Báo cáo thí nghiệm vật lí 2

Lăng kính là một khối chất trong suốt có dạng một khối lăng trụ đáy tam giác.Hai mặt bên của lăng trụ mà ta dùng hai mặt bên của lăng kính. Mặt còn lại gọi là đáy lăng kính. Giao tuyến của hai mặt bên là cạnh của lăng kính.Góc nhị diện (A) giữa hai mặt bên gọi là góc chiết quang của lăng kính.b) Đường đi của tia sáng qua lăng kính. Sự tạo ảnh Ta chỉ khảo sát lăng kính trong các điều kiện sau đây:+ Lăng kính đặt trong không khí.+ Ánh sáng là đơn sắc và được chiếu tới lăng kính trong mặt phẳng vuông góc với cạnh lăng kính. Khi đó, một tia sáng tới lăng kính sẽ khúc xạ ở mặt thứ nhất, truyền qua lăng kính và tới mặt thứ hai. Tia khúc xạ trở ra không khí ở mặt này, gọi là tia ló

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CHƯƠNG TRÌNH CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP

Võ Tân Phú 1612631

Lê Đức Hải Dương 1610549

GVHD: TRẦN VĂN TIẾN

TP.Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2017

MỤC LỤC

THỰC HÀNH 1: SỰ DỤNG GIÁC KẾ 3

THỰC HÀNH 2: CÁC PHÉP ĐO TIÊU CỰ CƠ BẢN 15

THỰC HÀNH 3: ĐO KHOẢNG CÁCH VÀ ĐO GÓC 25

THỰC HÀNH 4: QUANG PHỔ KẾ LĂNG KÍNH 32

THỰC HÀNH 5: PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 38

Lăng kính là một khối chất trong suốt có dạng một khối lăng trụ đáy tam giác

Hai mặt bên của lăng trụ mà ta dùng hai mặt bên của lăng kính Mặt còn lại gọi là đáy lăng kính Giao tuyến của hai mặt bên là cạnh của lăng kính

Góc nhị diện (A) giữa hai mặt bên gọi là góc chiết quang của lăng kính

b) Đường đi của tia sáng qua lăng kính Sự tạo ảnh

- Ta chỉ khảo sát lăng kính trong các điều kiện sau đây:

+ Lăng kính đặt trong không khí

+ Ánh sáng là đơn sắc và được chiếu tới lăng kính trong mặt phẳng vuông góc với cạnh lăng kính

- Khi đó, một tia sáng tới lăng kính sẽ khúc xạ ở mặt thứ nhất, truyền qua lăng kính và tới mặt thứ hai Tia khúc xạ trở ra không khí ở mặt này, gọi là tia ló

Kí hiệu các góc như trên hình 1, ta có:

Ở I: ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang kém sang môi trường chiết quang hơn:

r 1 < i 1 Ở J: ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang

Từ hình 1 và do tính chất góc ngoài của tam giác, ta có hai hệ thức phụ:

A = r 1 + r 2 (3)

D = i 1 + i 2 – A (4) d) Điều kiện của tia ló

Đặt i gh là góc giới hạn của môi trường lăng kính Ở mặt thứ nhất của lăng kính, ta luôn

có: r 1 < i gh Với tia ló ở mặt thứ hai của lăng kính, ta cũng có : r 2  i gh

Từ hai hệ thức trên ta suy ra : r 1 + r 2 2i gh

Thế mà : r 1 + r 2 = A

Vậy khi có tia ló, hệ thức sau đây luôn luôn được thoả mãn : A 2i gh (điều kiện để có tia ló) Khi điều kiện này thoả mãn, muốn có tia ló ta phải có điều kiện về góc tới i1 ở mặt thứ nhất Thật vậy :

r 2  i gh  A - r 1i gh r 1  A - i gh  n lk sinr 1  n lk sin(A - i gh )

với n lk : chiết suất của chất làm lăng kính

Suy ra : sini 1  n.sin(A - i gh ) (vì sini 1 = n.sinr 1)

Đặt Min(i 1 ) = i 0  sini 0 = n.sin(A - i gh )

Như vậy điều kiện cuối cùng là : i 1  i 0

e) Sự biến đổi của D theo hàm của i

Ta biểu diễn vi phân dD của góc lệch

Lấy vi phân các hệ thức cơ bản của lăng kính ta có :

cosi 1 di 1 = n.cosr 1 dr 1

Ta có đẳng thức : cos 2 i cos 2 r = cos 2 i cos 2 r

Nghĩa là : (1- sin 2 i 1 ) (1- sin 2 r 2 ) = (1- sin 2 i 2 ) (1- sin 2 r 1 )

