Một số loại giao thoa kế và ứng dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH LƢƠNG THÚY PHỤNG MỘT SỐ LOẠI GIAO THOA KẾ VÀ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGHỆ AN - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH LƢƠNG THÚY PHỤNG MỘT SỐ LOẠI GIAO THOA KẾ VÀ ỨNG DỤNG Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60.44.01.09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS MAI VĂN LƢU NGHỆ AN - 2017 Mục lục Trang Lời cảm ơn Danh mục hình vẽ bảng Mở đầu Chƣơng LÝ THUYẾT VỀ SỰ GIAO THOA ÁNH SÁNG 1.1 Hàm số sóng – cường độ sáng 1.2 Sự giao thoa – nguồn ánh sáng kết hợp 1.3 Giao thoa nguồn điểm Vân không định xứ 12 1.4 Những ứng dụng tượng giao thoa ánh sáng 25 1.5 Kết luận chương 28 Chƣơng MỘT SỐ LOẠI GIAO THOA KẾ VÀ ỨNG DỤNG 29 2.1 Giao thoa kế hai chùm tia 29 2.1.1 Giao thoa kế Michelson 29 2.1.2 Giao thoa kế Mach – Zehnder 33 2.2 Giao thoa kế nhiều chùm tia 36 2.2.1 Lý thuyết giao thoa kế nhiều chùm tia 36 2.2.2 Giao thoa kế Fabry-Pérot gương phủ nhiều lớp điện môi 40 2.3 Thực nghiệm ứng dụng giao thoa kế Michelson 45 2.3.1 Đo bước sóng ánh sáng giao thoa kế Michelson 45 2.3.2 Đo hệ số nở nhiệt vật rắn giao thoa kế Michelson 51 2.4 Kết luận chương 54 Kết luận chung 56 Tài liệu tham khảo 57 Phụ lục 58 LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập Cao học Thạc sĩ khóa 23 Trường Đại học Vinh Trường Đại học Sài Gòn, chuyên ngành Quang học, TS Mai Văn Lưu hướng dẫn luận văn với đề tài “Một số loại giao thoa kế ứng dụng” Trong trình thực đề tài, thầy hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện để thực thí nghiệm Trường Đại học Vinh, xin trân trọng cảm ơn thầy Tôi xin cảm ơn TS Lê Văn Đồi giúp tơi thực thành cơng thí nghiệm Phịng thí nghiệm Điện - Quang, trường Đại học Vinh Tôi xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo khoa Vật lí Cơng nghệ nói riêng, thầy Trường Đại học Vinh nói chung giúp tơi hồn thành luận văn hồn thành khóa học Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp tạo điều kiện, động viên, giúp đỡ q trình tơi tham gia lớp học hoàn thành luận văn Tác giả Lƣơng Thúy Phụng Danh mục hình vẽ bảng Hình 1.1 Sự truyền sóng khơng gian Hình 1.2 Cường độ sáng điểm M Hình 1.3 Hai nguồn kết hợp S1 S2 Hình 1.4 Đồ thị biểu diễn biến thiên I theo  Hình 1.5 Họ mặt hypeboloit Hình 1.6 Đường hypebol Hình 1.7 Các khoảng cách từ S1 S2 đến điểm M Hình 1.8 Các mức độ chồng lên hai đồn sóng Hình 1.9 Vân giao thoa qua khe Young Hình 1.10 Vân giao thoa qua gương Fresnel Hình 1.11 Vân giao thoa qua lưỡng lăng kính Fresnel Hình 1.12 Vân giao thoa qua gương Lloyd Hình 1.13 Sự khử phản xạ mặt kính Hình 1.14 Vân giao thoa cong chỗ lồi lõm mặt kính Hình 1.15 Nở kế Fizeau-Abbe Hình 1.16 Giao thoa kế Rayleigh Hình 1.17 Sơ đồ hệ đo chiều dài giao thoa kế Michelson Hình 2.1 