Đo vận tốc ánh sáng sử dụng cặp xung laser nano giây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH HỒ ĐĂNG SƠN ĐO VẬN TỐC ÁNH SÁNG SỬ DỤNG CẶP XUNG LASER NANO GIÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Nghệ An, 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH HỒ ĐĂNG SƠN ĐO VẬN TỐC ÁNH SÁNG SỬ DỤNG CẶP XUNG LASER NANO GIÂY Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8440110 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Người hướng dẫn khoa học: PGS TS NGUYỄN HUY BẰNG Nghệ An, 2018 LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành, sâu sắc đến thầy giáo PGS TS Nguyễn Huy Bằng, người định hướng tận tình hướng dẫn để giúp tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Tôi xin cảm ơn thầy cô giáo Trường Đại học Vinh giảng dạy truyền thụ kiến thức, kỹ kinh nghiệm tảng cốt lõi bổ ích Chân thành cảm ơn TS Phan Văn Thuận nghiên cứu sinh Lương Thị Yến Nga tận tình giúp đỡ có nhiều ý kiến đóng góp q báu cho tơi q trình nghiên cứu thực luận văn Cuối cùng, xin bày tỏ lịng biết ơn đến gia đình bạn bè đồng nghiệp ủng hộ, tạo điều kiện giúp đỡ động viên tơi vượt qua khó khăn trình học tập Xin chân thành cảm ơn! Nghệ an, tháng 07 năm 2018 Tác giả MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Bố cục luận văn Chương 1: SƠ LƯỢC VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO VẬN TỐC ÁNH SÁNG 10 1.1 Tổng quan ánh sáng 10 1.2 Vận tốc ánh sáng 11 1.3 Một số phương pháp đo vận tốc ánh sáng 13 1.3.1 Thiên văn học 13 1.3.2 Kỹ thuật đo thời gian bay 15 1.3.3 Hằng số điện từ 17 1.3.4 Phương pháp giao thoa 18 1.4 Một số thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng dạy học 21 1.4.1 Bộ thí nghiệm hãng Lambda Scientific Systems 21 1.4.2 Bộ thí nghiệm hãng PHYWE 22 1.4.3 Bộ thí nghiệm hãng Science First 22 1.4.4 Ưu điểm nhược điểm thí nghiệm 23 1.5 Kết luận chương 24 Chương 2: ĐO VẬN TỐC ÁNH SÁNG SỬ DỤNG CẶP XUNG LASER NANO GIÂY .25 2.1 Thiết kế 25 2.1.1 Sơ lược xung laser 25 2.1.2 Sơ đồ thiết kế 26 2.2 Các thiết bị/linh kiện 29 2.2.1 Nguồn laser rắn phát xung 29 2.2.2 Bản tách chùm gương phản xạ 30 2.2.3 Đầu thu quang 30 2.2.4 Dao động kí 31 2.2.5 Mặt bàn quang học 31 2.3 Thực nghiệm đo vận tốc ánh sáng 32 2.4 Kết xử lý số liệu 36 2.5 Kết luận chương 37 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG MỞ RỘNG ĐỀ TÀI .39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Mơ hình sóng điện từ 10 Hình 1.2 Vận tốc ánh sáng môi trường khác 12 Hình 1.3 Sự che khuất vệ tinh Io Mộc Roemer 14 Hình 1.4 Thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng Galilei 15 Hình 1.5 Nguyên lý thí nghiệm với bánh xe cưa Armand Fizeau 16 Hình 1.6 Thí nghiệm với gương xoay Foucault 16 Hình 1.7 Giao thoa kế Michelson - Morley 18 Hình 1.8 Bộ thí nghiệm Lambda Scientific Systems 21 Hình 1.9 Bộ thí nghiệm PHYWE 22 Hình 1.10 Thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng Science First 23 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý đo vận tốc ánh sáng xung laser 26 Hình 2.2 Sơ đồ thiết kế quang trình hệ đo vận tốc ánh sáng cặp xung laser 28 