Thiết kế thí nghiệm phân cực ánh sáng cho học sinh trung học phổ thông

1 MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Phân cực ánh sáng tượng vật lí thể tính chất sóng ánh sáng Tuy nhiên chương trình giảng dạy phổ thơng tượng chưa trọng Và nói tới chất sóng ánh sáng phần lớn người nghĩ đến hai tượng: giao thoa, nhiễu xạ Ít nghĩ tượng phân cực cho phép giải thích cách dễ dàng: ánh sáng có chất sóng ngang Ở chương trình đại học ngun lí vật lí tượng đề cập kĩ sách chuyên ngành [1,2] vai trò tượng ứng dụng thực tiễn đề cập, khơng nhắc tới ứng dụng phong phú, từ vật dụng thường ngày: hình chóng chói, kính râm, kính xem phim 3D… đến vấn đề cơng nghệ đại: kính hiển vi phân cực, van khóa quang học… Ngay hướng dẫn thực hành dành cho sinh viên chuyên ngành vật lý trường đại học miền Nam (Đại học Sài Gịn, Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Cần Thơ, … ) nội dung phân cực ánh sáng tình trạng chưa có dừng lại mức độ thô sơ: kiểm chứng định luật Malus hay đo độ phân cực nguồn sáng Chưa có sở đào tạo trang bị thí nghiệm phức hợp ln việc kiểm soát phương lẫn thay đổi trạng thái phân cực ánh sáng Để bổ sung cho thiếu sót giúp thân học sinh rèn luyện kĩ quan trọng người học vật lí khả vận dụng kiến thức hàn lâm vào thực tế, nên đề tài nghiên cứu tập trung vào vấn đề thiết kế thí nghiệm phân cực ánh sáng cho học sinh trung học phổ thông Nội dung luận văn viết thành hai phần Tổng quan tượng phân cực ánh sáng sở lí thuyết ứng dụng ánh sáng phân cực tóm tắt phần thứ Cịn phần hai trình bày thiết kế thí nghiệm phân cực ánh sáng cho học sinh trung học phổ thông, chia thành cơng việc sau: 1) cấu trúc thí nghiệm; 2) nội dung thí nghiệm; 3) đánh giá kết đo từ thí nghiệm Tơi hy vọng đề tài góp phần phổ biến kiến thức tượng phân cực ánh sáng lợi sư phạm tượng phân cực ánh sáng giảng dạy lý thuyết sóng ánh sáng cho học sinh trung học phổ thơng MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI - Thiết kế thí nghiệm phân cực ánh sáng ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU a Đối tượng nghiên cứu đề tài: - Hiện tượng phân cực ánh sáng b Phạm vi nghiên cứu: - Các kiến thức phân cực ánh sáng phương án thực nghiệm cho phép quan sát tượng NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU - Tổng hợp kiến thức phân cực ánh sáng - Tìm hiểu linh kiện quang học cho phép kiểm soát tính phân cực ánh sáng: kính phân tích, kính trễ pha, mơi trường lưỡng chiết - Thiết kế thí nghiệm phân cực ánh sáng ứng với nội dung kiến thức cần truyền tải - Làm thí nghiệm đánh giá kết PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Tổng hợp kiến thức qua tài liệu khoa học - Thiết kế mơ hình thí