Sử dụng các định luật Descartes:

(1- sin 2 i 1 )

2 2 2

Trong các vùng biến đổi của các góc i1 và i2 đạt được về mặt vật lý, nghiệm của phương

trình đó là i 1 = i 2 Vậy hệ thức trên cho ta :

1 2

2

m m

2 Máy đo góc (Giác kế) :

Máy đo góc cho phép thực hiện các phép đo góc Nó gồm 4 phần:

+ Một đĩa kim loại đặt nằm ngang trên đó có các độ chia ở chu vi cho phép góc

+ Một sàn di động xung quanh một trục trung tâmđi qua tâm của đĩa, ba vít cho phép điều chỉnh sự định hướng của sàn so với trục  đó

+ Một vít ngắm (thường là lưới chữ thập chiếu sáng : kính ngắm tự chuẩn trực) di động xung quanh cùng trục , một vít cho phép định hướng nó trong mặt phẳng chứa 

+ Một ống chuẩn trực nói chung là cố định, nghĩa là được gắn với đĩa D Các vị trí góc của kính ngắm (và thường của sàn) là được xác định Đơn vị chia độ trên đĩa D thường tương ứng với nửa độ (từ 0đến359), một du xích 1/30 cho phép đọc đến sai số một phút cung

Về cấu tạo các quang trục của kính ngắm và ống chuẩn trực cắt trục 

THỰC HÀNH VÀ KẾT QUẢ

Mục đích của bài thí này là sử dụng giác kế để đo góc A của lăng kính (LK), chiết suất nD

và xác định đường cong D(i)

I Đo góc A của LK bằng phép phản xạ kép

1 Trình tự thí nghiệm

a) Dùng đèn hơi Na chiếu qua khe của kính chuẩn trực chính để vào LK Chú ý, khe phải

để tương đối rộng để được chùm tia song song tới cả 2 mặt bên của LK như hình vẽ trên Một tia phản xạ trên mặt phải của LK

b) Trước khi ngắm qua kính tự chuẩn (Lunette) ta phải chỉnh tự chuẩn trực của Lunette bằng cách bật đèn nhỏ của Lunette, đặt 1 gương phẳng ngay trước ống kính Lunette (áp sát), đẩy vật chắn sáng ngay trên ống để có ánh sáng, nhìn qua kính thấy có vòng sáng tròn trùng với tiêu chữ thập Nếu chưa có ta quay vít trên kính để chữ thập đứng thẳng và

được chiếu sáng tròn Chỉnh xong, đóng vật chắn sáng lại Khi Lunette đã được tự chuẩn trực ta không điều chỉnh nó nữa và bỏ gương phẳng ra

c) Đặt kính Lunette ở phía mặt trái của LK Chưa nhìn qua Lunette mà nhìn trực tiếp vào mặt trái của LK, thấy khe sang vàng Đứng nguyên ở vị trí đó, nhìn qua Lunette, dịch chuyển Lunette một chút để thấy được khe sáng vàng trùng với tiêu chữ thập Ghi giá trị

d) Đứng sang mặt phải của LK, nhìn thấy khe sáng vàng, dịch chuyển Lunette tới vị trí

này và điều chỉnh một chút vị trí của Lunette Ghi G P =109 40 '

60 6  6’ (6’=1,8.103 rad) -Lý giải nguồn sai số:

+ Kính ngắm chưa được chỉnh một cách chính xác, quá trình thao tác có sự sai sót do sự nhìn nhận chủ quan của người thao tác

+ Kính ngắm được sử dụng để đo các góc Do thời gian lưu ảnh trên võng mạc và năng suất phân ly mắt (đối với mắt thường thì năng suất phân ly của mắt là 1’ nhưng đối với mắt cận thì lớn hơn) nên việc nhìn các ảnh có sự chồng chập lên nhau làm cho kém chính xác tuyệt đối

+ Việc đọc các giá trị trên các du xích đo cũng cho sai số, thường là độ sai số này đến vài phút góc

II Đo góc LK bằng phép tự chuẩn kép

Ta không dùng ống chuẩn trực mà chỉ dùng ống kính tự chuẩn (được chiếu nhờ đèn và bản bán phản xạ)

Đặt ống kính tự chuẩn thẳng góc với mặt trái của thấu kính và điều chỉnh sao cho ảnh vạch chữ thập do phản xạ trên mặt trái trùng với chữ thập ngay vật Xác định góc hướng

G T Bằng cách tương tự xác định phía mặt phải G P Từ đó suy ra A và tính sai số A