Hình 2.3 Đầu thu photodiode, model FDS010 hãng Thorlabs 31 Hình 2.4 Bản vẽ mặt bàn quang học 32 Hình 2.5 Ảnh chụp bố trí hệ đo vận tốc ánh sáng 33 Hình 2.6 Dùng bìa chắn chùm sáng nhánh thứ 34 Hình 2.7 Ảnh chụp hình dao động ký cho hai trường hợp hiệu quang trình cực đại cực tiểu 35 MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Từ thời xa xưa nay, ánh sáng đối tượng quan tâm nghiên cứu khơng liên quan trực tiếp tới sống nhân loại mà cịn có nhiều tượng quang dẫn đến đời lý thuyết vật lý (thuyết lượng tử, thuyết hấp dẫn) Vận tốc ánh sáng chân không ký hiệu chữ "c" thường xuất nhiều phương trình thuộc lý thuyết vật lý đại, đặc biệt thuyết tương đối Einstein Tuy nhiên, đại lượng có giá trị lớn (giá trị giới hạn chuyển động) nên việc đo xác thường gặp nhiều khó khăn Hệ dẫn đến sai số phép đo liên quan Vì vậy, đo xác vận tốc ánh sáng vấn đề quan trọng quan tâm tiến trình phát triển vật lý học Về mặt lịch sử, Nhà triết học Empedocles người bàn đến vấn đề vận tốc ánh sáng hữu hạn [1] Ơng cho ánh sáng thứ có chuyển động cần thời gian để quãng đường Tuy nhiên, tới 1676 Roemer ước lượng giá trị vận tốc ánh sáng [2] Bằng quan sát chu kỳ vệ tinh vòng Sao Mộc ơng thấy chu kỳ nhỏ Trái Đất gần Sao Mộc so với Trái Đất xa Sao Mộc, ông kết luận ánh sáng có vận tốc hữu hạn, ông ước lượng giá trị 71% giá trị chấp nhận ngày Tiếp đến, Christiaan Huygens kết hợp phương pháp phương pháp tính quỹ đạo Trái Đất để tìm vận tốc ánh sáng 220000 km/s, thấp 26% so với giá trị [2] Năm 1729, James Bradley khám phá tượng quang sai Từ hiệu ứng ông xác định vận tốc ánh sáng 301000 km/s [2] Năm 1849, Armand Fizeau đo vận tốc ánh sáng dựa phép đo thời gian bay mặt đất với giá trị 315000 km/s [3] Đến năm 1926, Albert Michelson phát minh hệ thống sử dụng gương quay để đo vận tốc ánh sáng, với kết thu 299910 ± 50 km/s [4] Sau đó, Michelson cải tiến thiết bị để tăng độ xác phép đo cách tăng quãng đường lên 35 km, sai số phép đo giảm xuống ± km/s [4] Sự đời phát triển laser năm 1961 tạo nên cách mạng khoa học công nghệ ứng dụng Đến năm 1973, Evanson sử dụng laser xác định giá trị vận tốc ánh sáng 299792,4574 ± 0,001 km/s [5] Năm 1975, vận tốc ánh sáng chân không xác định 299.792.458 m/s với sai số phần tỉ [6] Năm 1983, đơn vị đo mét định nghĩa lại hệ SI khoảng cách ánh sáng truyền chân không thời gian 1/299.792.458 giây [6] Kết là, giá trị số c đơn vị mét giây định nghĩa cố định xác Cùng với việc nghiên cứu chế tạo hệ thí nghiệm đo xác vận tốc ánh sáng, nghiên cứu chế tạo thí nghiệm đơn giản đo vận tốc ánh sáng phục vụ cho dạy học vật lý bậc phổ thông nhà khoa học giới quan tâm Đến nay, có số thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng thương mại hóa thị trường Nguyên lý hoạt động thí nghiệm dựa tượng giao thoa ánh sáng thay đổi pha chùm laser tới chùm phản xạ Với sai số cỡ 5%, chúng sử dụng nhiều phịng thí nghiệm trường đại học THPT giới Ưu điểm thí nghiệm độ xác cao, nhược điểm khơng trực quan, việc tinh chỉnh phải tinh tế, đo vận tốc ánh sáng lan truyền mẫu nhà sản xuất cung cấp, triển khai phịng thí nghiệm tương đối đắt