tới vùng góc Brewster thì ta thay đổi từng 10 Mỗi lần thay P P P P đổi góc ta phải đặt photo diod sao cho tia sáng phản xạ vuông góc mặt diod để cường độ chùm sáng phản xạ là lớn nhất Đọc giá trị ở bàn đỡ lăng kính, cũng chính là giá trị góc tới i Đặt thùng giấy cacton vào đúng vị trí Đọc giá trị trên vôn kế (U r //) R Thực hiện lại 2 bước ở trên nhiều lần 30 RP P Bước 3: Làm thí nghiệm với trường... 35.900 47.435 85 11.81 59.65 11.09 76.48 12.00 64.86 12.56 65.76 66.688 2.1.4.2 Đồ thị Lý thuyết Thực nghiệm ρ⊥ ρ// Hình 2.4 Đồ thị (i,ρ//) và (i,ρ⊥) P P P P 2.1.4.3 Nhận xét đồ thị: + Đồ thị đã nghiệm đúng các phương trình Fresnel về sự phụ thuộc giữa hệ số phản xạ vào góc tới 33 + Ở vùng góc tới Brewster, hệ số phản xạ của ánh sáng có vector chấn động sáng song song với mặt phẳng tới là cực tiểu, ... 1.2 THÍ NGHIỆM BREWSTER T T 1.2.1 Dụng cụ thí nghiệm T T 1.2.2 Tiến hành thí nghiệm T T 1.2.3 Giải thích thí nghiệm 10 T T 1.2.4 Định luật Brewster. .. 24 T T CHƯƠNG 2: THÍ NGHIỆM 27 T T 2.1 THÍ NGHIỆM KIỂM CHỨNG ĐỊNH LUẬT BREWSTER 27 T T 2.1.1 Mục đích thí nghiệm 27 T T 2.1.2 Dụng cụ thí nghiệm ... tiến hành thí nghiệm 2.2.3.1 Bố trí thí nghiệm Hình 2.6 Bố trí thí nghiệm đo góc quay mặt phẳng phân cực Bố trí đèn Laser, kính lọc lăng kính giống hệt thí nghiệm kiểm chứng định luật Brewster