KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG GIAO THOA HỆ VÂN TRÒN NEWTON

THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 2 PHẦN CHUẨN BỊ BÀI 6 KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG GIAO THOA HỆ VÂN TRÒN NEWTON 1 Mục đích Biết sử dụng các dụng cụ kính hiển vi đo lường, bộ thấu kính phẳng lồi tạo bản nêm không k.

THÍ NGHI M V T LÝ Đ I C Ệ Ậ Ạ ƯƠ NG 2

PH N CHU N B Ầ Ẩ Ị BÀI 6: KH O SÁT HI N T Ả Ệ ƯỢ NG GIAO THOA

H VÂN TRÒN NEWTON Ệ

1 M c đích ụ

Bi t s d ng các d ng c : kính hi n vi đo lế ử ụ ụ ụ ể ường, b th u kính ph ng-l iộ ấ ẳ ồ

t o b n nêm không khí, b gạ ả ộ ương bán m ph n x -truy n qua, b ngu n sángạ ả ạ ề ộ ồ

đ n s c đ quan sát hi n tơ ắ ể ệ ượng giao thoa cho vân tròn Newton ng v i các ánhứ ớ sáng đ n s c khác nhau ơ ắ

V n d ng k t qu đo đ xác đ nh bậ ụ ế ả ể ị ước sóng ánh sáng đ n s c và sai sơ ắ ố phép đo

2 Gi i thi u chung ớ ệ

Hi n tệ ượng giao thoa ánh sáng là m t b ng ch ng th c nghi m ch ng tộ ằ ứ ự ệ ứ ỏ ánh sáng có tính ch t sóng Hi n tấ ệ ượng giao thoa được chia thành hai d ng cạ ơ

b n là giao thoa c a hai ngu n sáng đi m hay vân không đ nh x và giao thoaả ủ ồ ể ị ứ

b n m ng hay vân đ nh x ả ỏ ị ứ

H vân tròn Newton là s giao thoa trên b n m ng H quang c bao g mệ ự ả ỏ ệ ụ ồ

th u kính ph ng-l i đ t ti p xúc trên t m kính ph ng, l p không khí gi a cóấ ẳ ồ ặ ế ấ ẳ ớ ở ữ

b dày thay đ i Khi chi u chùm sáng song song vuông góc l p không khí, taề ổ ế ớ quan sát th y h vân giao thoa đ nh x trên m t cong th u kính H vân bao g mấ ệ ị ứ ặ ấ ệ ồ

nh ng vân tròn sáng-t i, đ ng tâm, càng ra xa h vân càng sít l i Bài thí nghi mữ ố ồ ệ ạ ệ

ti n hành kh o sát h vân tròn Newton và ng d ng đ xác đ nh bế ả ệ ứ ụ ể ị ước sóng ánh sáng

Các d ng c thí nghi m chính đụ ụ ệ ượ ử ục s d ng trong bài bao g m:ồ

1 H kính hi n vi t o h vân tròn Newton ệ ể ạ ệ

2 B ngu n và đèn LED đ n s cộ ồ ơ ắ

3 Tóm t t lý thuy t ắ ế

Giao thoa ánh sáng là s t ng h p c a hai hay nhi u sóng ánh sáng k tự ổ ợ ủ ề ế

h p mà k t qu t o ra trợ ế ả ạ ường giao thoa v i nh ng vân sáng t i xen kẽ nhau.ớ ữ ố

Nh ng đi m cữ ể ường đ sáng độ ược tăng cường g i là vân sáng, và nh ng đi mọ ữ ể

cường đ sáng b gi m b t độ ị ả ớ ượ ọc g i là vân t i (Nguy n Tr n Trác, 2005) ố ễ ầ

Giao thoa cho h vân tròn Newton là hi n tệ ệ ượng giao thoa c a các sóngủ sáng truy n qua b n nêm không khí n m gi i h n gi a m t l i c a m t th uề ả ằ ớ ạ ữ ặ ồ ủ ộ ấ kính ph ng-l i L đ t ti p xúc v i m t b n thu tinh ph ng P nh hình 6.1ẳ ồ ặ ế ớ ộ ả ỷ ẳ ư (Nguy n Tr n Trác, 2005).ễ ầ