tiền Hơn nữa, để vận hành thí nghiệm địi hỏi học sinh phải có kiến thức vận tốc pha ánh sáng Đây hạn chế học sinh phổ thông Việt Nam không học kiến thức chương trình vật lí Trước thực tiễn địi hỏi học sinh cần phải hiểu khái niệm vận tốc ánh sáng lan truyền môi khác điều kiện chưa học kiến thức vận tốc pha vận tốc nhóm, việc xây dựng thí nghiệm sử dụng định luật vật lý đơn giản, dễ hiểu cần thiết Hơn nữa, bối cảnh toàn ngành thực đổi từ dạy học theo tiếp cận nội dung sang tiếp cận lực, việc tăng cường hoạt động thực nghiệm cần thiết, đặc biệt lớp học Vì vậy, tạo thí nghiệm nhỏ gọn, trực quan, dễ hiểu, dễ vận hành thời gian thao tác ngắn quan trọng Gần đây, có số đề tài đo vận tốc ánh sáng theo hướng [7], nhiên quang trình lớn tới hàng chục mét (do sử dụng xung sáng cỡ micromet) nên áp dụng phịng thí nghiệm độ trực quan chưa cao, khó để dùng thí nghiệm biểu diễn cho lớp học Trước thực tiễn đó, chúng tơi chọn đề tài “Đo vận tốc ánh sáng sử dụng cặp xung laser nano giây” để giải vấn đề thực tiễn nói Mục tiêu nghiên cứu đề tài Mục tiêu đề tài đề xuất xây dựng thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng sử dụng cặp xung laser nano giây, dùng cho học sinh trường THPT Các mục tiêu cụ thể gồm: • Đề xuất thí nghiệm nhỏ gọn, đơn giản để đo vận tốc ánh sáng phương pháp đo độ trễ cặp xung laser nano giây • Thiết kế tối ưu đường xung sáng để thu gọn kích thước (có thể xách tay), giảm thời gian đo, kết nối với máy tính để tăng cường trực quan sử dụng lớp học • Đo vận tốc ánh sáng theo mơ hình đề xuất sử dụng thiết bị có phịng thí nghiệm Trường Đại học Vinh Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Xác định vận tốc ánh sáng lan truyền môi trường đồng nhất, đẳng hướng Phạm vi nghiên cứu: Xác định vận tốc xung laser lan truyền khơng khí Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu phương pháp đo vận tốc ánh sáng theo lịch sử phát triển - Xây dựng mơ hình thí nghiệm - Chuẩn bị đồ dùng thí nghiệm sở thiết bị có Trường Đại học Vinh - Thực thí nghiệm, ghi nhận phân tích kết thí nghiệm Phương pháp nghiên cứu Chúng tơi sử dụng phương pháp thực nghiệm dựa sở lý thuyết chuyển động ánh sáng qua mơi trường đồng nhất, đẳng hướng Tính tốn hiệu đường hai xung laser với độ phân giải dao động ký để rút điều kiện thu tín hiệu rõ nét, cho kết đạt đến độ xác phạm vi sai số cho phép Nội dung nghiên cứu Trên sở lý thuyết truyền thẳng với vận tốc không đổi ánh sáng môi trường đồng đẳng hướng, chúng tơi xây dựng mơ hình thí nghiệm, từ lựa chọn thiết bị, linh kiện để lắp ráp thành thí nghiệm Thực phép đo, xử lý số liệu để tìm vận tốc ánh sáng tính sai số phép đo So sánh thí nghiệm chế tạo với số thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng có thị trường mặt: nguyên lý hoạt động, đo vận tốc ánh sáng môi trường khác nhau, sai số phép đo, giá thành, khả tự chế tạo làm đồ dùng dạy Đề xuất hướng phát triển đề tài Bố cục luận văn Ngoài phần mở đầu kết luận, luận văn chia làm chương Chương Trình bày tổng quan phương pháp đo vận tốc ánh sáng lịch sử thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng sử dụng dạy học 27 Gọi v vận tốc ánh sáng lan truyền môi trường, theo định luật chuyển động ta có: S1 = v.t1 (2.1) S2 = v.t2 (2.2) S2 – S1 = v(t2 – t1) (2.3) Hay Khơng tính tổng qt ta giả thiết qng đường S2 lớn S1 Ta đặt: ∆S = S2 – S1, ∆t = t2 – t1 (2.4) ∆S , hay ∆t = ∆S/v ∆t (2.5) Lúc đó: v= Như vậy, đo hiệu quang trình ∆S độ trễ ∆t ta xác định vận tốc ánh sáng v Độ xác phép đo phụ thuộc vào sai số xác định hiệu quang trình ∆S sai số xác định độ trễ ∆t Vì vận tốc ánh sáng có giá trị lớn (cỡ x 108 m/s) nên với độ lệch quang trình ∆S cỡ mét độ trễ cỡ 10 ns Với giá trị độ trễ đòi hỏi đầu thu hiển thị phải có độ phân giải thời gian tối thiểu cỡ ns Ngoài ra, độ rộng xung laser phải bé 10 ns Hiện nay, phát triển công nghệ laser, vật liệu bán dẫn công nghệ điện tử, yêu cầu hồn tồn đáp ứng cách sử dụng laser bán dẫn nano giây giá thành thấp làm nguồn phát xung, photodiode nhanh làm đầu thu, dao động ký thông dụng đo độ lệch thời gian hai xung Trên sở đó, chúng tơi thiết kế hệ đo vận tốc ánh sáng có sơ đồ quang học mơ tả Hình 2.2 Trong sơ đồ này, toàn hệ thống đặt mặt bàn quang học tiêu chuẩn, loại tổ ong có kích thước 30 x 90 cm Trong cách thiết kế này, hệ thống gương bố trí vng góc với để tia laser thuộc nhánh thứ phản xạ lại nhiều lần dọc theo chiều dài hệ đo Tất gương tinh chỉnh ban đầu cố định Việc thay 28 đổi hiệu quang trình ∆S cho phép đo khác thực thơng qua dịch chuyển lăng kính LK trượt dọc hệ đo Ngoài photodiode PD1 dùng để đo độ trễ hai xung chúng tơi thiết kế thêm đầu thu photodiode PD2 sử dụng làm tín hiệu trigger trường hợp dao động kí khơng có chế độ trigger tự động kết nối máy tính phóng to lên hình sử dụng thí nghiệm lớp học Với cách thiết kế vậy, tính ∆S khơng cần đo quang trình S1 mà cần đo độ dài nhánh dọc quang trình S2 (tương ứng với đoạn: TC2-G9; G8-G7; G6-LK; LK-G5; G4-G3; G2-TC1) Ngoài ra, gương tách chùm cố định nên tất đoạn quang trình S2 cần đo lần (ngoại trừ nhánh LK-G5 LK-G6 cần phải đo vị trí lăng kính GK) PD1 85 cm PD2 G9 TC2 G7 cm cm 30 cm G6 cm cm G5 G4 G8 LK G3 cm TC1 G2 G1 Laser ns 80 cm 90 cm Hình 2.2 Sơ đồ thiết kế quang trình hệ đo vận tốc ánh sáng cặp xung laser, LK lăng kính vng góc, ký hiệu cịn lại giống Hình 2.1 29 Theo cách thiết kế đây, hiệu quang trình cực đại ước lượng (tương ứng với lăng kính LK xa gương G5 G6 nhất): ∆Smax = 80 x + 85 x = 500 (cm) (2.6) Tương tự, giá trị cực tiểu hiệu quang trình (khi lăng kính LK gần gương G5 G6 nhất): ∆Smin = 80 x + 85 x = 330 (cm) (2.7) Với giá trị cực đại cực tiểu hiệu quang trình thu trên, ta ước lượng độ trễ cực đại cực tiểu hai xung là: ∆tmax = ∆Smax/v ≈ 16,7 ns; (2.8) ∆tmin = ∆Smin/v ≈ 11 ns (2.9) Đây khoảng giá trị tới hạn để lựa chọn giao động ký với thang đo phù hợp 2.2 Các thiết bị/linh kiện 2.2.1 Nguồn laser rắn phát xung Như trình bày đây, để phân giải tốt độ trễ (cỡ chục nano giây) xung cần sử dụng laser có độ rộng xung bé 10 ns kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp Để phù hợp với kích thước thiết kế trên, chọn nguồn laser phát xung model NPL64A hãng Thorlabs với thông số kỹ thuật gồm [16]: - Loại: laser bán dẫn phát xung; - Bước sóng trung tâm: 640 ± 10 nm; - Độ rộng xung: 10ns; - Công suất đỉnh: 13 mW; - Tần số lặp: 1MHz đến 10 MHz (thay đổi được); - Kích thước: D x R x C ≈ 14 cm x 6,2 cm x 5,5 cm; - Nguồn điện: DC 15V; - Giá tham khảo: 895 USD 30 2.2.2 Bản tách chùm gương phản xạ Các tách chùm TC1 TC2 sơ đồ thiết kế Hình lựa chọn hãng Thorlabs tương ứng model EBP1 EBS1 với thông số kỹ thuật [18]:  Model EBP1: - Đường kính: 25,4 mm; - Độ tách: 30:70 - Bước sóng hoạt động: 450-650 nm; - Giá tham khảo: 33 USD  Model EBS1: - Đường kính: 25,4 mm; - Độ tách: 50:50 - Bước sóng hoạt động: 450-650 nm; - Giá tham khảo: 33 USD Các gương phản xạ lựa chọn gương mạ kim loại, model ME05S-G01 hãng Thorlabs với thơng số kỹ thuật [16]: - Kích thước: hình vng, cạnh 12,7 mm (0,5 inch); - Vật liệu mạ bề mặt: aluminum - Hệ số phản xạ: cỡ 95%; - Miền bước sóng làm việc: 400 nm - 2µm - Giá tham khảo: 11,8 USD 2.2.3 Đầu thu quang Đầu thu quang dùng photodiode nhanh, model FDS010 hãng Thorlabs với thông số kỹ thuật [18] (Hình 2.3): - Miền đáp ứng phổ: 200 – 1200 nm; - Diện tích miền hoạt tính: 0,8 mm2; - Thời gian đáp ứng: ns; - Giá tham khảo: 45 USD 31 Hình 2.3 Đầu thu photodiode, model FDS010 hãng Thorlabs [16] 2.2.4 Dao động kí Trong thí nghiệm này, tơi sử dụng dao động kí hãng Aligent Technologies, model DSO3062A có thông số kỹ thuật sau: - Băng thông: 60 MHz; - Số kênh: 2; - Thang đo thời gian: từ 5ns/div đến 50s/div; - Độ xác thời gian: 100 ppm; - Tốc độ lấy mẫu: 1GHz Các dao động ký thông dụng trường phổ thông thường đáp ứng đầy đủ thông số kỹ thuật Thậm chí, với phát triển kỹ thuật điện tử, nhiều dao động ký đời có độ phân giải thời gian cao giá thành thấp 2.2.5 Mặt bàn quang học Mặt bàn quang học thiết kế thí nghiệm model MB3090/M với thơng số kỹ thuật (Hình 2.4): - Vật liệu: Nhơm sơn tĩnh điện màu đen; - Kích thước: dài x rộng x dày = 90 x 30 x 1,27 cm; - Lỗ vít: M6; - Khoảng cách lỗ vít: 2,5 cm; - Trong lượng: khoảng 8kg 32 Hình 2.4 Bản vẽ mặt bàn quang học [16] 2.3 Thực nghiệm đo vận tốc ánh sáng Để triển khai lắp ráp hệ đo vận tốc ánh sáng theo sơ độ thiết kế Hình 2.2, chúng tơi sử dụng thiết bị có Phịng thí nghiệm Quang phổ Trường Đại học Vinh Ở đây, khơng có nguồn laser nano giây NPL64A hãng Thorlabs nên tận dụng laser phát xung Nd:YAG (model DLS 8000 hãng Continuum) với độ rộng xung cỡ ns bước sóng 532nm Ngồi ra, thiếu lăng kính nên chúng tơi dùng gương phản xạ đặt cách cỡ 1m để đảm bảo hiệu quang thay đổi khoảng từ 3m đến 5m thiết kế Hình 2.2 Lắp đặt thí nghiệm Hình 2.5 Xác định vị trí cố định tách chùm (TC) cho tia laser phát tới tách chùm Cố định đầu thu bàn, điều chỉnh tách chùm để tia laser phản xạ tách chùm vào đầu thu Đặt gương G1 hứng tia laser truyền qua tách chùm, đặt cố định 33 vị trí gương G2, G3, G4, G5 Quay gương G1 để tia laser đến G2, quay G2, G3, G4 G5 cho tia laser vào đầu thu Nối đầu thu với lối vào CH1 dao động kí Chuyển thang đo thời gian dao động kí đến 5ns Điều chỉnh level trigger cho tín hiệu hình dao động kí ổn định Tiến hành đo hiệu quang trình độ lệch thời gian dao động