Xây dựng bộ thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng bằng xung laser cho học sinh thpt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN HỒNG NAM XÂY DỰNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐO VẬN TỐC ÁNH SÁNG BẰNG XUNG LASER CHO HỌC SINH THPT LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Nghệ An, 4/2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN HỒNG NAM XÂY DỰNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐO VẬN TỐC ÁNH SÁNG BẰNG XUNG LASER CHO HỌC SINH THPT Chuyên ngành : Quang học Mã số : 60.44.01.09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN HUY BẰNG Nghệ An, 4/2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tơi Các số liệu tham khảo trích dẫn từ nguồn đáng tin cậy phần trích dẫn tài liệu Kết nghiên cứu luận văn trung thực xác Tháng năm 2016 Tác giả luận văn Nguyễn Hồng Nam LỜI CẢM ƠN Nhằm đáp ứng nhu cầu nâng cao hiểu biết trình độ chun mơn, tơi đăng ký theo học khoá đào tạo Cao học đại học Vinh, khoá 22 (2014 – 2016), ngành Vật Lý, chuyên ngành Quang Học đại học Vinh tổ chức sở liên kết đại học Sài Gòn Trong suốt q trình học tập, ngồi cố gắng thân, nhận hướng dẫn tận tình, chu đáo thầy dạy môn thuộc khoa Vật Lý-Công Nghệ, trường đại học Vinh ; hỗ trợ,chia sẻ kiến thức, kinh nghiệm bạn bè khoá hỗ trợ mặt sở vật chất trường đại học Sài Gịn; hỗ trợ tận tình nhiều mặt NCS Phan Văn Thuận Xin chân thành cảm ơn bạn lớp Cao học Lý K22 đại học Vinh trình học tận tình chia sẻ kiến thức, kinh nghiệm suốt trình học tập Xin chân thành cảm ơn hỗ trợ tận tình NCS Phan Văn Thuận, đại học Vinh Đặc biệt, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Huy Bằng, người trực tiếp hướng dẫn, người tạo điều kiện thuận lợi để tơi có hỗ trợ cần thiết, từ tơi thuận lợi hoàn thành đề tài tốt nghiệp Xin chân thành cảm ơn Thầy Cơ giáo – người trực tiếp giảng dạy truyền thụ kiến thức cho thời gian qua Cuối cùng, lần nữa, xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo, quan , đơn vị cá nhân giúp đỡ tơi q trình học tập thực luận văn tốt nghiệp Xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cảm ơn Mục lục Danh mục hình MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu đề tài 3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu: 4 Nhiệm vụ nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu NỘI DUNG Chương TỔNG QUAN VỀ CÁC PHÉP ĐO VẬN TỐC ÁNH SÁNG 1.1 Các thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng tiêu biểu 1.1.1 Thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng Ole Roemer năm 1676 1.1.2 Thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng Armand Fizeau năm 1849 1.1.3 Thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng Leon Foucault năm 1862 1.1.4 Thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng Albert Michelson năm 1926 1.1.5 Thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng Viện Tiêu chuẩn Công nghệ quốc gia Mỹ (NIST) năm 1972 Hội nghị Cân nặng Đo lường Quốc tế (CGPM) 1.1.6 Bảng tóm tắt thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng thực lịch sử 1.2 Một số thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng dùng dạy học vật lý phổ thông 11 1.2.1 Bộ thí nghiệm đo tốc độ ánh sáng Lambda Scientific