nghiệm dựa sở lý thuyết phân cực ánh sáng thông số kĩ thuật linh kiện - Đo đạt lấy số liệu từ vẽ đồ thị so sánh lí thuyết thực nghiệm CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 1.1 KHÁI NIỆM PHÂN CỰC ÁNH SÁNG Như biết ánh sáng phát từ nguồn sáng thông thường kết xạ vô số nguyên tử chứa nguồn Các xạ khơng liên tục mà dạng đồn sóng nối tiếp Mỗi đồn sóng ⃗ sóng ngang, tức phương dao động véc tơ cường độ điện trường ⃗𝑬 vng góc với phương truyền sóng, tạo thành mặt phẳng xác định Trường hợp sóng tạo nguyên tử cố định Tuy nhiên, thực tế nguồn sáng kể nguồn có kích thước nhỏ chứa tập hợp vô số nguyên tử Đồng thời nguyên tử không đứng yên mà chuyển ⃗ ánh sáng động hỗn loạn khơng ngừng, véc tơ cường độ điện trường ⃗𝑬 phát dao động theo phương mặt phẳng vng góc với phương truyền Ánh sáng có tính chất gọi ánh sáng tự nhiên.[2] Thực nghiệm chứng tỏ rằng, cho ánh sáng tự nhiên qua môi trường dị hướng quang học( tinh thể Turmalin - silicoborat alumium, tinh thể đá Băng lan - CaCO3 hình thoi sáu mặt, tinh thể thạch anh ) điều kiện định đó, tác động mơi trường lên ánh sáng làm cho 𝐸⃗ dao động theo phương định Như vậy, ánh sáng véc tơ cường độ điện trường 𝐸⃗ dao động theo phương xác định gọi ánh sáng phân cực thẳng hay ánh sáng phân cực tồn phần Ngồi cịn có trường hợp, tác dụng môi trường lên ánh sáng tự nhiên làm cho véc tơ cường độ điện trường 𝐸⃗ dao động theo phương vng góc với tia sáng có phương dao động mạnh, có phương dao động yếu, ta gọi ánh sáng phân cực phần Tóm lại, ánh sáng có véc tơ cường độ điện trường 𝐸⃗ dao động theo phương vng góc với tia sáng, có phương dao động mạnh yếu khác nhau, gọi ánh sáng phân cực phần, hình 1.1 Hình 1.1 Sơ đồ biểu diễn ánh sáng tự nhiên, phân cực toàn phần, phân cực phần [2] 1.2 TẠO ÁNH SÁNG PHÂN CỰC Khi ánh sáng thực trình phản xạ tán xạ, có xu hướng trở thành phân cực, q trình dùng để tạo ánh sáng phân cực Các trình cụ thể mà ta trình bày là: hấp thụ chọn lọc, phản xạ truyền qua, lưỡng chiết, tán xạ 1.2.1 Định luật Malus Để thu ánh sáng qua T1 ánh sáng phân cực toàn phần, người ta đặt sau T1 T2 giống hệt T1, có quang trục 2 hợp với 1 góc  Bản T1 chuyển đổi ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng phân cực nên gọi phân cực ánh sáng - Bản P (Polaroit) Bản T2 phân tích cho biết ánh sáng truyền tới ánh sáng tự nhiên hay phân cực (bằng cách nghiên cứu cường độ ánh sáng truyền qua nó) gọi phân tích ánh sáng - Bản A (Analyse), hình ⃗ dao động theo phương 𝐄 ⃗ 2y // 2 [1,2] 1.2 Ánh sáng sau qua T2 có 𝐄 Hình 1.2 Sơ đồ biểu diễn định luật Malus [1] Gọi a1 biên độ dao động sáng 𝐸⃗ 1y a2 biên độ dao động 𝐸⃗ 2y ta có: 𝑎2 = 𝑎1 cos 𝛼 (1.1) Do cường độ sáng tỉ lệ với bình phương biên độ nên ta được: 𝐼2 = 𝑎22 = 𝑎12 𝑐𝑜𝑠 𝛼 Hay 𝐼2 = 𝐼1 𝑐𝑜𝑠 𝛼 (1.2) Công thức (1.2) công thức định luật Malus Thông qua công thức cho thấy, ta giữ cố định T1 quay T2 xung quanh tia sáng cường độ ánh sáng I2 sau T2 thay đổi phụ thuộc vào cos2 Đặc biệt, nếu: -  = 0, nghĩa 1 //2 I2max = I1 Sau T2 thấy sáng -  = 900, nghĩa 1  2 I2min = Sau T2 thấy tối hoàn toàn Trường hợp gọi hai Tl T2 bắt chéo 1.2.2 Tạo ánh sáng phân cực hấp thụ chọn lọc (hay tính lưỡng hướng sắc) Phương pháp chung để tạo ánh sáng phân cực dùng polaroit hay tuamalin Polaroit hay tuamalin loại vật liệu lưỡng hướng sắc Những hoạt động theo chế hấp thụ chọn lọc Tức cho phép ánh sáng có mặt phẳng phân cực song song với hướng đặc biệt vật liệu qua hấp thụ mạnh ánh sáng có mặt phân cực vng góc với hướng Hướng đặc biệt ứng với số định hướng phân tử hay tinh thể gọi quang trục Hình 1.2 ví dụ cho thấy tác dụng vật liệu lưỡng hướng sắc Khi cho tia sáng tự nhiên chiếu vng góc với mặt bên T Các 𝐸⃗ dao động theo phương xung quanh tia sáng vuông góc với tia sáng Những 𝐸⃗ dao động theo phương song song với 1 qua hồn tồn T1 Những 𝐸⃗ làm với 1 góc ta phân tích làm hai thành phần: thành phần 1 // 𝐸⃗ 1y qua T1, thành phần 𝐸⃗ 1x 1 bị T1 hấp thụ hết nên khơng qua Kết là, phía sau T1 ta nhận ánh sáng có 𝐸⃗ dao động theo phương 1, nghĩa nhận ánh sáng phân cực tồn phần Một cách trung bình, cường độ I1 ánh sáng phân cực tồn phần phía sau T1 cường độ I0 ánh sáng tự nhiên phía trước T1: I1 = Io Hình 1.3 Sơ đồ ánh sáng bị phân cực toàn phần truyền qua Tuamalin [2] 1.2.3 Phân cực phản xạ truyền qua Phân cực ánh sáng xảy ánh sáng tự nhiên phản xạ khúc xạ mặt phân cách hai môi trường Xét cụ thể chùm ánh sáng khơng (1.3) khí tới mặt thủy tinh, hình 1.4 Trừ vài góc đặc biệt hai chùm phản xạ khúc xạ bị phân cực phần Cịn chùm ánh sáng tới vng góc với mặt phân cách ( i=0) chùm ánh sáng là bề mặt ( i=900), ánh sáng phản xạ khơng bị phân cực Vậy góc tới nằm khoảng hai giá trị giới hạn này, chùm khúc xạ bị phân cực phần Đối với chùm phản xạ bị phân cực phần tất góc trừ góc đặc biệt gọi góc phân cực iB Xét trường hợp i = iB chùm phản xạ bị phân cực tồn phần với mặt phẳng phân cực vng góc với mặt phẳng tới Như điện trường chùm phản xạ dao động song song với bề mặt phản xạ Cịn góc khác i B, chùm phản xạ bị phân cực phần vuông góc với mặt phẳng tới Và i = iB, thực nghiệm cho thấy chùm tia phản xạ khúc xạ vng góc với Do ta có: tan 𝑖𝐵 = sin 𝑖𝐵 cos 𝑖𝐵 = 𝑛2 𝑛1 (1.4) Mà ánh sáng phản xạ phân cực hoàn toàn theo định luật khúc xạ ánh sáng ta có: sin 𝑖𝐵 sin 𝑟 = 𝑛2 𝑛1 (1.5) Từ (1.4) (1.5), ta rút được: sin 𝑟 = cos 𝑖𝐵 (1.6) Do iB + r = 900, nghĩa tia