Giao thoa hai sóng Michelson Hình 2.2 Hệ số truyền qua giao thoa Michelson Hình 2.3 Vân giao thoa chùm ánh sáng phân kỳ qua giao thoa Michelson Hình 2.4 Cấu hình giao thoa kế Michelson vết giao thoa Hình 2.5 Giao thoa kế Mach – Zehnder Hình 2.6 Giao thoa laser đo chiết suất cục Hình 2.7 Một kiểu phân bố giao thoa vùng khơng khí bị đốt nóng Hình 2.8 Kết hợp giao thoa Mach – Zehnder máy quang phổ theo phương pháp móc câu Hình 2.9 Vị trí vệt giao thoa hàm bước sóng quan sát tiêu diện máy quang phổ Hình 2.10 Giao thoa nhiều tia qua hai mặt phẳng song song Hình 2.11 Hệ số truyền qua giao thoa nhiều tia phụ thuộc vào độ lệch pha Hình 2.12 Cường độ ảnh giao thoa phụ thuộc tần số cho trường hợp hai tia Hình 2.13 Giao thoa kế Fabry-Pérot Hình 2.14 Sơ đồ cấu tạo Giao thoa kế Fabry-Pérot phi tuyến Hình 2.15 Sơ đồ miêu tả nguyên lý hoạt động Giao thoa kế Fabry-Pérot Hình 2.16 Gương điện mơi nhiều lớp Hình 2.17 Sự phụ thuộc hệ số phản xạ cực đại vào chiết suất số lớp Hình 2.18 Sự phụ thuộc hệ số phản xạ vào bước sóng gương ba lớp thủy tinh Hình 2.19 Sơ đồ quang học đo bước sóng giao thoa kế Michelson Hình 2.20 Bộ thí nghiệm đo bước sóng ánh sáng giao thoa kế Michelson Trường Đại học Vinh Hình 2.21 Hình ảnh vân giao thoa qua giao thoa kế Michelson (được thực PTN Điện – Quang, Trường Đại học Vinh) Hình 2.22 Hệ đo hệ số nở nhiệt vật rắn giao thoa kế Michelson Trường Đại học Vinh Hình 2.23 Hình ảnh vân giao thoa Bảng 2.1 Các giá trị đặc trưng quang vài vật liệu quang học Bảng 2.2 Ngưỡng phá hủy thủy tinh Bảng 2.3 Kết đo bước sóng ánh sáng giao thoa kế Michelson Bảng 2.4 Kết đo bước sóng ánh sáng PP giao thoa khe Young Bảng 2.5 Kết đo bước sóng ánh sáng PP nhiễu xạ qua cách tử Bảng 2.6 Kết đo hệ số nở nhiệt hợp kim thép MỞ ĐẦU Như biết tượng vùng hai nguồn sáng kết hợp gặp nhau, tạo miền sáng, miền tối đan xen lẫn gọi tượng giao thoa ánh sáng Và giao thoa kế máy đo dựa vào tượng giao thoa ánh sáng Giao thoa kế có nhiều kiểu khác tùy theo công dụng máy, chúng dựa theo nguyên tắc chung: sóng ánh sáng chia thành hai hay nhiều sóng thành phần Các sóng thành phần truyền theo quang trình khác nhau, sau lại gặp cho hình ảnh giao thoa đầu giao thoa kế Giao thoa kế phát độ biến thiên chừng vài phần trăm bước sóng Vì giao thoa kế máy đo xác phép đo phương pháp giao thoa ánh sáng phép đo xác Nhờ có giao thoa kế mà xác định bước sóng ánh sáng, phổ cường độ, độ phân cực ánh sáng, Trong chương trình vật lí phổ thơng (sách Vật lí 12, học kì 2), học sinh học tượng giao thoa ánh sáng, điều kiện để có giao thoa ánh sáng, thí nghiệm Young ứng dụng thí nghiệm Young để đo bước sóng ánh sáng đơn sắc (thời lượng tiết: tiết lý thuyết, tiết tập tiết thực hành) Tuy nhiên thí nghiệm sử dụng nguồn laser chiếu qua hai khe Young quan sát vân giao thoa ảnh phía sau Trong chương trình