Systems 11 1.2.2 Bộ thí nghiệm đo tốc độ ánh sáng PHYWE 12 1.3 Kết luận chương 13 Chương XÂY DỰNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐO VẬN TỐC ÁNH SÁNG BẰNG XUNG LASER CHO HỌC SINH THPT 15 2.1 Xây dựng nguyên lý thí nghiệm thiết bị thí nghiệm 15 2.1.1 Nguyên lý thí nghiệm 15 2.1.2.Thiết bị thí nghiệm 16 2.2.Tiến hành thí nghiệm 23 2.3 Xử lý kết thí nghiệm 26 2.4 Bảng so sánh ưu nhược điểm thí nghiệm tự chế thí nghiệm khác thị trường 28 2.5 Hướng mở rộng 28 2.5.1 Đo vận tốc ánh sáng ánh sáng qua môi trường suốt đồng 29 2.5.2 Đo chiết suất môi trường suốt đồng 30 2.6 Kết luận chương 31 KẾT LUẬN 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật linh kiện sử dụng thí nghiệm 22 Bảng 2.2 Kết lần đo hiệu quang trình L độ trễ thời gian t 26 Bảng 2.3 So sánh tính thí nghiệm tự chế với số thí nghiệm thị trường (Bảng giá cập nhật năm 2015) 28 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Minh hoạ thí nghiệm quan sát vệ tinh Io Ole Roemer Hình 1.2 Minh hoạ cho thí nghiệm Armand Fizeau thực năm 1849 Hình 1.3 Sơ đồ minh hoạ thí nghiệm Leon Foucault Hình 1.4 Minh hoạ thí nghiệm Micheson Hình 1.5 Bộ thí nghiệm Lambda Scientific Systems 11 Hình 1.6 Bộ thí nghiệm PHYWE 12 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý đo vận tốc ánh sáng laser xung 16 Hình 2.2 Nguồn laser 17 Hình 2.3 quạt dùng làm thiết bị điều khiển tần số phát xung 18 Hình 2.4 Nguồn cấp điện chiều cho quạt nguồn laser (của công ty cổ phần Sách Thiết bị trường học HCM ) 17 Hình 2.5 Đầu thu (EXELITAS TECHNOLOGIES) 18 Hình 2.6 Dao động kí có độ đọc tối đa 30 MHz(EZ_South Korea) 19 Hình 2.7 Dao động kí có độ đọc tối đa 60 MHz (Agilent DSO3062A_USA) 19 Hình 2.8 Dao động kí độ đọc tối đa GHz (Tektronix_MDO3102_USA) 20 Hình 2.9 Gương phản xạ tách chùm (Thorlabs_USA) 21 Hình 2.10 Thước dây (Tylon 5m STANLEY 30-696) 21 Hình 2.11 Sơ đồ đo vận tốc ánh sáng laser xung 23 Hình 2.12 Đồ thị biên độ tín hiệu xung theo thời gian 25 Hình 2.13 Sơ đồ thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng môi trường suốt đồng 29 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong lịch sử phát triển loài người, ánh sáng đề tài khoa học thu hút đông đảo quan tâm nhà nghiên cứu từ thời cổ đại đến đại Việc nghiên cứu đặc tính ánh sáng dẫn đến đời lý thuyết vật lý đại (thuyết lượng tử,thuyết hấp dẫn ) nhiều phương trình mơ tả tượng vật lý, giá trị vận tốc ánh sáng đóng vai trị h c số (E = m.c2;  = h …) Như vậy, ta thấy khơng xác định xác vận tốc ánh sáng dẫn đến sai số phép đo liên quan Vì vậy, việc đo xác vận tốc ánh sáng chủ đề quan tâm suốt phát triển khoa học nói chung vật lý học nói riêng Tuy nhiên, nhiệm vụ khơng đơn giản vận tốc ánh sáng lớn, theo lý thuyết tương đối Einstein vận tốc ánh sáng giới hạn chuyển động tự nhiên Về mặt lịch sử, đo vận tốc ánh sáng thực thành công lần vào năm 1676 Olaus Roemer [10] Bằng cách quan sát tượng nhật thực vệ tinh Mộc, Roemer xác định vận tốc ánh sáng 71% giá trị chấp nhận ngày Tiếp đến, năm 1849, Armand Fizeau [9] đo vận tốc ánh sáng khí Trái Đất với giá trị 315000 km/s Đến năm 1926, Albert Michelson phát minh hệ thống sử dụng lăng kính quay gương phản xạ, kết thu vận tốc ánh sáng khoảng 299910 ± 50 km/s [3] 