Trước tiên ta ước lượng bằng mắt vị trí của vòng tròn sáng ở phương pháp tuyến của mặt phải rồi đưa kính ngắm vào vị trí đó Ta điều chỉnh vòng điều chỉnh số 2 để cho ảnh của chữ thập được rõ nét Sau đó ta điều chỉnh khoảng cách của thị kính để chữ thập rõ nét

Để điều chỉnh được hai chữ thập trùng nhau ta phải chỉnh nút ở dưới ống ngắm để độ cao của hai chữ thập bằng nhau rồi sau đó quay ống để hai chữ thập khớp nhau Ta phải chú ý sao cho hai chữ thập là thẳng đứng

2

Theo định luật khúc xạ :

min

1 1 1

Từ đây ta thấy, nếu xác định được Dmin ta sẽ xác định được chiết suất n của LK

b) Để đo góc lệch cực tiểu Dmin ta làm như sau :

- Vị trí 1 (Dmin phải):

Ánh sáng đi từ nguồn qua khe hẹp của ống chuẩn trực chính chiếu tới LK Nếu nhìn vào

LK thấy dải sáng nghiêng ta xoay vòng đen (1) trên ống chuẩn trực để chỉnh lại cho thẳng Nếu dải sáng rộng vặn vít trắng (2) trên ống chuẩn trực để thu nhỏ khe hẹp

Đứng nhìn vào LK thấy dải sáng hẹp.Ta xoay LK theo một chiều nhất định, thấy dải sáng đang dịch chuyển theo 1 chiều, đột ngột dừng lại đổi chiều khác Đấy chính là vị trí thô của góc lệch Dmin phải Đứng nguyên vị trí đó nhìn qua kính ngắm Lunette thấy dải sáng vàng Nếu dải sáng nhoè ta chỉnh vòng tròn đen (1) trên Lunette ngay trước mắt Nếu thấy chữ thập nghiêng thì chỉnh lại vòng tròn (2) Xoay LK một chút thấy dải sang đổi chiều chuyển động Cố định LK Điều chỉnh trên Lunette để dải sáng trùng chữ thập của kính Vặn ốc điều chỉnh tinh (3) của Lunette thấy dải sáng đổi chiều Đọc số ghi trên

215 31

P

G  

1, 7304

60 6 sin 2

min min min

sin

2sin2

+Việc đọc các giá trị trên các du xích đo cũng cho sai số, thường là độ sai số này đến vài phút góc

Đối với n thì có sự sai lệch là do sai số công thức gây ra

-Xác định sai số của n :

Việc xác định sai số của GP và GT trong thực nghiệm được tính bằng cách thực hiện phép

đo nhiều lần và cho ta một khoảng sai số của GP và GT là :  6’

Theo công thức tính sai số :

1

n

i i

vi phân :

1

ln ln

n

i i

Theo trên ta đã có :

min

min min

min min min

sin

2sin2

, ta phải lấy dấu dương Cho nên:

min min min

3 Lý giải vì sao trong thực tiễn người ta thực hiện phép đo kép, một “trái” và một “phải”

Trong thực tế người ta thực hiện phép đo kép, một “trái” và một “phải” để :

-Giảm tối thiểu sai số đọc do mắt nhìn

Nếu ta chỉ thực hiện một bên thì phải dùng công thứcDmin  G T Công thức này chỉ dùng được khi ta điều chỉnh tia tới đúng ở vị trí O của bàn chia độ Điều này có thể nói khó có thể thực hiện được với một độ chính xác tới phút góc được

-Dùng phép đo kép có thể làm giảm sự sai lệch do sự không đồng đều hai mặt của lăng kính

IV Vẽ đường cong D(i):

Dùng nguồn sáng Na có ánh sáng vàng 589,3nm

1 Tìm vị trí của pháp tuyến N1 với mặt bên của LK (được xác định bởi1) :

Không bật sáng đèn nguồn Na Đứng ở vị trí vuông góc với mặt LK Nhìn qua khe Lunette thấy 2 chữ thập Dịch chuyển Lunette một chút cho 2 chữ thập này trùng nhau và nằm giữa vùng sáng tròn Đọc GNI

2 Tìm 2 vị trí GR1, GT của tia phản xạ và tia khúc xạ : Bật nguồn Na, đóng chốt trên Lunette Nhìn trực tiếp vào LK thấy dải sáng vàng Đứng nguyên vị trí đó, nhìn qua Lunette chỉnh cho dải sáng trùng chữ thập bằng cách dịch chuyển Lunette một chút Đọc GR1