vật lí phổ thơng, loại giao thoa kế không giới thiệu hay dạy cho học sinh Vì giáo viên Vật lí THPT chủ động tìm hiểu, nghiên cứu giao thoa kế ứng dụng Để hiểu biết rộng hơn, sâu sắc tượng giao thoa ánh sáng nhằm dạy vật lí trường phổ thơng tốt hơn, hay hơn; đồng thời có dịp để nâng cao kỹ thực hành thí nghiệm cho thân, chọn đề tài “Một số loại giao thoa kế ứng dụng” để nghiên cứu Kết nghiên cứu, với hy vọng cung cấp thêm tài liệu giao thoa ánh sáng, số loại giao thoa kế cho đồng nghiệp (GV Vật lí THPT) cho quan tâm Ngoài phần mở đầu kết luận chung, nội dung luận văn trình bày hai chương: Chương Trình bày lý thuyết giao thoa ánh sáng ứng dụng tượng giao thoa ánh sáng Chương Trình bày số loại giao thoa kế, bao gồm giao thoa kế hai chùm tia giao thoa kế nhiều chùm tia Từ thực phép đo bước sóng ánh sáng hệ số nở nhiệt vật rắn thoa kế Michelson Phịng thí nghiệm Điện - Quang Trường Đại học Vinh Chƣơng LÝ THUYẾT VỀ SỰ GIAO THOA ÁNH SÁNG 1.1 Hàm số sóng - cƣờng độ sáng Hàm số sóng Ta biết ánh sáng loại sóng điện từ nghĩa điện từ trường biến thiên truyền không gian Tuy nhiên thực nghiệm chứng tỏ có thành phần điện trường tác dụng vào mắt gây cảm giác sáng, dao động vectơ E gọi dao động sáng O M Hình 1.1 Sự truyền sóng khơng gian Nếu O phương trình dao động sáng là: x0 = acosωt (1.1) M cách O đoạn r (hình 1.1) phương trình dao động sáng [3]: x = acosω (t - τ) = acos(ωt - 2 L 2 L ) = acos(ωt ) cT  (1.2) τ thời gian ánh sáng truyền từ O đến M, L = cτ quang lộ đoạn đường OM, λ = cT bước sóng ánh sáng chân khơng Lượng φ = - 2rL  pha ban đầu dao động sáng Phương trình (1.2) gọi hàm sóng ánh sáng Nếu ánh sáng truyền theo chiều ngược lại, hàm sóng ánh sáng có dạng[3]: x = acosω (t + τ) x = acos(ωt + 2 L  ) (1.3) Cường độ sáng Để đặc trưng cho độ sáng điểm, người ta định nghĩa cường độ sáng điểm Cường độ sáng điểm đại lượng có trị số lượng ánh sáng truyền qua đơn vị diện tích đặt vng góc với phương truyền sáng đơn vị thời gian Xét điểm M nằm yếu tố diện tích dS vng góc với phương truyền sáng (hình 1.2) Gọi dW lượng ánh sáng chiếu tới diện tích dS thời gian dt cường độ ánh sáng M tính biểu thức: I Với P  dW P  dS dt dS (1.4) dW công suất ánh sáng chiếu tới diện tích dS dt Hình 1.2 Cường độ sáng điểm M Trong hệ SI, đơn vị đo cường độ sáng ốt mét vng (W/m2) Theo quan điểm sóng điện từ ánh sáng, cường độ sáng điểm môi trường tỉ lệ với bình phương biên độ dao động vectơ cường độ điện trường điểm Cường độ chùm sáng thông thường không vượt 104 W/m2 Các nguồn sáng laser, cường độ sáng lên đến 1014 W/m2 Vì vậy, sóng ánh 44 khó thực được, khó khăn mặt tính tốn thiết kế gia cơng nên sử dụng thực tế Để có hệ số phản xạ đáng kể, chế tạo cần lưu ý lớp cách không lớn λ/8 Trong trường hợp ngược lại, phản xạ đỉnh phụ thuộc tăng Sự thay đổi đồng độ dày lớp khơng khí dẫn