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 [3] Sự đời laser tạo nên cách mạng khoa học công nghệ ứng dụng Đến năm 1973, Ken Evenson thuộc Viện Tiêu chuẩn Đo lường quốc gia Mỹ sử dụng laser xác định giá trị vận tốc ánh sáng 299792,4574± 0,001 km/s [5] Cùng với việc nghiên cứu chế tạo thí nghiệm tinh xảo để 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 phổ thông nhà khoa học giới quan tâm Đến nay, có số thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng thương mại hóa thị trường như: LEOI - 24 hãng Lambada Scientific (Hoa Kì) P2210101 hãng Phywe (Đức) Nguyên lý hoạt động thí nghiệm dựa thay đổi pha chùm laser từ nguồn di chuyển qua quãng đường khác Với sai số ≤ 2%, chúng sử dụng số phịng thí nghiệm trường đại học THPT giới [6],[8] Trong q trình giảng dạy vật lý phổ thơng, việc để học sinh tiếp cận với thí nghiệm định tính định lượng q trình cần thiết có ảnh hưởng lớn đến trình tiếp thu kiến thức vật lý, đồng thời bước khởi đầu để học sinh tiếp cận với phương pháp nghiên cứu khoa học Với Quang học, người dạy xây dựng thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng vận dụng chúng giảng dạy giúp học sinh tiếp nhận kiến thức quang học cách sâu sắc Tuy nhiên, đo xác vận tốc ánh sáng thường địi hỏi người đo cần có dụng cụ phức tạp, tinh vi đắt tiền Với thí nghiệm bán thị trường ưu điểm thí nghiệm độ xác cao, nhỏ, gọn nhược điểm khơng trực quan (khó tiếp cận mặt cấu tạo nguyên lý hoạt động thiết bị), 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 Để vận hành thí nghiệm địi hỏi học sinh phải có kiến thức vận tốc ánh sáng tương đối chắn có kỹ xảo vận hành thiết bị thí nghiệm đại 20 HÌNH 2.8 Dao động kí độ đọc tối đa GHz (Tektronix_MDO3102_USA) 21 e) Gương phản xạ, tách chùm HÌNH 2.9 Gương phản xạ tách chùm (Thorlabs_USA) Để điều khiển đường thay đổi quang trình chùm tia laser chúng tơi sử dụng gương phản xạ 99,9 % tia sáng có bước sóng 720nm tách chùm có tỉ lệ truyền qua phản xạ 90/10 bước sóng 720nm f) Thước đo HÌNH 2.10 Thước dây (Tylon 5m STANLEY 30-696) Để đo quang trình chùm tia sáng sử dụng loại thước dây có độ dài 5m, độ chia nhỏ 1mm 22 Thông số kỹ thuật linh kiện/thiết bị sử dụng thí nghiệm liệt kê bảng 2.1 Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật linh kiện sử dụng thí nghiệm Thiết bị STT Dao động ký Số lượng Thơng số kỹ thuật Giá thành (VNĐ) 30 MHz, kênh, 220/50 Hz 7.000.000 60 MHz,2 kênh , 220/50 Hz 16.000.000 1GHz,2 kênh, 220/50 Hz 76.000.000 Bước sóng thu 220 – 1100 nm, Photodiode phạm vi hoạt động 0,82mm2 895.000 (Ø1.02 mm), tốc độ đọc 1ns Loại bán dẫn, bước sóng Đầu laser 720nm, công suất 1mW, điện 50.000 3V/0,3mA Quạt tạo xung Hiệu điện tối đa 12 V 35.000 Đầu vào sử dụng điện xoay Nguồn điện chiều 220 V-50 HZ; đầu điện áp xoay chiều/một chiều 200.000 3V-6V-9V-12V Gương phản xạ Bản tách chùm Thước dây Tổng giá thành (với dao động ký 30MHz) Loại điện mơi, phản xạ 99,9% bước sóng 720nm Loại 90/10 bước sóng 720nm Chiều dài m , thang đo mm 500.000 200.000 85.000 9.365.000 23 2.2.Tiến hành thí nghiệm Bước 1: Bố trí thiết bị thí nghiệm Bố trí thiết bị Hình 2.11: Trước tiên, cố định định vị hướng nguồn phát tia laser bàn thí nghiệm Tiếp theo, xác định vị trí cố định tách chùm thứ (TC1) cho toàn tia sáng