khúc xạ tia phản xạ hợp với góc 900 Hình 1.4 Tia phản xạ bị phân cực toàn phần, tia khúc xạ bị phân cực phần [2] 1.2.4 Phân cực tán xạ Ánh sáng truyền đến từ bầu trời ánh sáng mặt trời bị tán xạ phân tử khí khí Khi ánh sáng bị tán xạ theo nhiều phương, đặc biệt với phương vng góc với phương truyền ban đầu ánh sáng bị phân cực tồn phần Hình 1.5 mơ tả chi tiết tượng này, ánh sáng truyền tới phân tử nước ánh sáng tự nhiên, bị tán xạ, có tia sáng có phương vng góc với phương truyền ban đầu ánh sáng phân cực tồn phần, cịn tia sáng truyền theo phương cũ trở thành ánh sáng phân cực phần [2] 10 Hình 1.5 Sơ đồ biểu diễn ánh sáng bị phân cực tán xạ [2] 1.2.5 Phân cực môi trường lưỡng chiết Dựa vào phân bố chiết suất tinh thể theo hướng khác mà người ta chia tinh thể phi tuyến thành hai loại: tinh thể lưỡng chiết (tinh thể đơn trục) tinh thể lưỡng trục Tinh thể đơn trục tinh thể có quang trục, tức có phương mà tia sáng truyền qua phương khơng bị tách thành hai Đá băng lan, thạch anh, nước đá,…là ví dụ cho tinh thể lưỡng chiết [1,2] Xét trường hợp tinh thể lưỡng chiết Chiếu tia sáng tự nhiên vào tinh thể, đá băng lan, thạch anh,…thì sau qua tinh thể tia sáng bị tách thành hai tia Hiện tượng gọi tượng lưỡng chiết tượng thể tính bất đẳng hướng tinh thể mặt quang học Cụ thể tinh thể băng lan, chiếu tia sáng tự nhiên thẳng góc vào tinh thể, tia sáng bị tách thành hai tia Một tia truyền thẳng (tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng) gọi tia thường Tia thứ hai bị lệch khỏi phương truyền ban đầu (không tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng) gọi tia bất thường Sau khỏi tinh thể hai tia song song với song song 31 - Điều chỉnh cho ánh sáng laser chiếu vào kính phân cực chiếu vào photodiode.Trường hợp ánh sáng vào photodiode mạnh, photodiode trở nên không nhạy cường độ ánh sáng thay đổi nhỏ số đồng hồ đo không thay đổi Khi ta nói photodiode bị bão hịa Để tránh trường hợp photodiode bị bão hịa, chúng tơi sử dụng lọc sáng trung hòa để giảm cường độ sáng chùm laser - Mở màng chắn mống mắt vị trí lớn - Đặt kính phân cực vị trí 0o Lần lượt xoay kính phân tích từ 0o đến 360o - Với giá trị góc, ghi giá trị đồng hồ đo vào bảng số liệu 2.2.2 Kiểm soát phương phân cực ánh sáng nửa sóng Nhiệm vụ: Trong thí nghiệm này, ta tiến hành kiểm chứng thay đổi phương phân cực ánh sáng xoay 𝜆/2 Phép đo thực với vị trí 𝜆/2 thêm vào đặt nằm trước kính phân tích Tiến hành: Hình 2.8 Sơ đồ thí nghiệm kiểm sốt phương phân cực ánh sáng nửa sóng (1): Kính lọc sáng; (2): Đầu hội tụ; (3): Kính phân cực; (4): Bản nửa sóng 𝜆/2; (5): Kính phân tích - Lắp đặt thí nghiệm sơ đồ hình 2.8 32 - Đầu tiên điều chỉnh tia