5. Cấu trúc khóa luận
4.1.2 Thí nghiệm về sự phân cực
Các vật rắn lỏng khí có tính đàn hồi về thể tích còn các hạt của chúng có quán tính. Vì vậy trong những môi trường như thế các sóng dọc sẽ được tạo nên trong đó có sóng âm. Khi chạm vào đầu của một thanh kim loại treo nằm ngang trên những sợi dây thì hạt của nó sẽ dịch chuyển theo phương va chạm và một chỗ nén được tạo thành ở đầu mút của thanh. Nó truyền dọc theo thanh phản xạ từ đầu mút đối diện và chạy theo phương ngược lại. Quá trình này được lặp lại nhiều lần. Các dao động của thanh được phát hiện bằng âm của nó.
Tuy nhiên các vật rắn khác với các chất lỏng và khí là còn có đàn hồi. Vì vậy trong các vật rắn có thể xuất hiện sự biến dạng dịch chuyển. Chẳng hạn, nếu va chạm vào đầu mút của thanh từ phía bên thì lớp ngoài cùng của thanh bị dịch chuyển đối với trục dọc của nó. Do tính đàn hồi của môi trường và quán tính của các hạt, sóng dịch chuyển sẽ truyền với vận tốc giới nội dọc theo thanh. Dao động của các hạt trong môi trường xảy ra theo phương vuông góc với chiều dài của thanh, còn sóng dọc truyền theo chiều dài của thanh. Những sóng đàn hồi như thế trong các vật rắn gọi là sóng ngang. Sóng ngang đàn hồi trong các vật rắn được dùng trong những thí nghiệm với mô hình về phân cực. Ta làm thì nghiệm cứng minh với các sóng cơ, sóng điện từ và sóng
Một đầu của một ống cao su dài được gắn chặt vào một vật cố định hay bức tường, ta cầm đầu kia của nó rung để thực hiện một chuyển động dao động hỗn loạn, theo những phương khác nhau. Những sóng ngang sẽ chạy trên ống. Những đoạn riêng rẽ của ống thực hiện dao động theo những phương khác nhau như hình vẽ. Đó là mô hình sóng không phân cực.
Hình 4.1: Tác dụng của máy phân cực và máy phân tích lên sóng cơ.
Để thu được sóng phân cực từ sóng không phân cực ta đặt ống dây cao su giữa hai bản tao thành một khe hẹp khoảng 5cm. Các bản được đính chặt vào một đế gỗ. Ta lại tạo sóng không phân cực bằng cách thực hiện dao động hỗn loạn ở đầu mút của ống. Khi ra khỏi khe dao động trong sóng được thực hiên trong một mặt phẳng dọc theo khe, nghĩa là sóng bị phân cực. Nếu sau khe A đặt một khe B cũng như thế, trước hết đặt khe B song song với khe A, sau đó đặt khe B vuông góc với khe A, thì trong trường hợp đầu sóng phân cực đi qua được khe B, còn trong trường hợp sau không qua được, sóng bị tắt. Khe A trong thí nghiệm này là mẫu của máy phân cực, còn khe B là mẫu của máy phân tích. Về cấu tạo thì máy phân cực và máy phân tích là như nhau nhưng gọi như vậy là vì nhiệm vụ của chúng. Trong thí nghiệm chúng có thể đổi chỗ cho nhau mà kết quả không thay đổi. Nhưng khi đó khe B có tác dụng như một máy phân cực còn khe A có tác dụng như một máy phân tích.
4.1.2.2. Sự phân cực của sóng điện từ.
Sóng điện từ do các máy phát vô tuyến phát ra là sóng phân cực thẳng. Vì vậy trong thí nghiệm về phân cực không cần dùng máy phân cực. Để chứng minh rằng sóng điện từ này phân cực thẳng ta có thể đặt máy phát và máy thu tần số siêu cao sao cho các anten loa hướng vào nhau. Khi đóng máy phát loa sẽ rít lên. Sau đó giữa hai loa ta đặt một cách tử gồm một hệ thống những dây kim loại đặt song song nhau.
Hình 4.2: Sơ đồ thiết bị để quan sát sóng điện từ: I – vị trí ban đầu của cách tử,
II – vị trí cuối cùng của nó.