phát tới tách chùm Với TC1 loại gương có tỉ lệ phản xạ truyền qua 10/90 Khi đó, 10% tia sáng bị phản xạ theo đường truyền thứ L5 Sau xác định độ dài đường truyền thứ cố định tách chùm thứ hai (TC2) để tia sáng qua TC2 đến đầu thu Phần tia sáng lại truyền qua tách chùm TC1 Xung (2) Laser Bộ tạo chớp TC1 L1 G1 L4 L2 Xung (1) TC2 L3 (1) Đầu thu t G2 (2) Dao động kí HÌNH 2.11 Sơ đồ đo vận tốc ánh sáng laser xung Để điều chỉnh quang trình chùm tia thứ 2, ta sử dụng gương phản xạ loại điện môi, có khả phản xạ 99,9% tia sáng có bước sóng ứng với bước sóng laser (720nm) Các gương G1, G2 bố trí cho tia sáng dẫn tới tách chùm TC2 vào đầu thu Cần điều chỉnh cho hai chùm tia sáng truyền thẳng vào đầu thu để tín hiệu nhận rõ nét thiết bị cần cố định chặt bàn thí nghiệm sau lần tinh chỉnh Đầu thu nối với dao động ký 24 Tôi sử dụng kết đo từ dao động ký có tần số đọc tối đa 1GHz, điều chỉnh giá trị hiển thị điện áp thời gian dao động ký cho tín hiệu hiển thị rõ ràng hình (tần số đọc 100MHz) Đối với trường hợp tín hiệu thu chưa rõ ta đặt trước đầu thu thấu kính hội tụ để tập trung chùm sáng Bước 2: Xác định độ trễ ∆t hiệu quang trình L Sau lắp đặt thí nghiệm, tơi sử dụng thước dây đo hiệu quang trình L Tiếp đó, quan sát hình dao động ký để xác định độ trễ thời gian t hai xung HÌNH 2.12 Trên dao động ký hiển thị hai xung lệch khoảng thời gian ∆t, xác định công thức: ∆t = ∆n  x (3) Trong đó: ∆n số lệch hai xung x số nhỏ thang đo 25 HÌNH 2.12 Đồ thị biên độ tín hiệu xung theo thời gian Các cơng thức sử dụng q trình xử lý số liệu: Giá trị trung bình hiệu đường độ trễ thời gian: Ltb  L1  L2  L3  L4  L5 t  t2  t3  t4  t5 ; ttb  5 (4) Sai số lần đo:  Li  Li  Ltb ;  ti  ti  ttb (5) Sai số trung bình cho lần đo:  Ltb   L1   L2   L3   L4   L5 ;  ttb   t1   t2   t3   t4   t5 (6) Vận tốc ánh sáng lần đo: v L t (7) 26 Vận tốc ánh sáng trung bình: vtb  v1  v2  v3  v4  v5 (8) Sai số tỉ đối vận tốc: v (%)  L Ltb  t (9) ttb Sai số tuyệt đối vận tốc: v  v.v(%) (10) Kết của phép đo vận tốc ghi dạng : v  vtb  v (11) 2.3 X lý kết thí nghiệm Sau lần đo hiệu quang trình độ trễ xung, tơi có kết bảng 2.2 Bảng 2.2 Kết lần đo hiệu quang trình L độ trễ thời gian t Lần đo L (m) Sai số Độ trễ Sai số Giá trị vận tốc |δL| (m) t (ns) |δt| (ns) v (m/s) 7,81 0,002 26,7 0,24 292.509.363,3 7,83 0,018 27,1 0,16 288.929.889,3 7,79 0,022 26,0 0,94 299.615.384,6 7,80 0,012 27,3 0,36 285.714.285,7 7,83 0,018 27,6 0,66 283.695.652,2 7,812 0,012 26,94 0,472 290.092.915,0 Trung bình Kết cho giá trị trung bình hiệu quang trình: Ltb = 7,812 (m) Giá trị trung bình độ trễ thời gian hai xung: (12) 27 ttb = 26,94 (ns) (13) Sai số tỉ đối: v (%)   Ltb Ltb   ttb ttb  0,012 0,472      7,812 26,94   0.0191  1,91% (14) Sai số tuyệt đối: v  v tb v(%)  5540774,677 (m/s) (15) Vận tốc ánh sáng (thí nghiệm thực khơng khí): v = 290.092.915 ± 5540774,677 (m/s) (16) Vận tốc ánh sáng chân không: vck = v.nkk = 290.092.915x1,0003  vck = 290.179.942,9 (m/s) (17) Để so sánh độ xác thí nghiệm, ta từ đối chiếu kết (16) với giá trị vận tốc ánh sáng chân không quốc tế công nhận 299.792.458 m/s thấy sai số 3,24% Với sai số 3,24 %, ta thấy kết đo chấp nhận thí nghiệm vật lý phổ thơng dành cho học sinh Muốn nâng cao độ xác thí