Vị trí GT tìm tương tự nhưng ta phải dịch chuyển Lunette đi một góc khoảng120

Lập bảng 3 cột giá trị trên và suy ra bảng D(i)

Nhận xét: Đồ thị của D theo i được biểu diễn trên Đồ thị có dạng parabol quay lên, điểm

cực tiểu của đồ thị chính là Dmin

BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 2

CÁC PHÉP ĐO TIÊU CỰ CƠ BẢN

LÝ THUYẾT

Mục đích của bài thí nghiệm này là tìm hiểu một số phép đo tiêu cự cơ bản

I Xác định tiêu cự thấu kính hội tụ (TKHT) bằng phương pháp chuẩn

Lắp ráp sơ đồ H1a Trong đó : Đèn Đ là 1 nguồn sáng trắng; C là ống chuẩn trực trong đó

có 1 lưới chữ thập A được đặt tại tiêu điểm vật của ống chuẩn trực Ra khỏi ống chuẩn trực là chùm tia song song chiếu tới TKHT L

Đầu tiên dịch chuyển TKHT và màn E để được ảnh rõ nét trên màn Sau đó lấy màn E ra (H1b)

Đặt lên giá kính ngắm Viseur (V) cách vị trí cũ của màn E ra xa TKHT hơn một chút (khoảng hơn 20 cm tuỳ loại TK) Dịch chuyển V lại gần TKHT sẽ thấy trong V một ảnh

rõ nét của lưới chữ thập A Đánh dấu vị trí của V là A’ và ghi số đo trên thước là a’(H2)

Dùng bút dạ đánh 1 dấu chéo trên mặt TKHT (không dùng bút bi sẽ làm xước mặt TK) Dịch chuyển tiếp V thấy ảnh của TKHT rõ nét Đánh dấu vị trí của V là O’và ghi số đo là l’ Tiêu cự của TKHT là: f = a’- l’

Nguyên tắc xác định:

Khoảng cách giữa TK và màn mà ảnh xuất hiện rõ nét chính là khoảng cách giữa ảnh của vật qua TK xuất hiện rõ nét trong Viseur và ảnh của TK qua Viseur Việc đánh một dấu chéo trên mặt TK giúp ta dễ dàng nhận ra được ảnh này chính là bề mặt của TK

Do đó, đo khoảng cách giữa 2 lần nhìn ảnh qua TK và TK rõ nét qua Viseur chính là tiêu

cự của TK cần xác định

II Xác định tiêu cự của TKHT bằng phương pháp BESSEL

1 Chứng minh công thức BESSEL xác định tiêu cự f của TKHT

2 Xác định f theo công thức BESSEL

Đặt vật và màn E cố định trên giá Đặt TKHT trong khoảng giữa màn và vật (H6) Dịch chuyển TKHT để tìm được 2 vị trí của TKHT cho 2 ảnh thật rõ nét trên màn E Xác định bằng kính ngắm V các giá trị D, d0 như sau :

+ Vị trí 1: Dịch chuyển TKHT để được ảnh rõ nét trên màn, dùng V ngắm vị trí 1 này của TKHT (thấy vạch chéo trên mặt TKHT), được l1

+ Vị trí 2: Lấy màn ra, đặt V vào và ngắm vị trí 2 này của TKHT, được l

Ta có d0 = | l1 – l2|

+ Dùng V ngắm ảnh của vật rõ nét Ta được vị trí với b

+ Dùng V ngắm vật rõ nét Ta được vị trí với a Khi đó D = b – a

+ Áp dụng công thức BESSEL ta tính được f

III Xác định tiêu cự của TKHT bằng phương pháp SILBERMANN

1 Chứng minh công thức SILBERMANN

2 Phương pháp SILBERMANN để xác định f của TKHT

- Tạo lập sơ đồ gồm đèn, vật, TKHT và màn E Ở đây chỉ có vật là cố định Dịch chuyển màn để thu được 1 ảnh rõ nét bằng vật Khi đó ta có :

từ: 1 1 1 '

dd f

f  d d   d d



Các thao tác thực hiện:

+ Đặt cố định vật

+ Dịch chuyển TK và màn đến khi thu được ảnh rõ nét trên màn

+ Tháo màn ra khỏi giá, đặt kính ngắm Viseur vào, dịch chuyển Viseur cho đến khi nhìn thấy ảnh của vật qua TK rõ nét trong Viseur, ghi lại giá trị đó của Viseur là a

+ Dịch Viseur đến gần TK cho đến khi nhìn thấy rõ nét dấu chéo trên TK, ghi lại giá trị