Nếu các dây kim loại đặt vuông góc với vector điện trường E của sóng điện từ thì loa tiếp tục rít với độ to như khi không có cách tử. Nếu quay cách tử xung quanh đường truyền của sóng thì độ rít của loa yếu dần đi. Và cuối cùng khi các dây song song với vector điện trường E thì loa ngừng kêu. Cách tử trong thí nghiệm này được dùng như một máy phân tích. Tùy theo hướng đặt các dây của cách tử ta có thể xác định được các dao động của vector điện E của sóng điện từ thức hiện trong mặt phẳng nào. Vector từ B thực hiện dao
vector điện E của sóng điện từ không gây ra dòng điện trong các dây của cách tử (hình 4.3a), cho nên sóng điện từ truyền qua cách tử không bị cản trở và không bị mất năng lượng. Trên hình 4.3b minh họa trường hợp khi vector điện E có thể phân tích theo hai phương vuông góc nhau, thành phần E1 vuông góc với dây cáh tử và thành phần E2 dọc theo dây của cách tử. Dưới
tác dụng của thành phần E2 trong dây kim loại các electron bắt đầu chuyển
động có trật tự với tần số biến thiên của E2, nghĩa là xuất hiện dòng điện, gây ra sự mất năng lượng theo hiệu ứng Joule – Lenz. Sóng cũng được phát ra ngược lại từ đây chúng bị phản xạ. Như vậy có một phần sóng điện từ không đi qua được cách tử. Phần kia của sóng điện từ được đặc trưng bởi vector điện E1 đi qua cách tử một cách dễ dàng nên gây ra tiếng vang yếu trong loa.
Hình 4.3: Tác dụng của các dây kim loại song song trên sóng điện từ phân cực thẳng.
Trên hình 4.3c, vector điện E hoàn toàn hướng dọc theo dây. Vì vậy trong dây xuất hiện dòng điện xoay chiều và sóng điện từ không đi qua được. Điều này đúng với một dây của cách tử và cũng đúng với toàn bộ cách tử. Ở vị trí c của cách tử trong các dải xuất hiện dòng điện xoay chiều và sóng điện
từ bị hấp thụ một phần bởi cách tử và phần còn lại bị phản xạ bởi chính nó. Vì vậy loa không kêu.
4.1.2.3. Sự phân cực ánh sáng.
Trong các thí nghiệm người ta dùng các lọc sắc phân cực – các polaroit. Trong một loại polaroit người ta dùng herapatit, hợp chất iot sunfat kinin, đó là tinh thể lưỡng sắc. Nó hấp thụ tia thường và cho truyền qua tia bất thường. Ánh sáng tự nhiên đi qua những đơn tinh thể li ti herapatit sẽ biến thành ánh sáng phân cực thẳng.
Polaroit là những đơn tinh thể herapatit siêu vi mô định hướng như nhau được phủ lên một màn xenluloit.
Đối với thí nghiệm về phân cực ánh sáng dùng đèn chiếu cần lấy vật kính đèn chiếu đi. Sau thấu kính đặt màn chắn có lỗ tròn, sau màn chắn là hộp có thành phẳng song song chứa đầy nước, sau đó là hai polaroit, tiếp đó là vật kính và cuối cùng là màn quan sát hướng về lớp dưới một góc nào đó.
Trước hết ta đặt một polaroit vào chùm tia sáng hơi hội tụ sao cho nó được chiếu toàn bộ . Nhờ vật kính lỗ rọi sáng trên màn chắn được chiếu lên màn quan sát. Khi quay polaroit quanh trục quang học của thiết bị về phía này hay phía khác thì độ rọi trên màn không đổi. Đặt vào đó polaroit thứ hai sao cho các đường thẳng mà dọc theo đó cả hai polaroit cho ánh sáng truyền qua là song song nhau như hình vẽ.
những mũi tên ở hai phía. Trường sáng trên màn vẫn giữ không đổi, bỏ qua sự hấp thụ ánh sáng bởi chất làm polaroit và nền của polaroit. Khi quay từ một trong các polaroit, tốt hơn là từ polaroit thứ hai, độ rọi trên màn dần dần thay đổi và hai lần đi qua giá trị không khi góc quay bằng 90và 270 và hai lần đạt giá trị cực đại ứng với các góc quay 180 và 360.