đến thay đổi đỉnh cực đại hệ số phản xạ Nếu độ xác gia cơng lớp thấp λ/4, hệ số phản xạ hệ tổng hệ số phản xạ Fresner tất mặt phẳng Cấu trúc sử dụng gương cho trình lọc mode Gương nhiều lớp điện môi bền với xạ cơng suất lớn, ngưỡng phá hủy lớn Trong bảng 2.1 liệt kê ngưỡng phá hủy số vật liệu Bảng 2.1 Các giá trị đặc trưng quang vài vật liệu quang học [4] Ngƣỡng phá hủy Phát tự Ngƣỡng phá hủy Phát đơn xung Loại thủy tinh Bƣớc sóng xạ µm Thủy tinh nóng chảy 1,06 15000 1,65.106 190 1,4.1010 k-8 1,06 13500 14.106 87 0,89.1010 Mật độ Mật độ Mật độ Mật độ lƣợng công suất lƣợng công suất J/cm2 W/cm2 J/cm2 W/cm2 Ngưỡng phá hủy vật liệu cịn phụ thuộc vào tính chất bề mặt Nếu bề mặt đánh bóng tốt ngưỡng phá hủy cao Trên bảng 2.2 ngưỡng phá hủy thủy tinh k-8, với chất lượng bề mặt khác Bảng 2.2 Ngưỡng phá hủy thủy tinh [4] Vật liệu Chất lƣợng bề mặt Ngƣỡng phá hủy bề mặt J/cm2 K-8 Đánh bóng đặc biệt 190 K-8 Đánh bóng học 80 K-8 Mài học 45 Trong nhiều trường hợp gương buồng cộng hưởng ghép nhiều mặt có độ dày nhau, với tiết diện ngang khác Các gương sử dụng cho laser có phân bố nghịch đảo không theo tiết diện ngang hoạt chất Laser rắn thường sử dụng gương điện môi nhiều lớp có hệ số phản xạ lớn vùng 1000 - 1100nm 2.3 Thực nghiệm ứng dụng giao thoa kế Michelson 2.3.1 Đo bƣớc sóng ánh sáng giao thoa kế Michelson a) Cơ sở lý thuyết Một laze He-Ne có bước sóng cần đo thấu kính có tiêu cự f = 5mm mở rộng chùm tia đưa vào chia 50% (BC) Chùm laser qua giao thoa kế Michelson tách thành hai chùm kính bán mạ phản xạ hai gương M1, M2 lần qua thủy tinh để tạo tượng giao thoa đằng sau Hai gương gắn chặt với hai vít Panmer tinh chỉnh khoảng cách hai gương chia cách tùy ý với độ xác đến 10-2mm Màn hình ghi nhận ảnh giao thoa hai chùm thành phần Bằng mắt thường, đếm số vạch cực đại cực tiểu vết giao thoa Hình 2.19 Sơ đồ quang học đo bước sóng giao thoa kế Michelson Theo nguyên lý hoạt động giao thoa kế: ta điều chỉnh d giảm λ/2 46 vân sáng trung tâm (θ = 0) thay đổi sáng tối m lần, đo tính giá trị d bước sóng cần đo xác định theo công thức sau [1]:  2d (cosθ = 1) m (2.26) b) Dụng cụ thí nghiệm TT Tên thiết bị Số lƣợng Thông số kỹ thuật Giao thoa kế Michelson Laser He-Ne 1,0 mW, 230 VAC Thấu kính f = 5mm Thấu kính f = 20mm Màn quan sát vân giao thoa 300mm x 300mm Giá đỡ thấu kính Giá quang học Cần xoay 1 l = 600mm 1 Hình 2.20 Bộ thí nghiệm đo bước sóng ánh sáng giao thoa kế Michelson Trường Đại học Vinh c) Các bƣớc tiến hành thí nghiệm Bước Thiết lập thí nghiệm Bước Cất thấu kính Bật đèn laser, cho chùm tia chiếu vào kính 47 bán mạ góc tới 450 Ta hai chùm tia phản xạ gương hứng Bước Điều chỉnh vít hai gương để hai điểm sáng trùng Bước Đặt thấu kính vào chùm sáng tới kính, điều chỉnh nguồn sáng tiêu điểm thấu kính để mở rộng điểm sáng thu hình ảnh giao thoa vịng