nghiệm, qua thực nghiệm tơi thấy có cách: 1.Tăng thêm hiệu quang trình ánh sáng cách cho xung (2) quãng đường dài Với tần số đọc dao động ký 100 MHz hiệu quang trình tăng gấp đơi giảm sai số xuống gần 2% Tăng độ phân giải dao động ký sai số giảm xuống 28 2.4 Bảng so sánh ưu nhược điểm thí nghiệm thực thí nghiệm khác thị trường Ưu điểm Về mặt kỹ thuật, thí nghiệm tơi có kết cấu mở, dễ tương tác với phận thí nghiệm,giúp học sinh tham gia sâu vào q trình tiến hành thí nghiệm Về mặt kinh tế, thí nghiệm có giá thấp nhiều thí nghiệm thương mại có giá hàng trăm triệu đồng Bảng 2.3 ,tôi so sánh số tính giá thành thí nghiệm thực với hai thí nghiệm có thị trường Bảng 2.3 So sánh tính thí nghiệm thực với hai thí nghiệm có thị trường (Bảng giá cập nhật năm 2015) Bộ thí nghiệm LEOI-24 hãng P2210101 thực Lambda Scientific hãng Phywe Độ trễ thời gian Sự thay đổi pha Sự thay đổi pha xung laser Nguyên lý hoạt chùm laser tới chùm laser chuyển động theo động chùm phản xạ tới chùm phản đường khác [6]) xạ [8]) Trực quan, khả Trực quan cao, dễ Trực quan chưa Trực quan chưa tự vận vận hành cao, khó vận hành cao, khó vận hành hành học sinh Đo vận tốc ánh Dễ (có thể đo Khó (thường đo Khó (thường sáng cho môi với đo với mơi trường trường có hình mẫu nhà SX mẫu nhà khác dáng khác nhau) cung cấp) SX cung cấp) Sai số phép đo ≤ 4% ≤ 2% [6]  % [8] 3770 USD  82 4,276 EUR  100 Thấp gần 10 triệu VND(không triệu VND(kèm Giá thành triệu kèm dao động ký) theo dao động ký [6] 30 MHz) [8] Khả tự Có thể Khơng thể Khơng thể chế tạo Tính 29 Nhược điểm Vì lắp ghép từ thành phần đơn lẻ nên q trình thí nghiệm địi hỏi người tham gia tiến hành thí nghiệm phải cẩn thận tỉ mỉ,chính xác thực yêu cầu quan trọng người làm khoa học 2.5 Hướng mở rộng 2.5.1 Đo vận tốc ánh sáng ánh sáng qua môi trường suốt đồng Ta bố trí thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng di chuyển môi trường suốt đồng sau: Laser Xung Bộ tạo chớp TC1 Ln L1 G1 L2 Môi trường suốt Xung TC2 L3 G2 (2) (1) Đầu thu Dao động kí HÌNH 2.13 Sơ đồ thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng môi trường suốt đồng Trước tiên, cố định định vị hướng nguồn phát tia laser bàn thí nghiệm Tiếp theo, xác định vị trí cố định tách chùm thứ (TC1) cho toàn tia sáng phát tới tách chùm Với TC loại gương có tỉ lệ phản xạ truyền qua 10/90 Khi đó, 10% tia sáng bị phản xạ theo đường truyền thứ Ln Trên đường truyền này, ta bố trí mơi trường suốt đồng có kích cỡ Ln Sau xác định độ dài đường truyền thứ Ln, ta cố định tách chùm thứ hai (TC2) để tia sáng có 30 thể qua TC2 đến đầu thu Phần tia sáng lại truyền qua tách chùm TC1 Để điều chỉnh quang trình chùm tia thứ 2, ta sử dụng gương phản xạ loại điện mơi, có khả phản xạ 99,9% tia sáng có bước sóng ứng với bước sóng laser (720nm) Các gương G1, G2 bố trí cho tia sáng dẫn tới tách chùm TC2 vào đầu thu Lưu ý cần điều chỉnh cho hai chùm tia sáng truyền thẳng vào đầu thu để tín hiệu nhận rõ nét thiết bị cần cố định chặt bàn thí nghiệm sau lần tinh chỉnh Ta điều chỉnh quãng đường Lkk = L1 + L2 + L3 cho tín hiệu xung (1) xung (2) dao động ký trùng theo trục thời gian Gọi t1 t2 thời gian di chuyển xung Vì tín hiệu xung (1) xung (2) đến dao động ký trùng thời điểm nên t1 = t2 Gọi vkk vận tốc