4.2. Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực. Ứng dụng của ánh sáng phân cực.
4.2.1. Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực.
Ta dùng hai polaroit trong thí nghiệm với ánh sáng phân cực. Các polaroit song song cho ánh sáng truyền qua còn các polaroit bắt chéo không cho ánh sáng truyền qua, có nghĩa là dao động trong ánh sáng đi ra khỏi polaroit thứ nhất là dao động ngang. Đó là ánh sáng phân cực thẳng. Ánh sáng không bị tắt bởi polaroit thứ nhất, rõ ràng rằng trong ánh sáng tới polaroit dao động của nó luôn luôn vuông góc với tia sáng và theo mọi phương khả dĩ chúng có xác suất như nhau, không có phương nào ưu tiên hơn phương nào. Ánh sáng như vậy gọi là ánh sáng tự nhiên.
Ánh sáng tự nhiên là đối xứng đối với tia sáng như hình 4.5a, ánh sáng phân cực thẳng một phần hay phân cực hoàn toàn là không đối xứng như ở hình 4.5b, c, d.
Hình 4.5: Dao động ánh sáng trong ánh sáng tự nhiên (a), ánh sáng phân cực một phần (b, c) và ánh sáng phân cực hoàn toàn (d).
Máy phân cực và máy phân tích có thể thay thế được cho nhau, chỉ có nhiệm vụ của chúng là khác nhau: máy phân cực biến đổi ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng phân cực, còn máy phân tích cho ta khả năng xác định phương dao động.
Ta đi xét nguồn gốc của ánh sáng tự nhiên: mỗi nguyên tử được xem như một dao động tử điều hòa phát ra sóng điện từ với vector điện E dao động trong một mặt phẳng nào đó vuông góc với phương truyền sóng. Nhưng vì nguồn sáng nhiệt hay nguồn sáng huỳnh quang gồm một tập hợp rất lớn những nguyên tử phát xạ, và dao động của các electron trong nguyên tử nói chung thực hiện theo những phương khác nhau, bức xạ toàn phần là sóng điện từ có vector điện trường E dao động theo mọi phương có thể có. Ngay cả những lần phát xạ kế tiếp sự phát xạ của cùng một nguyên tử cũng cho những sóng điện từ có phương dao động của vector này khác nhau. Vì vậy ánh sáng tự nhiên là không phân cực, trong đó vector điện E thực hiện dao động vuông góc với tia sáng, nhưng theo mọi phương có thể có. Phương của những dao động này thay đổi một cách hỗn loạn. Theo thuyết lương tử, nguyên tử phát ra photon khi có sự chuyển lượng tử từ một trạng thái dừng này sang trang thái dừng khác. Mỗi photon phát ra theo thuyết sóng là ứng với một sóng điện từ với cùng một mặt phẳng dao động nào đó của vector điện trường E. Vì những lần phát ra photon bởi các nguyên tử là độc lập với nhau nên mặt phẳng dao động của vector điện E đối với những sóng điện từ khác nhau không trùng nhau. Điều đó tương ứng với ánh sáng tự nhiên.
phân tích cũng được giải thích tương tự như vậy.
Hiện tượng tán xạ ánh sáng trên các hạt bé có thể dùng để xác định mặt phăng dao động của vector điện E trong ánh sáng phân cực thẳng.
4.2.2. Ứng dụng của ánh sáng phân cực.
4.2.2.1. Dùng ánh sáng phân cực để khử tác dụng làm chói mắt của ánh sáng khi các xe ô tô đi ngược chiều nhau. Trên các đèn pha và kính trước đều có gắn polaroit song song. Vì vậy ánh sáng phân cực từ đèn pha không đi qua được kính trước của ô tô ngược chiều vì các poleroit của hai ô tô bắt chéo nhau. Nhưng người lái xe ô tô lại nhìn thấy ô tô ngược chiều và đường đi được chiếu sáng bằng các pha ô tô của mình. Trong trường hợp này ánh sáng phân cực ra khỏi đèn pha và phản xạ ngược lại, đi qua polaroit của kính trước đến người lái xe vì polaroit đặt song song đối với chùm sáng này.