kí Gương phản xạ Gương phản xạ Bản tách chùm Đầu thu Hình 2.5 Ảnh chụp bố trí hệ đo vận tốc ánh sáng Hình ảnh hiển thị hình dao động ký Hình 2.5 chụp lại ứng với trường hợp trường hợp hiệu quang trình 5m (tương ứng với trường hợp cực đại quang trình sơ đồ thiết kế Hình 2.2.) Ở ta thấy độ trễ hai xung khoảng gần 17 ns Trong đó, xung thứ (về bên trái hình) tương ứng với tia sáng theo quang trình nhánh 1, cịn xung thứ hai (bên phải 34 hình) tương ứng với tia sáng theo quang trình nhánh Để kiểm tra hình ảnh thu có xác hai xung theo quang trình khác sơ đồ nguyên lý hay không, chung tơi dùng bìa chắn bề mặt gương phản xạ thuộc nhánh thứ hai Kết cho thấy xung bên phải hình dao động ký khơng xuất (Hình 2.6) Hình 2.6 Dùng bìa chắn chùm sáng nhánh thứ 2, xung bên phải Hình 2.5 khơng xuất Sau tinh chỉnh tối ưu hình ảnh tín hiệu xung (bằng cách điều chỉnh lưu lượng chùm sáng vào photodiode), tiến hành đo độ trễ xung theo hiệu quang trình nhánh Từ tính giá trị vận tốc theo công thức (2.5) cho kết trên Bảng 2.1 35 Bảng 2.1 Độ trễ xung ứng với giá trị khác hiệu quang trình Lần đo ∆S (mm) ∆t (ns) Giá trị vận tốc (m/s) 4995 17,0 293.823.529,41 4803 16,4 292.865.853,66 4596 15,6 294.615.384,62 4390 15,0 292.666.666,67 4168 14,2 293.521.126,76 3989 13,8 289.057.971,01 3807 13,0 292.846.153,85 3612 12,4 291.290.322,58 3397 11,6 292.844.827,59 10 3189 11,0 289.909.090,91 11 2998 10,2 293.921.568,63 Một số hình ảnh xung ứng với cực đại cực tiểu hiệu quang trình mơ tả hình 2.7 Hình 2.7 Ảnh chụp hình dao động ký cho hai trường hợp hiệu quang trình cực đại 5m (hình bên trái) cực tiểu 3m (ảnh bên phải) 36 2.4 Kết xử lý số liệu Từ số liệu kết đo Bảng 2.1, ta tính giá trị trung bình phép đo vận tốc theo công thức: v= v1 + v + v3 + v + v5 + v + v + v8 + v9 + v10 + v11 11 = 292.487.499,61 m/s (2.10) Khi đó, sai số tuyệt đối phép đo tính: ∆v1 = | v - v1| = 1.336.029,80 m/s ∆v2 = | v - v2| = 378.354,05 m/s ∆v3 = | v - v3| = 2.127.885,01 m/s ∆v4 = | v - v4| = 179.167,06 m/s ∆v5 = | v - v5| = 1.033.627,15 m/s ∆v6 = | v - v6| = 3.429.528,59 m/s ∆v7 = | v - v7| = 358.654,24 m/s ∆v8 = | v - v8| = 1.197.177,03 m/s ∆v9 = | v - v9| = 357.327,98 m/s ∆v10 = | v - v10| = 2.578.408,69 m/s ∆v11 = | v - v11| = 1.434.069,02 m/s Tính sai số tuyệt đối trung bình phép đo: ∆v = ∆v1 + ∆v + ∆v + ∆v + ∆v + ∆v + ∆v1 + ∆v + ∆v + ∆v + ∆v 11 = 1.310.020,78 (m/s) (2.11) Tính sai số tương đối phép đo: δv = ∆v 1.310.020,78 100% = 100% = 0,46% 292.487.499,61 v (2.12) Kết phép đo vận tốc thí nghiệm là: v = 292.487.499,61 ± 1.310.020,78 m/s (2.13) 37 Với chiết suất khơng khí n = 1,000293 [17] giá trị vận tốc ánh sáng khơng khí đo v = 292.487.499,61 m/s, ta tính vận tốc ánh sáng chân khơng là: c = n.v = 292.573.198,45 m/s (2.14) So sánh với giá trị c định nghĩa 299.792.458 m/s [6] ta thấy giá trị đo nhỏ giá trị c 7.915.192,46 m/s, sai số 2,41% Với sai số kết đo chấp nhận đổi với thí nghiệm trường phổ thông Cần lưu thêm rằng, sai số phép đo hai nguồn gốc chính: sai số đo hiệu quang trình sai số xác định độ trễ hai xung Đối với nguồn gốc sai số thứ nhất, phép đo