sáng để đầu thu nhận ánh sáng - Tại vị trí kính phân cực 00, sau quay kính phân tích ánh sáng lan truyền đến đạt cường độ cực tiểu - Đặt 𝜆/2 khoảng kính phân cực kính phân tích quay 𝜆/2 để ánh sáng qua kính phân tích đạt cường độ cực tiểu - Phân cực thẳng ánh sáng xuất từ kính phân cực 00 900 so với trục quang học 𝜆/2 - Quay kính phân tích từ -900 đến 900 để tìm giá trị max, cường độ sáng qua kính phân tích - Sau tiếp tục quay 𝜆/2 đến góc 300, 450, 600 Đo cường độ ánh sáng quay kính phân tích từ -900 đến 900 tương ứng với góc quay 𝜆/2 Ghi nhận lại kết vừa đo Chú ý: Ở thí nghiệm này, ta thay nửa bước sóng thành hai phần tư bước sóng hướng 2.2.3 Kiểm sốt trạng thái phân cực ánh sáng phần tư sóng Nhiệm vụ: kiểm chứng khả chuyển đổi trạng thái phân cực thẳng thành phân cực tròn phân cực elip xoay 𝜆/4 Phép đo thực vị trí 𝜆/4 nằm trước kính phân tích Tiến hành: 33 Hình 2.9 Sơ đồ thí nghiệm kiểm sốt trạng thái phân cực ánh sáng phần tư sóng (1): Kính lọc sáng; (2): Đầu hội tụ; (3): Kính phân cực; (4): Bản phần tư sóng 𝜆/4; (5): Kính phân tích - Lắp đặt thí nghiệm sơ đồ hình 2.9 - Đầu tiên điều chỉnh tia sáng để đầu thu nhận ánh sáng - Tại vị trí kính phân cực 00, sau quay kính phân tích ánh sáng lan truyền đến đạt cường độ cực tiểu - Đặt 𝜆/4 khoảng kính phân cực kính phân tích quay 𝜆/4 để ánh sáng qua kính phân tích đạt cường độ cực tiểu - Phân cực thẳng ánh sáng xuất từ kính phân cực 00 900 so với trục quang học 𝜆/4 - Quay kính phân tích từ -900 đến 900 để tìm giá trị max, cường độ sáng qua kính phân tích - Sau tiếp tục quay 𝜆/4 đến góc 300, 450, 600 Đo cường độ ánh sáng quay kính phân tích từ -900 đến 900 tương ứng với góc quay 𝜆/4 Ghi nhận lại kết vừa đo 2.3 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐO ĐƯỢC TỪ CÁC THÍ NGHIỆM 2.3.1 Kết đo độ phân cực Kết quả: Thực nghiệm nội dung thí nghiệm thứ sở đánh giá tính chất phân cực nguồn sáng, kiểm chứng lại định luật Malus chứng minh chất sóng ánh sáng sóng ngang - Với giá trị góc, đọc giá trị cường độ sáng thu vào bảng sau: 𝛼 cos 𝛼 𝑐𝑜𝑠 𝛼 I(mA) 𝐼0 𝑐𝑜𝑠 𝛼 (𝑚𝐴) I/I0 34 1 0,174 0,174 10 0,984 0,97 0,159 0,169 0,97 20 0,939 0,833 0,153 0,154 0,89 30 0,866 0,75 0,142 0,131 0,75 40 0,766 0,586 0,125 0,102 0,59 50 0,642 0,413 0,105 0,072 0,41 60 0,50 0,25 0,086 0,044 0,25 70 0,342 0,167 0,065 0,020 0,11 80 0,173 0,030 0,050 0,005 0,03 90 0 0,043 0 100 -0,173 0,03 0,045 0,005 0,03 110 -0,342 0,167 0,061 0,020 0,11 120 -0,5 0,25 0,072 0,044 0,25 130 -0,642 0,413 0,090 0,072 0,41 140 -0,766 0,586 0,112 0,102 0,59 150 -0,866 0,75 0,130 0,131 0,75 160 -0,939 0,833 0,145 0,154 0,89 170 -0,984 0,97 0,156 0,169 0,97 180 -1 0,162 0,174 35 190 -0,984 0,97 