4.2.2.2. Làm thí nghiệm minh họa việc ứng dụng ánh sáng phân cực để nghiên cứu ứng lực trong các chi tiết máy và trong các cấu trúc xây dựng. Bố trí các thiết bị như làm thí nghiệm về sự phân cực ánh sáng, giữa hai polaroit đặt thêm mẫu của chi tiết máy cần nghiên cứu được làm bằng chất đẳng hướng trong suốt, thanh hình tiết diện chữ nhật, hay chữ I, đòn bẩy… Khi các polaroit bắt chéo màn không được rọi sáng. Nếu các chi tiết bị biến dạng trong cái kẹp thì trên màn xuất hiện những dải sáng hay những đường phức tạp có màu sắc khác nhau. Những chỗ sáng trên màn ứng với những miền của các chi tiết chịu ứng lực lớn. Tùy thuộc vào đặc tính và độ lớn của sự biến dạng hình ảnh quan sát được trên màn sẽ thay đổi.
Hình 4.6: Sự biến dạng của các mẫu bằng thủy tinh hữu cơ bị nén.
Theo hình ảnh này người ta rút ra kết luận về những thay đổi có thể được để tiết kiệm vật liệu hay cần thiết để làm bền vật liệu trong các chi tiết và cấu trúc.
4.2.2.3. Ánh sáng phân cực thẳng một phần hay hoàn toàn có thể được tao nên khi phản xạ từ các chất điện môi mài thật nhẵn và khi khúc xạ. Sự phân cực của ánh sáng phản xạ có thể nhận biết được bằng các chỗ trội sáng. Ánh sáng tán xạ bởi các hạt của khí quyển cũng là ánh sáng phân cực một phần. Khi chụp ảnh và quan sát các vật bằng ốm nhòm để khử ánh sang phân cực xuất hiện do phản xạ người ta dùng các lọc sáng phân cực polaroit.
4.3. Kết luận chƣơng 4.
Chương 4 “Sự phân cực ánh sáng” giúp chúng ta tìm hiểu về các vấn đề chính sau đây:
Lý do cần nghiên cứu sự phân cực ánh sáng.
Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực. Các ứng dụng của ánh sáng phân cực trong thực tế.
Thông qua khóa luận, chúng ta đã được tìm hiểu về các vấn đề cơ bản liên quan tới sự truyền ánh sáng, bao gồm:
Vận tốc ánh sáng và các cách xác định vận tốc ánh sáng;
Sự giao thoa ánh sáng trong các môi trường, sự truyền năng lượng trong hiện tượng giao thoa. Một vài ứng dụng của hiện tượng giao thoa.
Sự nhiễu xạ ánh sáng.
Sự phân cực ánh sáng và các ứng dụng của ánh sáng phân cực. Tuy nhiên do điều kiện nghiên cứu còn nhiều hạn chế, tài liệu tham khảo còn thiếu và thời gian nghiên cứu có hạn nên khóa luận không tránh khỏi những thiếu sót. Vậy tôi rất mong được sự góp ý của quý thầy cô và các bạn để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
TÓM TẮT KHÓA LUẬN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ
---o0o---
NGHIÊN CỨU SỰ TRUYỀN ÁNH SÁNG
Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết
Tóm tắt khóa luận tốt nghiệp đại học
HÀ NỘI, 2012
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành khóa luận này, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô.
Đầu tiên tôi muốn gửi lời cảm ơn tới ThS. Phan Thị Thanh Hồng là người đã chỉ dẫn tận tình, tạo điều kiện tốt nhất giúp đỡ tôi hoàn thành khóa luận này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong khoa Vật lý Trường ĐHSP Hà Nội 2, những người đã giúp đỡ để tôi hoàn thành khóa luận này.
sót, rất mong được sự góp ý kiến của các thầy cô để khóa luận được đầy đủ hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 5 năm 2012
Sinh viên
Nguyễn Thị Hồng Nhung
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong khóa luận này là trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác. Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện khóa luận này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong khóa luận đã được ghi rõ nguồn gốc.
Hà Nội, tháng 5 năm 2012
Sinh viên
Nguyễn Thị Hồng Nhung
MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Vật lý học là một trong những môn khoa học nghiên cứu các quy luật từ đơn giản đến tổng quát của tự nhiên. Quang học là phần quan trọng của vật lý học, nó là môn học nghiên cứu về ánh sáng và nó đã chứng tỏ rằng ánh