tròn đồng tâm Bước Điều chỉnh thước vặn micromet, đếm số vòng sáng trung tâm biến N lần ghi lại giá trị d Bước Tiến hành lần đo tính giá trị trung bình [1] d) Kết thí nghiệm Bảng 2.3 Kết đo bước sóng ánh sáng giao thoa kế Michelson Lần đo (n) Hiệu quang trình (d [mm]) 0.0315 Số vịng sáng (N) 100 Bước sóng (λi[µm]) 0.6300 Sai số (  -λi[µm]) 0.6320-0.0020 0.0632 200 0.6320 0.6320+0.0000 0.0950 300 0.6333 0.6320+0.0013 0.1265 400 0.6325 0.6320+0.0005 0.1580 500 0.6320 0.6320+0.0000 Kết luận: λ = 0.6320  0.0008 (µm) Hình 2.21 Hình ảnh vân giao thoa qua giao thoa kế Michelson (được thực PTN Điện – Quang, Trường Đại học Vinh) 48 Để nghiệm lại kết đo bước sóng ánh sáng giao thoa kế Michelson, chúng tơi tiến hành thí nghiệm xác định bước sóng ánh sáng phương pháp giao thoa khe Young nhiễu xạ qua cách tử Với dụng cụ thí nghiệm gồm có: Laser He-Ne, phân cực phẳng Khe Young; cách tử nhiễu xạ 50 vạch/mm Giá đỡ thấu kính cần xoay Con chạy quang học Thấu kính f = 5mm Thấu kính f = 50mm Trục quang học 1m Trục quang học bổ trợ, dài 50cm Kẹp quang học 90/50 Cặp dây dẫn 100cm, xanh/đỏ + Đo bƣớc sóng ánh sáng phƣơng pháp giao thoa khe Young: Hai sóng nhiễu xạ qua hai khe giao thoa với Hình ảnh ánh sáng gồm dãy miền sáng xen kẽ với miền tối Các miền sáng tối xen kẽ gọi vân tập hợp vân gọi hình ảnh giao thoa hai khe Young Khoảng vân i (là khoảng cách hai vân sáng hai vân tối liền kề nhau) [1]: i  D a Từ ta rút được:   ia D (2.27) Các bƣớc tiến hành thí nghiệm nhƣ sau: Bước Thiết lập thí nghiệm Bước Bật đèn laser, điều chỉnh màn, khe hẹp để nhận hình ảnh giao thoa 49 Bước Điều chỉnh khe Young có độ rộng 0.15mm Tìm ảnh rõ nét Bước Dùng thước cặp xác định bề rộng giao thoa, xác định khoảng vân, từ tính bước sóng ánh sáng tới Bước Tiến hành lần đo tính giá trị trung bình bước sóng ánh sáng sai số [1] Bảng 2.4 Kết đo bước sóng ánh sáng phương pháp giao thoa khe Young Lần đo (n) Khoảng cách từ hai khe đến (D [cm]) ∆D [cm] Bề rộng Khoảng giao thoa vân (L [mm]) (i [mm]) ∆i [mm] Bước sóng (λi[µm]) 90 11.50 3.8333 0.05 0.6389 90 11.55 3.8500 0.05 0.6417 90 11.55 3.8500 0.05 0.6417 90 11.45 3.8167 0.05 0.6361 90 11.50 3.8333 0.05 0.6389 90 11.51 3.8367 0.05 0.6395 Trung bình Kết luận: λ = 0.6395  0.0006 (µm) Khe Young: a = 0.150mm; ∆a =  0.005mm; Số khoảng vân: + Đo bƣớc sóng ánh sáng phƣơng pháp nhiễu xạ qua cách tử: Cho chùm tia laser tới cách tử nhiễu xạ theo phương pháp tuyến Vì khe nguồn kết hợp ngồi tượng giao thoa khe (tất khe đóng vai trị nguồn phát sóng kết hợp) cịn có tượng nhiễu xạ khe, ảnh nhiễu xạ thu phức tạp Vì vậy, luận văn xét tượng giao thoa nhiều khe Các sóng ánh sáng pha chúng ló từ khe Để tới điểm P quan sát, sóng từ khe nằm kề quãng đường chênh lượng dsinφ 50 Nếu dsinφ số ngun lần bước sóng sóng tới pha giao thoa tăng cường P để tạo cực đại giao