chiều dài sử dụng thước có độ chia đến mm Tuy nhiên xác định khoảng cách gương góc đọc khơng hồn tồn vng góc nên sai số đo chiều dài cỡ vài cm Còn sai số xác định độ trễ cỡ ns (thang chia nhỏ nhất) Giá trị tương ứng với sai số hiệu quang trình cỡ 0,3 m Như vậy, sai số chủ yếu phép đo thí nghiệm chủ yếu xác định độ trễ xung 2.5 Kết luận chương Dựa nguyên lý chuyển động thẳng ánh sáng môi trường suốt đồng tính, chúng tơi thiết kế hệ đo vận tốc ánh sáng đơn giản, phù hợp với kiến thức vật lí phổ thơng Hệ đo thiết kế dựa việc đo độ trễ hai xung sáng laser nano giây lan truyền hai đường khác Dựa điều kiện phân giải thời gian dao động ký thơng dụng trường phổ thơng, thí nghiệm thiết kế có hiệu quang trình cực đại cực tiểu tương ứng 5m 3m Để giảm kích thước thí nghiệm chúng tơi thiết kế nhỏ gọn, đề xuất sử dụng hệ thống gương lăng kính phản xạ để tồn hệ thống bố trí phạm vi kích thước 30 × 90 cm Về mặt nguyên tắc, với kích thước 38 thời gian thao tác ít, thí nghiệm hồn tồn đóng thành hộp mang vào lớp học để minh họa cho học sinh khái niệm cách đo vận tốc ánh sáng Trong điều kiện thiếu nguồn laser mini phát xung nano giây thiết kế, sử dụng nguồn laser rắn Nd:YAG (kích thước lớn) có phịng thí nghiệm Quang phổ Trường Đại học Vinh để đo vận tốc theo sơ đồ thiết kế Kết thu giá trị vận tốc ánh sáng chân không (sau bổ chiết suất khơng khí) 292.573.198,45 m/s Giá trị sai khác với giá trị xác 2,41% 39 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG MỞ RỘNG ĐỀ TÀI Đo xác vận tốc ánh sáng thành tựu quan trọng thúc đẩy phát triển vật lý đại công nghệ nhân loại Từ vấn đề đơn giản nhất, thường gặp đời sống ngày đơn vị chiều dài “mét” định nghĩa Viện đo lường quốc tế vào năm 1983 "khoảng cách mà ánh sáng truyền chân không khoảng thời gian / 299 792 458 giây") đến mối liên hệ mang tính trừu tượng cao hệ thức E = mc2 Einstein có liên quan trực tiếp với vận tốc ánh sáng Với tầm quan trọng đó, nhiều nhà khoa học từ xa xưa đến dành nhiều công sức để nghiên cứu, chế tạo thiết bị thí nghiệm nhằm tìm cách xác số Ngoài ra, việc cải tiến kỹ thuật để đưa phép đo vận tốc ánh sáng vào chương trình Vật lí phổ thơng nhiệm vụ quan trọng Với tính cấp thiết nói trên, chúng tơi thiết kế hệ đo vận tốc ánh sáng có kích thước nhỏ gọn (cỡ 30 x 90 cm), nguyên lý hoạt động đơn giản, phù hợp với kiến thức Vật lý phổ thơng, sử dụng lớp học phịng thí nghiệm Hệ thiết kế dựa nguyên tắc đo độ trễ hai xung laser nano giây lan truyền theo hai quang trình khác Đặc biệt, nhờ sử dụng gương lăng kính phản xạ bố trí vng góc nên tăng hiệu quang trình lên đến 5m cần đo khoảng cách tối đa 85 cm Điều giúp giảm thời gian đo, cần người thao tác đảm bảo độ phân giải thời gian sử dụng dao động ký thông dụng trường phổ thông Mặc dù chưa lắp đặt hoàn chỉnh hệ đo thiết kế thiếu nguồn laser mini phát xung, áp dụng sơ đồ thiết kế với laser rắn phát xung có phịng thí nghiệm với độ rộng xung tương tự Kết thực nghiệm cho thấy khả thi sơ đồ thiết kế với giá trị vận tốc đo (sau bổ chiết suất khơng khí) 292.573.198,45 m/s với sai số tương đối so với giá 40 trị xác phép đo vận