CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU VÀ TIẾN HÀNH CÁC THÍ NGHIỆM CHỨNG
E. THÍ NGHIỆM 5:GIAO THOA KẾ MICHELSON
1. Khảo sát sự giao thoa ánh sáng bằng giao thoa kế Michelson.
2. Đo bước sóng laze.
3. Rèn luyện kĩ năng làm thí nghiệm vật lý.
II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Nếu hai sóng cùng tần số ω nhƣng có biên độ khác nhau và khác pha đập vào một điểm thì chúng sẽ chồng lên nhau, xảy ra giao thoa, kết quả là:
y = a1 sin(ωt –α1) + a2 sin(ωt –α2)
Sóng tổng hợp có thể được miêu tả bằng phương trình:
y = asin(ωt –α) (1) với biên độ:
A = a12
+ a22
+ 2 a1 a2cosδ và δ = 1 - 2δ
Hình5.1:Cấu tạo của giao thoa kế Hình5.2: Sự hình thành các vân giao thoa Michelson
Trong giao thoa kế Michelson, ánh sang đƣợc tách làm 2 chùm tia bởi gương bán mạ (sự tách biên độ), được phản xạ bởi hai gương và được truyền qua một gương phẳng để tạo thành hiện tượng giao thoa đằng sau gương.
Một thấu kính được đặt thêm trên đường đi của chùm tia đến gương phẳng sao cho nguồn sáng nằm tại tiêu điểm, vì chỉ các đốm sáng mở rộng thì có thể tạo ra các vân giao thoa.
Nếu một gương thực M2 được thay bằng gương ảo M2’ được tạo ra bởi sự phản xạ tại gương phẳng, thì một điểm P của nguồn sáng được tạo thành các điểm P’ và P’’ của các nguồn sáng ảo L1 và L2.
95
Căn cứ vào hiệu quang trình, hiệu số pha, sử dụng sơ đồ trong hình 1, ta có:
δ= 2 2 cosd
(2) Trong đó λ là bước sóng của nguồn sáng laser sử dụng trong các bài thí nghiệm. Sự phân bố cường độ sáng của hai sóng là như nhau: a1 = a2 = a, thay vào (1):
I A2 = 4a2cos2
Các cực đại xảy ra khi δ là bội của 2π, phương trình (2) trở thành:
2dcos = mλ ; m= 1,2,… (4) Tức là, các vân tròn được tạo thành tương ứng với các giá trị m và d xác định khi là một hằng số (xem hình 5.2).
Khi gương P1 dịch chuyển dọc theo gương sáng một đoạn thì hiệu quang trình của 2 tia sáng thay đổi một lƣợng là λ và hệ vân dịch chuyển một khoảng vân.
l =p
Nếu vị trí của gương di động M1 bị thay đổi sao cho d bị giảm đi, thì theo phương trình (4), bán kính của các vân tròn sẽ giảm khi m là không đổi đối với mỗi vân. Do đó, 1 vân tròn sẽ biến mất khi d giảm đi một giá trị bằng
Các vân sẽ biến mất hoàn toàn khi d = 0. d = 0 khi hai gương M1 và M2
không song song, các đường cong thu được sẽ chuyển thành dạng đường thẳng.
96 III. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM
Hình 5.3: Giao thoa kế Michelson 1. Giao thoa kế Michelson
Là dụng cụ quang học để xác định các bước sóng, chiết xuất, sư thay đổi chiết xuất và vận tốc ánh sáng thay đổi theo nhiệt độ và nồng độ của rƣợu và các chất khí, nghiên cứu hiện tƣợng Doppler và xác định các điều kiện giao thoa.
Các gương phẳng và một gương bán mạ trong suốt được đặt trên một đế kim loại. Một vít vi chỉnh đảm bảo độ dịch chuyển lặp lại của gương.
2. Laser He-Ne, công suất 1.0mW, 230V 3. Cánh tay đòn quay
4. Thấu kính, f = 20mm 5. Thấu kính, f = 5mm 6. Giá đỡ thấu kính
7. Ray quang học, 1 = 600mm
8. Con trƣợt trên day quang học, h = 30mm 9. Đế của ray quang học, điều chỉnh đƣợc 10. Màn quan sát kim loại, 300x300 mm 11. Đế hình trống, -PASS-
97 IV. CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH
- Thí ngiệm đƣợc lắp đặt nhƣ hình 5.3.
- Để thu được số vân giao thoa lớn nhất có thể, thì trước tiên hai gương phẳng của giao thoa kế phải đƣợc điều chỉnh; để làm đƣợc điều đó thì đàu tiên các thấu kính phải bỏ ra ngoài.
- Chùm laser đập vào gương bán mạ dưới góc = 450, chia thành hai chùm tia. Kết quả là hia chùm tia này bị phản xạ bởi gương và kết hợp với nhau trên màn hứng. qua hai vít vi chỉnh điều chỉnh 1 trong 2 gương, các điểm sáng sẽ chồng chất lên nhau.
- Nếu đặt thêm thấu kính vào giữa đường truyền của chùm sáng, các điểm sẽ mở rộng và các vân giao thoa sẽ quan sát thấy trên màn hứng (dưới dạng các vạch hay các vân tròn sáng tối xen kẽ). Điều chỉnh cẩn thận, ta sẽ thu đƣợc vân giao thoa là các vân tròn đồng tâm.
- Để đo được bước sóng, vít vi chỉnh được vặn đến vị trí ban đầu mà tại đó tâm của các vòng tròn là điểm cực tối (cực tiểu). Tiếp tục, các vít vi chỉnh đƣợc văn theo cùng một chiều, các vân tròn sáng - tối đƣợc tạo ra và ta phải đếm số vân bị dịch chuyển.
- Khoảng dịch chuyển d của gương được đọc trên vít vi chỉnh và chia cho 10 (mức thu nhỏ: 1:10). Tâm của các vân tròn nên di chuyển ra bên ngoài vùng có đốm sáng.
- Ghi các kết quả thu đƣợc vào bảng số liệu.
98 V. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
Lần đo Khoảng
dịchchuyển(
Số vân dịch chuyển m
Bước sóng λ
(nm)
(nm)
(nm)
δ
1 64 200 640
638.2 7.7 1.2%
2 64 200 631
3 62 200 630
4 68 200 645
5 66 200 645
Kết quả:
λ (638.2 7.7) nm VI. Nhận xét:
+ Về thiết bị: Giao thoa kế Michelson do Đức sản xuất đảm bảo độ chính xác cao, hình thức đẹp, chắc chắn.
+ Chú ý trong quá trình điều chỉnh hệ thống: 2 gương phản xạ phải song song với nhau, 2 điểm sáng phải trùng khít thì ta mới thu đƣợc hình ảnh hệ vân tròn rõ nét trên màn.
+ Chú ý khi vặn thước đo phải hết sức nhẹ nhàng, quan sát kĩ để đếm vân một cách chính xác nhất.
+ Vì sai số tương đối δ< 5% nên kết quả thí nghiệm đáng tin cậy. Hiện tƣợng giao thoa ánh sáng laze ở giao thoa kế Michelson đã chứng minh bản chất sóng của ánh sáng.