thoa Khi số khe cách tử đủ lớn, thực tế ta quan sát loạt vân sáng tối Càng xa vân trung tâm, vân sáng có cường độ giảm dần Vị trí vân xác định công thức: sin   k d (2.28) Từ ta xác định bước sóng λk [1]:  k  với: d chu kỳ cách tử; sin   i d sin  N (2.29) ; i D N số thứ tự vân tính từ vân trung tâm 2 Các bƣớc tiến hành thí nghiệm: Bước Thay khe Young thí nghiệm Young cách tử có số vạch 50 vạch/mm Bước Di chuyển đến vị trí cho có ảnh nhiễu xạ rõ nét Bước Dùng thước cặp đo khoảng cách từ cách tử đến khoảng vân i, từ tính sinφ bước sóng ánh sáng tới Bước Tiến hành lần đo tính giá trị trung bình bước sóng ánh sáng sai số [1] Bảng 2.5 Kết đo bước sóng ánh sáng PP nhiễu xạ qua cách tử Khoảng vân (i [mm]) Khoảng cách từ hai khe đến (D [cm]) 90 87.00 90 i Bước sóng (λi[µm]) Sai số (  -λi[µm]) 0.0962 0.6413 0.6416-0.0003 87.05 0.0963 0.6420 0.6416+0.0004 90 87.00 0.0962 0.6413 0.6416-0.0003 90 87.10 0.0963 0.6420 0.6416+0.0004 90 87.00 0.0962 0.6413 0.6416-0.0003 Lần đo (n) sin   2 i D Kết luận: λ = 0.6416  0.0003 (µm) 51 So sánh kết đo bước sóng ánh sáng giao thoa kế Michelson, phương pháp giao thoa khe Young nhiễu xạ qua cách tử: Kết đo bước sóng ánh sáng bằng: - Giao thoa kế Michelson: λ = 0.6320  0.0008 (µm) - Giao thoa khe Young: λ = 0.6395  0.0006 (µm) - Nhiễu xạ qua cách tử: λ = 0.6416  0.0003 (µm) Từ kết trên, chúng tơi nhận thấy phép đo bước sóng ánh sáng giao thoa kế Michelson cho kết gần với nguồn Laser He-Ne sử dụng thí nghiệm (cơng suất phát 1mW, bước sóng 0.6328µm ) Trong thí nghiệm sử dụng, giao thoa kế máy đo xác nhất, theo lý thuyết, phát độ biến thiên khoảng vài phần trăm bước sóng Trên thực tế thí nghiệm khẳng định điều này: kết đo bước sóng giao thoa kế Michelson xác so với phương pháp giao thoa khe Young nhiễu xạ qua cách tử Qua thực nghiệm Trường Đại học Vinh, nhận thấy kết đo bước sóng giao thoa khe Young nhiễu xạ qua cách tử có sai lệch nhiều so với sử dụng giao thoa kế nguyên nhân sau: - Sai số hệ thống dụng cụ đo gây - Sai số chủ quan việc tìm vạch thang du xích trùng với vạch thang đo chưa xác dẫn đến cách đọc số thập phân thang du xích thước kẹp chưa xác - Sai số ngẫu nhiên hạn chế khả thị giác thân 2.3.2 Đo hệ số nở nhiệt vật rắn giao thoa kế Michelson a) Cơ sở lý thuyết Một kim loại có chiều dài ban đầu l0 giãn nở đến chiều dài l lị nung thay đổi nhiệt độ từ t0 đến t Nguyên lý hoạt động giao thoa kế: chiều dài hợp kim thép tăng lên làm cho gương giao thoa kế Michelson dịch chuyển, kết 52 làm thay đổi hiệu quang trình Ta đếm số N vịng sáng bị biến tính độ biến thiên chiều dài hợp kim thép công thức sau [1]: l  l0  l  N  (2.30) Hệ số giãn nở nhiệt hợp kim thép tính theo cơng thức sau:  l l0 (t  t ) (2.31) b) Dụng cụ thí nghiệm TT Tên thiết bị Nguồn He-Ne Thanh kim loại Thông số kỹ thuật 0.7 1mW@632.8nm Hợp kim thép (chiều dài ban đầu 150mm) Dải nhiệt nung nóng 18 600C Lị nung Độ xác nguồn nung 0.10C Nguồn điện 220VAC/50Hz Số lƣợng 1 1 Hình 2.22 Hệ đo hệ số nở nhiệt vật rắn giao thoa kế Michelson Trường Đại học Vinh 53 c) Các bƣớc tiến hành thí nghiệm Bước Thiết lập thí nghiệm Bước Bật đèn laser, điều chỉnh cho chùm laser qua tiêu điểm thấu kính để mở rộng chùm tia Bước Điều chỉnh vít hai gương hai điểm sáng trùng quan sát Bước Điều chỉnh chùm tia mở rộng để đạt độ sáng tốt nhất, thu hình ảnh giao thoa vòng tròn đồng tâm quan sát Bước Bật công tắt điều khiển nhiệt độ để hiển thị nhiệt độ ban đầu, đếm số vòng sáng trung tâm biến N lần ghi lại giá trị nhiệt độ Bước Tiến hành lần đo tính giá trị trung bình [1] Hình 2.23 Hình ảnh vân giao thoa (được thực PTN Điện - Quang, Trường Đại học Vinh) d) Kết thí nghiệm Kết thí nghiệm đo hệ số nở nhiệt vật rắn giao thoa kế Michelson trình bày bảng 2.6 Theo Bảng 36.2, Sách giáo khoa Vật lí 10 giới thiệu hệ số giãn nở nhiệt 54 số chất rắn sắt, thép có hệ số giãn nở nhiệt α = 11.10 -6 (K-1) So sánh với kết thực nghiệm đo được, nhận thấy kết hoàn toàn phù hợp Bảng 2.6 Kết đo hệ số nở nhiệt hợp kim thép Số vòng Độ biến thiên Hệ số Sai số sáng chiều dài nở nhiệt (  -αi [x10-6 / 0C]) (N) (∆l [nm]) (α [x10-6 / 0C]) 30 51 16136.4 10.98 11.03-0.05 35 77 24362.8 10.97 11.03-0.06 40 104 32905.6 11.08 11.03+0.05 45 130 41132.0 11.06 11.03+0.03 50 156 49358.4 11.04 11.03+0.01 Lần đo Nhiệt độ (n) (t [ C]) Kết luận: α = 11.03  0.04 (x10-6 / 0C) Nhiệt độ ban đầu t0 = 20.20C 2.4 Kết luận chƣơng Từ sở lý thuyết giao thoa ánh sáng trình bày chương 1, chương luận văn giới thiệu số loại giao thoa kế; theo giao thoa kế phân thành loại hai nhiều chùm tia Ở đây, chúng tơi trình bày sở lý thuyết, nguyên lý hoạt động cấu tạo loại giao thoa kế, bao gồm: Giao thoa kế Michelson, giao thoa kế Mach - Zehnder, giao thoa kế Fabry - Pérot gương phủ nhiều lớp Cũng chương 2, khuôn khổ đề tài nghiên cứu tác giả tiến hành thực nghiệm số ứng dụng thực tiễn giao thoa kế Michelson Quá trình thực nghiệm tiến hành phịng thí nghiệm Điện – Quang, Trường Đại học Vinh Ở tiến hành đo bước sóng đo hệ số nở nhiệt vật rắn giao thoa kế Michelson Ở phép đo bước sóng ánh sáng, để thấy tính ưu việt (độ xác 55 phép đo) giao thoa kế, tiến hành đo bước sóng ánh sáng ba phương pháp: 1) đo giao thoa kế Michelson, 2) phương pháp giao thoa khe Young 3) nhiễu xạ qua cách tử Kết thực nghiệm thu cho phép khẳng định tính xác phép đo giao thoa kế Michelson so với phương pháp khác mà tác giả tiến hành Ở phép đo hệ số nở nhiệt vật rắn (thanh thép), so sánh với kết thực nghiệm với số liệu công bố, chúng tơi nhận thấy kết hồn tồn phù hợp (hệ số giãn nở nhiệt thép α = 11.10-6K-1) Điều lần khẳng định tính xác giao thoa kế trình thực phép đo 56 KẾT LUẬN CHUNG Đề tài “Một số loại giao