tốc ánh sáng (dùng thiết bị đo đắt tiền) 2,41% Đây giá trị hoàn tồn chấp nhận thí nghiệm vật lý phổ thông Với thời gian thao tác ngắn kích thước nhỏ gọn, hệ thí nghiệm lắp ráp có kích thước nhỏ gọn, ngồi việc cho học sinh triển khai phép đo phòng thí nghiệm giáo viên mang vào làm thí nghiệm biểu diễn lớp học Điều tạo hứng thú cho học sinh rèn luyện lực thực nghiệm cho học sinh phổ thông nay, góp phần thực mục tiêu đổi giáo dục nước nhà Với thiết kế thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng nói trên, giáo viên học sinh hồn tồn sử dụng để đo chiết suất môi trường suốt có hình dáng Ngồi ra, hồn tồn xây dựng dao động ký ảo sử dụng phần mềm Labview kết nói máy tính để giảm giá thành tạo trực quan sử dụng lớp học Những kết nghiên cứu hồn tồn có đủ sở để đưa vào sản xuất cơng nghiệp, tạo thí nghiệm rẻ, tiện lợi dạy học Vì vậy, nhóm nghiên cứu gửi đăng ký quyền giải pháp hữu ích cục sở hữu trí tuệ quốc gia 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sarton, G (1993) Ancient science through the golden age of Greece Courier Dover tr 248 [2] MacKay, RH; Oldford, RW (2000) “Scientific Method, Statistical Method and the Speed of Light” Statistical Science 15 (3) [3] Gibbs, P (1997) “How is the speed of light measured?” Usenet Physics FAQ University of California, Riverside [4] Bernard Jaffe, Michelson and the Speed of Light (1960, reprinted 1979) [5] Evenson et al., “Speed of Light from Direct Frequency and Wavelength Measurements of the Methane-Stabilized Laser”, Phys Rev Lett., Vol 29 (19) (1972) 1346–49 [6] https://www.bipm.org/en/CGPM [7] Nguyễn Hồng Nam (2016), Xây dựng thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng xung Laser cho học sinh THPT, Luận văn thạc sĩ Đại học Vinh [8] Lương Dun Bình (2017), Vật lí 12, NXB Giáo dục Việt Nam, Hà Nội [9] 17th General Conference on Weights and Measures (1983), Resolution [10] http://360.thuvienvatly.com/bai-viet/dien-quang/305-toc-do-anh-sang [11] https://vi.wikipedia.org/wiki/Tốc_độ_ánh_sáng [12] https://vi.wikipedia.org/wiki/Ánh-sáng [13] http://www.lambdasys.com/product/LEOI-24.htm [14] http://www.phywe.com/460/apg/331/Speed-of-light.htm?tab=versuche [15] https://shop.sciencefirst.com/optics/7485-measuring-the-velocity-oflight.html [16] https://www.thorlabs.com/navigation.cfm [17] Lương Dun Bình (2017), Vật lí 11, NXB Giáo dục Việt Nam, Hà Nội ... phương pháp đo vận tốc ánh sáng lịch sử thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng sử dụng dạy học 9 Chương Trình bày sơ đồ thiết kế xây dựng hệ đo vận tốc ánh sáng sử dụng cặp xung laser nano giây Tiến hành... tài ? ?Đo vận tốc ánh sáng sử dụng cặp xung laser nano giây? ?? để giải vấn đề thực tiễn nói Mục tiêu nghiên cứu đề tài Mục tiêu đề tài đề xuất xây dựng thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng sử dụng cặp xung. .. Thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng Science First 23 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý đo vận tốc ánh sáng xung laser 26 Hình 2.2 Sơ đồ thiết kế quang trình hệ đo vận tốc ánh sáng cặp xung laser