0,159 0,169 0,97 200 -0,939 0,883 0,152 0,154 0,89 210 -0,866 0,75 0,142 0,131 0,75 220 -0,766 0,586 0,125 0,102 0,59 230 -0,642 0,413 0,105 0,072 0,41 240 -0,5 0,25 0,086 0,044 0,25 250 -0,342 0,167 0,065 0,020 0,11 260 -0,173 0,03 0,051 0,005 0,03 270 0 0,041 0 280 0,173 0,03 0,043 0,005 0,03 290 0,342 0,167 0,058 0,020 0,11 300 0,5 0,25 0,070 0,044 0,25 310 0,642 0,413 0,089 0,072 0,41 320 0,766 0,586 0,113 0,102 0,59 330 0,866 0,75 0,128 0,131 0,75 340 0,939 0,883 0,143 0,154 0,89 350 0,984 0,97 0,155 0,169 0,97 360 1,000 0,160 0,174 36 Bảng 2.1 Kết đo cường độ sáng góc phân cực khác - Xử lí số liệu đồ thị Lý thuyết Thực nghiệm Cường độ T hực nghiệm Góc phân cực (Độ) Hình 2.10 Kết kiểm chứng định luật Malus - Nhận xét + Đường thực nghiệm đường cong có dạng y = cos2𝛼, phù hợp với đường cong lý thuyết Rõ ràng,  = cos  = : cường độ sáng sau kính phân cực đạt cực đại I1max= I0 chứng tỏ ánh sáng truyền qua kính phân cực thứ hai (kính phân tích); cịn  = 900 cos  = : cường độ sáng sau kính phân cực cực tiểu I1min= 0, khơng có ánh sáng lan truyền qua kính phân tích 37 + Định luật Malus nghiệm Tuy nhiên có số điểm có giá trị khơng thật xác với lý thuyết - Nguyên nhân: Mạng điện dao động làm thông lượng sáng tới photodiode bị biến đổi Đồng thời ảnh hưởng ánh sáng mơi trường xung quanh lên phép đo, góc quay khơng xác Bên cạnh kính phân cực chế tạo khơng hồn tồn điểm kính - Sai số: Trong thí nghiệm chúng tơi tiến hành nhiều lần thu nhiều bảng số liệu khác Căn số liệu thu từ nhiều lần thí nghiệm đó, chúng tơi đánh giá sai số phép đo, sai số dao động khoảng 3% đến 5% 2.3.2 Kết kiểm soát phương phân cực ánh sáng nửa bước sóng λ/2 Thơng qua thí nghiệm ta thu bảng số liệu sau: Vị trí 𝜙 300 450 600 𝛼⁄độ 𝐼 ⁄𝜇𝐴 𝐼 ⁄𝜇𝐴 𝐼 ⁄𝜇𝐴 -90 0,0 71,9 56,0 -80 3,5 69,0 45,6 -70 11,5 63,5 31,7 -60 23,4 53,0 19,5 -50 35,6 42,5 9,6 -40 48,6 29,5 2,5 38 -30 60,5 17,9 -20 70,0 8,0 2,3 -10 74,5 2,0 8,5 75,0 0,0 18,8 10 72,0 2,8 30,8 20 65,0 9,5 43,2 30 53,6 18,9 55,4 40 40,7 30,9 64,5 50 28,5 44,0 71,0 60 16,5 54,9 72,6 70 6,8 63,8 70,5 80 1,5 69,5 64,6 90 0,2 71,5 55,0 Bảng 2.2 Cường độ ánh sáng ứng với góc 𝜙 khác 𝜆⁄2 39 Phân cực Bản nửa bước sóng Cường độ Định luật Malus Góc phân cực (Độ) Hình 2.11 Kết kiểm chứng định luật Malus đánh giá khả xoay phương phân cực nửa bước sóng Nhận xét: Ánh sáng qua nửa sóng tạo ánh sáng phân cực thẳng Với vị trí góc 𝜙 khác nửa bước sóng ta tìm giá trị max, cường độ sáng quay kính phân tích Giá trị max không thay đổi trường hợp Phân tích: Bản nửa bước sóng có tác dụng làm trễ pha thành phần phân cực dọc theo trục chậm Ex với thành phần phân cực dọc theo trục nhanh Ey góc 1800, tức Ex Ey ngược