thoa kế ứng dụng” thực hoàn thành Trường Đại học Vinh Với cấu trúc nội dung gồm chương, luận văn trình bày sở lý thuyết giao thoa ánh sáng Cụ thể, luận văn trình bày lý thuyết hàm số sóng, cường độ sáng; lý thuyết nguồn ánh sáng kết hợp, lý thuyết giao thoa nguồn điểm Thơng qua việc trình bày số ứng dụng tượng giao thoa ánh sáng (khử phản xạ mặt kính, kiểm tra mặt kính phẳng lồi, đo độ biến thiên nhỏ chiều dày, đo chiết suất chất lỏng chất khí, đo chiều dài, ) luận văn giới thiệu số loại giao thoa kế (loại hai chùm tia loại nhiều chùm tia) ứng dụng Để cụ thể ứng dụng giao thoa kế, tiến hành thực nghiệm ứng dụng giao thoa kế phịng thí nghiệm Điện – Quang, Trường Đại học Vinh Ở tiến hành đo bước sóng đo hệ số nở nhiệt vật rắn giao thoa kế Michelson Kết thí nghiệm cho phép khẳng định tính xác giao thoa kế q trình thực phép đo Bản thân tác giả giáo viên vật lí trực tiếp dạy học vật lí trường THPT, thơng qua đề tài nghiên cứu tác giả hiểu biết rộng hơn, sâu sắc tượng giao thoa ánh sáng; đồng thời nâng cao kỹ thực hành thí nghiệm Kết nghiên cứu hy vọng tài liệu hữu ích giao thoa ánh sáng, số loại giao thoa kế cho đồng nghiệp cho quan tâm 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Huy Bằng, Bùi Đình Thuận, Phan Văn Thuận (2015), Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm Điện - Quang, Trường Đại học Vinh [2] Trần Ngọc Hợi (Chủ biên) (2006), Phạm Văn Thiều, Vật lí đại cương - Các nguyên lý ứng dụng, Tập 3: Quang học Vật lí lượng tử, NXB GD [3] Huỳnh Huệ (1995), Quang học, NXB Giáo dục [4] Mai Văn Lưu, Hồ Quang Quý (2016), “Quang phổ laser”, NXB Giáo dục [5] Chu Duy Thắng (2013), “Một số ứng dụng giao thoa kế Michelson”, Luận văn Thạc sĩ Vật lí, Trường Đại học Vinh [6] Dr W Luhs, Michelson Interferometer, MEOS GmbH 79427 Eschbach July 1995, revised February 2000/ July 2003 58 PHỤ LỤC Một số hình ảnh thực thí nghiệm PTN Điện – Quang Trường Đại học Vinh Hình P.1 Hệ đo bước sóng ánh sáng (1) hình ảnh vân giao thoa (2) thu phương pháp giao thoa Young Hình P.2 Ảnh hệ đo bước sóng ánh sáng (1) hình ảnh vân giao thoa (2) thu phương pháp nhiễu xạ qua cách tử Hình P.3 Hình ảnh tác giả tiến hành thí nghiệm PTN Điện – Quang, Trường Đại học Vinh, tháng 3/2017 ... chương 28 Chƣơng MỘT SỐ LOẠI GIAO THOA KẾ VÀ ỨNG DỤNG 29 2.1 Giao thoa kế hai chùm tia 29 2.1.1 Giao thoa kế Michelson 29 2.1.2 Giao thoa kế Mach – Zehnder 33 2.2 Giao thoa kế nhiều chùm tia... 29 Chƣơng MỘT SỐ LOẠI GIAO THOA KẾ VÀ ỨNG DỤNG 2.1 Giao thoa kế hai chùm tia 2.1.1 Giao thoa kế Michelson Cấu hình giao thoa kế Michelson trình bày hình 2.1, M1 M2 hai gương có hệ số phản xạ... ảnh giao thoa đầu giao thoa kế Giao thoa kế phát độ biến thiên chừng vài phần trăm bước sóng Vì giao thoa kế máy đo xác phép đo phương pháp giao thoa ánh sáng phép đo xác Nhờ có giao thoa kế mà