ánh sáng môi trường chiết suất n khơng khí ta có Ln Lkk  (17) vkk   Ln v Lkk kk (18) Dựa vào công thức (18) ta tính vận tốc ánh sáng mơi trường có chiết suất n 2.5.2 Đo chiết suất môi trường suốt đồng Ta biết chiết suất mơi trường suốt đồng có giá trị khác tuỳ thuộc vào tần số ánh sáng dùng làm thí nghiệm, với nguồn laser có sẵn (bước sóng chân khơng 720 nm ; tần số f = 4,17.1014 Hz), ta tính chiết suất mơi trường suốt đồng (nước….) với ánh sáng 31 Ta biết chiết suất liên hệ với vận tốc truyền ánh sáng theo công thức v = c/n, vận dụng cơng thức (18) ta có cơng thức: n Lkk n Ln kk (19) Ta vận dụng thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng giới thiệu mục 2.4.1 kết hợp với công thức (19) để tính chiết suất mơi trường suốt đặt vào xung (1) với ánh sáng dùng làm thí nghiệm 2.6 Kết luận chương Như vậy, với thiết bị đơn giản với tổng chi phí thấp, tơi xây dựng thành cơng thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng với sai số tỷ đối xấp xỉ 3% Đây sai số chấp nhận thí nghiệm trường trung học phổ thơng Ta tăng thêm độ xác phép đo cách tăng hiệu quang trình hai xung tức tăng quãng đường xung (2) (có thể bổ sung thêm số gương phản xạ) tăng độ nhạy dao động ký Qua thực nghiệm với dao động ký có sẵn cho thấy, với dao động ký 30 MHz hiệu quang trình nên lớn 100m , với dao động ký 60 MHz hiệu quang trình nên lớn 20 m, với dao động ký từ 100 MHz trở lên cần hiệu quang trình ngắn ta thu kết với độ xác cao Thí nghiệm hoạt động dựa định luật chuyển động thẳng ánh sáng nên nguyên lý đơn giản, bố trí linh hoạt tùy thuộc khơng gian phịng thí nghiệm vận dụng để đo vận tốc ánh sáng môi trường suốt có hình dạng (chỉ cần đo quang trình khơng khí quang trình mơi trường cần đo) Với kinh phí tối thiểu, ta chế tạo thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng có độ xác chấp nhận với thí nghiệm này,ta cịn kích thích niềm đam mê nghiên cứu khoa học óc sáng tạo học sinh 32 KẾT LUẬN Trong số thành tựu khoa học kỹ thuật người thành tựu xác định vận tốc ánh sáng thành tựu quan trọng, quan trọng vận tốc ánh sáng có vai trị lớn lĩnh vực khoa học đời sống Từ vấn đề đơn giản nhất, thường gặp đời sống ngày đơn vị chiều dài mét (Định nghĩa gần mét Viện Đo lường Quốc tế vào năm 1983 là: "khoảng cách mà ánh sáng truyền chân không khoảng thời gian / 299 792 458 giây") đến mối lên hệ mang tính trừu tượng cao liên hệ khối lượng lượng công thức E = m.c2 Anh-xtanh có liên hệ đến vận tốc ánh sáng Điều cho thấy vận tốc ánh sáng số quan trọng Đó lý nhà khoa học từ xa xưa đến đại không tiếc công sức để nghiên cứu, chế tạo thiết bị thí nghiệm nhằm tìm cách xác số Hiện nay, số xác định với độ xác cao Điều khơng có nghĩa khơng cần thiết phải quan tâm tới nữa, ánh sáng vận tốc liên quan đến nhiều vấn đề sống chí nói chi phối cách hoàn toàn sống người Khi nghiên cứu ánh sáng có nghĩa nghiên cứu đến vấn đề khác liên quan đến ánh sáng có nhiều ứng dụng với sống người (sự truyền qua hấp thụ ánh sáng vật liệu, công nghệ tàng hình, nguỵ trang qn sự, cơng nghệ phát sáng LED, LASER, ……) Điều có nghĩa khoa học phát triển với đó,con người khơng ngừng tìm kiến thức, cơng nghệ liên quan đến ánh sáng phục vụ sống người Để góp phần nhỏ vào phát triển khoa học vai trò giáo