pha Khi vị trí nửa bước sóng thay đổi góc 450 phân cực thẳng ánh sáng thay đổi vị trí góc 900 Sai số: Trong thí nghiệm chúng tơi tiến hành nhiều lần thu nhiều bảng số liệu khác Căn số liệu thu từ nhiều lần thí 40 nghiệm đó, chúng tơi đánh giá sai số phép đo, sai số dao động khoảng 3% đến 5% 2.3.3 Kết kiểm soát trạng thái phân cực ánh sáng phần tư bước sóng 𝛌⁄𝟒 Phân tích: Khi ánh sáng phân cực thẳng qua phần tư bước sóng véc tơ E tách thành hai thành phần E nhanh E chậm, hai thành phần bắc chéo E0 biên độ véc tơ cường độ điện trường từ phân cực 𝜙 góc hướng phân cực P trục quang học tinh thể lưỡng chiết Tia thường Quang trục Tia bất thường Hình 2.12 Phân cực ánh sáng qua 𝜆⁄4 Biên độ hai thành phần tia thường tia dị thường mô tả sau: E1(t) = E0(t) sin 𝜙 (2.5) E2(t) = E0(t) cos 𝜙 (2.6) 41 Tại thời điểm t, trạng thái dao động hai tia qua tinh thể lưỡng chiết ta được: E1(t) = E0(t) sin 𝜙 sin𝜔𝑡 (2.7) E2(t) = E0(t) cos 𝜙 sin𝜔𝑡 (2.8) Khi qua phần tư bước sóng có bề dày: d= 𝜆 (2.9) 𝑛𝑜 −𝑛𝑒 với n0 chiết suất tia thường ne chiết suất tia bất thường tinh thể Thì véc tơ cường độ điện trường truyền theo hai hướng x, y biểu diễn phương trình sau: 𝐸𝑥 = 𝐸1 = 𝐸0 sin 𝜙 𝑠𝑖𝑛𝜔𝑡 (2.10) 𝐸𝑦 = 𝐸2 = 𝐸0 cos 𝜙 cos 𝜔𝑡 (2.11) Với góc 𝜙 =00 𝜙 =900, ánh sáng tồn dạng phân cực thẳng với cường độ I=I0∼ 𝐸02 Trường hợp góc 450, sin 𝜙 = cos 𝜙 = quay biểu diễn sau: 𝐸 = √𝐸𝑥2 + 𝐸𝑦2 = trịn có cường độ 𝐼 = 𝐼0 ~ 𝐸02 𝐸0 √2 , véc tơ E , ánh sáng phân cực √2 lan truyền mà không bị suy hao cường độ tất vị trí phân cực Đối với góc 𝜙 khác 00, 450, 900, ánh sáng lan truyền phân cực elip Đỉnh véc tơ quay E trục song song để mô tả hướng lan truyền hình elip với trục tương ứng 𝐸𝑎 = 𝐸0 𝑠𝑖𝑛𝜙 (trục x) (2.12) 𝐸𝑏 = 𝐸0 𝑐𝑜𝑠𝜙 (trục y) (2.13) Cường độ ánh sáng lan truyền qua kính phân tích theo hướng phản xạ, ta được: 𝐼𝑎 ~𝐸𝑎2 = 𝐸02 𝑠𝑖𝑛2 𝜙 (2.14) 42 𝐼𝑏 ~𝐸𝑏2 = 𝐸02 𝑐𝑜𝑠 𝜙 (2.15) Quay kính phân cực, ta lập tỉ số cường độ ánh sáng cực đại với cực tiểu: 𝐼𝑎 𝐼𝑏 = 𝐸𝑎2 𝐸𝑏2 = 𝑠𝑖𝑛2 𝜙 𝑐𝑜𝑠2 𝜙 = 𝑡𝑎𝑛2 𝜙 (2.16) Trường hợp tổng quát với góc 𝜙 kính phân tích trục quang học phần tư bước sóng (ví dụ góc 300, 600), ta có: 𝐼~𝐸02 𝑐𝑜𝑠 𝜙 𝑐𝑜𝑠 𝜑 + 𝐸02 𝑠𝑖𝑛2 𝜙 𝑠𝑖𝑛2 𝜑 (2.17) 43 Kết luận chương Trong nội dung thứ hai, chúng tơi trình bày cách chi tiết thí nghiệm kiểm sốt tính chất phân cực ánh sáng như: đo độ phân cực, kiểm soát phương thay đổi trạng thái phân cực cách giới thiệu dụng cụ thí nghiệm, đưa cách bố trí cấu hình thí nghiệm trình tự bước tiến hành thí nghiệm, đo đạt lấy số liệu, từ đánh giá kết thí nghiệm đo từ thực nghiệm so với lí thuyết nhằm tăng thêm tính thuyết phục cho luận văn Từ đưa kết phân tích trường hợp đặc biệt 44 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Luận