I Phương pháp chuẩn cho các TKHT

Sau khi thực hiện các thao tác thí nghiệm như ở phần Lý thuyết thí nghiệm ta được kết quả sau :

Sai số tuyệt đối:  f 0, 02cm

Sai số tuyệt đối của phép đo = 0,2+0,05 = 0,25 cm

Từ đó: 12,9 12, 6 12, 7 12, 7

3

II Phương pháp Bessel cho các TKHT

Sau 3 lần thí nghiệm ta thu được bảng số liệu sau :

D

f D

Sai số tuyệt đối của 1/D = 0,001 cm

Sai số tuyệt đối của (d/D)^2 = 0,057 cm

Sai số tuyệt đối của f  0, 058cm

Sai số tuyệt đối của phép đo = 0,108 cm

 Ta nội suy được phương trình thẳng và tìm được: y  82, 2x  0, 9932

 Theo công thức của định luật Bessel:

Sai số tuyệt đối của 1/D = 0,001 cm

Sai số tuyệt đối của (d/D)^2 = 0,057 cm

Sai số tuyệt đối của f  0, 058cm

Sai số tuyệt đối của phép đo = 0,108 cm

' 19, 910 0,108

f   cm

Nhận xét đồ thị:

o Đồ thị là một đường thẳng tuyến tính và từ đây ta có thể dễ dàng tìm được

tiêu cự của thấu kính 3 nhờ phương trình đường thẳng trên

o Khi vẽ đồ thị cần thêm điểm (0,1) vào đồ thị vì theo lý thuyết ta cần tìm

đường tuyến tính tốt nhất qua điểm này

o Ta thực hiện như sau:

Nhận xét đồ thị:

o Đồ thị là một đường thẳng tuyến tính và từ đây ta có thể dễ dàng tìm được

tiêu cự của thấu kính 3 nhờ phương trình đường thẳng trên

o Khi vẽ đồ thị cần thêm điểm (0,1) vào đồ thị vì theo lý thuyết ta cần tìm

đường tuyến tính tốt nhất qua điểm này

o Ta thực hiện như sau:

 Ta nội suy được phương trình thẳng và tìm được: y  82, 2x  0, 9932

 Theo công thức của định luật Bessel:

Kết quả đo được gần bằng với phương pháp chuẩn ở trên Kết quả này có độ chính xác

cao hơn và sai số thấp hơn nhiều so với khi ta đo bằng phương pháp chuẩn

Sai số tuyệt đối:  f 0, 2167cm

Sai số tuyệt đối của phép đo = 0,2667 cm

1 2 3

9,9673

Mỗi phương pháp có một cách tiến hành khác nhau nhờ vào các tính chất khác nhau của một tia sáng khi đi qua LK, và tùy thuộc vào từng vị trí giữa vật và TK mà có thể cho tính chất ảnh khác nhau

Nhưng nói chung lại, các phép đo đều cho f  100(mm) , điều này là hoàn toàn chấp nhận được vì sai số ở mỗi phép đo rất bé

Tùy thuộc vào từng trường hợp mà ta có thể chọn cách nào để xác định nhanh và chính xác tiêu cự của một TKHT đơn giản

Bằng hình vẽ thể hiện cách lắp, ta có thể thấy dễ dàng rằng hệ vô tiêu chỉ có thể cấu tạo bởi hai TK hội tụ hoặc một TK hội tụ và một TK phân kỳ

Không thể có trường hợp tạo bởi hai TKPK vì rằng hệ tạo bởi hai TKPK luôn luôn có tiêu điểm là hữu hạn

2) Hệ số phóng đại góc:

Giả sử hệ tạo bởi hai TK hội tụ có tiêu cự: f1 và f2

Vật AB cần quan sát là ở vô cùng, có A nằm trên trục chính của hệ, AB được nhìn dưới góc trông là

Hệ vô tiêu tạo bởi 2 TKHT có độ bội giác âm, điều đó có nghĩa là ảnh tạo bởi hệ ngược chiều với vật cần quan sát Còn hệ vô tiêu tạo bởi 1 TKHT và 1 TKPK có độ bội giác dương, điều đó nghĩa là ảnh cùng chiều với vật Tỷ số A B2 2

AB

  là không phụ thuộc vị trí của AB Thực vậy, một tia sáng song song với trục đi qua B sẽ đi ra song song với trục,

và B’ sẽ ở trên tia ló

Các tia sáng xuất phát từ các điểm khác nhau của vật sau khi đi qua kính sẽ tập trung ở 1 vòng

Giải thích : Các tia ngoài cùng đi qua vật kính là các tia đi qua bờ của vật kính Trong môi