viên vật lý, tơi chọn đề tài “Xây dựng thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng xung laser” với mục đích giúp học sinh có phương tiện tốt để tiếp cận với kiến thức ánh sáng vận tốc ánh sáng, làm quen 33 phát triển kỹ thực hành-một kỹ quan trọng với học sinh trình tìm hiểu giới vật lý Với kinh nghiệm rút từ trình thực đề tài, thân xin đưa số kết luận sau đây: - Vận tốc ánh sáng số quan trọng khó để xác định xác Để có kết cuối cùng, nhà khoa học cần q trình thí nghiệm lâu dài khơng ngại khó khăn kiên trì Khơng ngại khó khăn kiên trì yếu tố quan trọng nghiên cứu khoa học - Với thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng phương pháp trên, độ nhạy dao động ký đóng vai trị quan trọng Nếu dao động ký có tần số tối đa thấp phải tăng quãng đường với giá trị phù hợp giới thiệu - Nếu có thể, nên liên hệ với phịng thí nghiệm vật lý trường đại học để mượn, th dụng cụ thí nghiệm phịng thí nghiệm thường trang bị thiết bị có độ xác cao thiết bị trang bị cho phịng thí nghiệm vật lý trường phổ thơng - Thí nghiệm mở rộng để tiến hành đo vận tốc ánh sáng môi trường suốt đồng khác chiết suất mơi trường 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Tốc độ ánh sáng https://vi.wikipedia.org/wiki/ Tốc_độ_ánh_sáng [2] Trần Nghiêm, “Tốc độ ánh sáng” http://360.thuvienvatly.com/baiviet/dien-quang/305-toc-do-anh-sang Tiếng Anh [3] Bernard Jaffe (1979), Michelson and the Speed of Light [4] David Halliday (2007), Cơ sở vật lý, tập 6: quang học vật lý lượng tử, Nhà xuất Giáo dục, tr 143-148; tr 285-292; tr 307-314 [5] Evenson et al (1972) , “Speed of Light from Direct Frequency and Wavelength Measurements of the Methane-Stabilized Laser”, Phys Rev Lett., Vol 29 (19) 1346–49 [6] Lambda Scientific: http://www.lambdasys.com/product/LEOI-24.htm [7] Michelson, A A.; Hedrick, E R.; Lorentz, H A.; Miller, D C.; Kennedy, R J.; Epstein, P S “Conference on the Michelson-Morley Experiment Held at Mount Wilson, February, 1927” DOI: 10.1086/143148 [8] PHYWE Systeme GmbH and Co.KG: http://www.phywe.com/460/apg/331/Speed-of-light.htm?tab=versuche [9] Poincaré, H (Part 1, translated by F.K.V.); Vreeland, Frederick V (Part 2) (1904) "Experiments of MM Fizeau and Gounelle" Maxwell's Theory and Wireless Telegraphy McGraw Publishing, pp 52–55 [10] Steven Soter and Neil de Grasse Tyson, Cosmic horizons: astronomy at the cutting edge, the New Press 2000, American Museum of Natural History ... VỀ CÁC PHÉP ĐO VẬN TỐC ÁNH SÁNG 1.1 Các thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng tiêu biểu 1.1.1 Thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng Ole Roemer năm 1676 1.1.2 Thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng Armand Fizeau... VỀ CÁC PHÉP ĐO VẬN TỐC ÁNH SÁNG 1.1 Các thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng tiêu biểu Sau tìm hiểu số thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng tiêu biểu lịch sử 1.1.1 Thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng Ole Roemer... chấp nhận 15 Chương XÂY DỰNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐO VẬN TỐC ÁNH SÁNG BẰNG XUNG LASER CHO HỌC SINH THPT 2.1 Xây dựng nguyên lý thí nghiệm thiết bị thí nghiệm 2.1.1 Nguyên lý thí nghiệm Chúng ta biết