văn tốt nghiệp có đóng góp đáng kể vào việc làm sáng tỏ tượng phân cực ánh sáng Cùng với trình chúng tơi trình bày thí nghiệm khảo sát tính chất phân cực ánh sáng nhằm phát triển phương tiện dạy học thực nghiệm Qua thí nghiệm giúp người học quan sát tượng phân cực ánh sáng, chứng minh chất sóng ngang ánh sáng, nắm kỹ thực nghiệm phát triển ứng dụng Ngồi kết triển khai thực tế cho thấy thí nghiệm dễ xây dựng, dễ thao tác tạo hứng thú cho người học Cho nên kết nghiên cứu cần mở rộng thực trường trung học phổ thông Trong nội dung luận văn chúng tơi chưa đưa vào thí nghiệm nội dung phức tạp làm quay mặt phẳng phân cực điện trường hay tạo hiệu ứng 3D Chính cần tiếp tục nghiên cứu để tiếp tục phát triển thí nghiệm ngày hồn thiện 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO - Tài liệu tiếng Việt [1] Lương Duyên Bình (Chủ biên), Vật lý đại cương, tập phần 1, Nhà xuất Giáo dục, 2004 [2] Trần Ngọc Hợi (Chủ biên), Phạm Văn Thiều, Vật lý đại cương - Các nguyên lý ứng dụng, tập 3, Nhà xuất Giáo dục, 2006 [3] Lê Công Nhân, Laser kĩ thuật đo quang phổ, Tài liệu tham khảo, 2012 - Tài liệu tiếng Anh [4] A M Shuvaev, G V Astakhov, A Pimenov, C Brüne, H Buhmann, and L W Molenkamp; Giant Magneto-Optical Faraday Effect in HgTe Thin Films in the Terahertz Spectral Range, Phys Rev Lett 106, 107404 (2011) [5] D.J.R Cristaldi, S Pennisi, F Pulvirenti, "Liquid Crystal Display Drivers - Techniques and Circuits", Springer, Mar., 2009 [6] Hugen Yan, Xuesong Li, Bhupesh Chandra, George Tulevski, Marcus Freitag, Wenjuan Zhu, Phaedon Avouris& Fengnian Xia, Tunable infrared plasmonic devices using graphene/insulator stacks, Nature Nanotechnology 7, 330–334 (2012) [7] Ian Delaney, Clear, black and super bright, 2012 [8] Iris Crassee, Julien Levallois, Andrew L Walter, Markus Ostler, Aaron Bostwick, Eli Rotenberg, Thomas Seyller, Dirk van der Marel& Alexey B Kuzmenko, Giant Faraday rotation in single- and multilayer grapheme, Nature Physics 7, 48–51 (2011) ... trình bày thiết kế thí nghiệm phân cực ánh sáng cho học sinh trung học phổ thông, chia thành cơng việc sau: 1) cấu trúc thí nghiệm; 2) nội dung thí nghiệm; 3) ? ?ánh giá kết đo từ thí nghiệm Tơi... phân cực Bên cạnh chúng tơi tìm hiểu ứng dụng phân cực ánh sáng đời sống sinh hoạt công nghệ quang học đại, nghiên cứu khoa học 23 CHƯƠNG THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM PHÂN CỰC ÁNH SÁNG CHO HỌC SINH TRUNG. .. phần phổ biến kiến thức tượng phân cực ánh sáng lợi sư phạm tượng phân cực ánh sáng giảng dạy lý thuyết sóng ánh sáng cho học sinh trung học phổ thơng MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI - Thiết kế thí