Hình 6.1 H vân tròn Newtonệ

N u chi u chùm sáng song song đ n s c có bế ế ơ ắ ước sóng vuông góc v iớ

m t ph ng c a b n ph ng thu tinh P thì các tia sáng ph n x t m t trên vàặ ẳ ủ ả ẳ ỷ ả ạ ừ ặ

m t dặ ướ ủi c a b n nêm không khí sẽ giao thoa v i nhau, t o thành m t h cácả ớ ạ ộ ệ vân sáng và vân t i hình tròn đ ng tâm n m xen kẽ nhau (Lố ồ ằ ương Duyên Bình, 2007)

Trong trường h p này, hi u quang l c a các tia sáng ph n x trên haiợ ệ ộ ủ ả ạ

m t c a b n nêm không khí t i v trí ng v i đ dày ặ ủ ả ạ ị ứ ớ ộ d k c a b n b ng:ủ ả ằ

2 2

k

d

   (6.1)

Đ i lạ ượng / 2 xu t hi n là do ánh sáng truy n qua b n nêm không khíấ ệ ề ả

t i m t dớ ặ ướ ủi c a b n, r i b ph n x t i m t ph ng c a b n thu tinh P, ả ồ ị ả ạ ạ ặ ẳ ủ ả ỷ chi t ế quang h n không khí ơ

Khi 2 1

2

k

   

v i ớ k = 0, 1, 2, 3, ta có c c ti u giao thoa, ng v i đự ể ứ ớ ộ dày:

2

k

d k 

(6.2)

G i ọ R là bán kính m t l i c a th u kính L Vì ặ ồ ủ ấ d k R, nên áp d ng h th cụ ệ ứ

lượng trong tam giác vuông trên Hình 6.1, ta tính được bán kính r k c a vân t iủ ố

th ứ k:

2

k

r  R d d  Rd

(6.3) Thay (6.2) vào (6.3), ta suy ra:

2

k

r

k R

  (6.4)

Th c t không th đ t đự ế ể ạ ượ ự ếc s ti p xúc đi m gi a m t th u kính ph ng-ể ữ ặ ấ ẳ

l i L và m t b n ph ng thu tinh P, nên vân t i chính gi a c a h vân trònồ ặ ả ẳ ỷ ố ữ ủ ệ Newton không ph i là m t đi m mà là m t hình tròn Vì th , đ xác đ nh chínhả ộ ể ộ ế ể ị xác bước sóng  c a ánh sáng đ n s c, ngủ ơ ắ ười ta áp d ng công th c (6.4) đ i v iụ ứ ố ớ hai vân t i th ố ứ k và th ứ i: r k2 k R và 2

i

r i R .

T đó suy ra: ừ

k i

r   r k i R hay  k i R Bb

 (6.5)

trong đó B r k r i và b r k r i có th đo để ược b ng ằ th ướ c tr c vi ắ c a kínhủ

hi n vi.ể

4 Chu n b ẩ ị

Nhi m v h c t p 1: ệ ụ ọ ậ Sinh viên quan sát b d ng c thí nghi m và th c hi n ộ ụ ụ ệ ự ệ

nh ng yêu c u sau đây: ữ ầ

1 Xác đ nh tên và công d ng c a các b ph n đị ụ ủ ộ ậ ược đánh s t 1 đ n 6 ố ừ ế

2 Xác đ nh đ chia nh nh t trên thị ộ ỏ ấ ước chính và giá tr c a m t v ch trên du ị ủ ộ ạ xích

1 Xác đ nh tên và công d ng c a các b ph n đ ị ụ ủ ộ ậ ượ c đánh s t 1 đ n 6 ố ừ ế

B d ng c thí nghi m vân tròn Newton ộ ụ ụ ệ

1 Giá c p v t và bànặ ậ

đ t m uặ ẫ

N i đ đ t h th u kính ph ng l i c n quan sát, ơ ể ặ ệ ấ ẳ ồ ầ

gi c đ nh d ng c t o vân.ữ ố ị ụ ụ ạ

2 Núm v n 2ặ

Dùng đ nâng ho c h th p ng ng m lên ho c ể ặ ạ ấ ố ắ ặ

xu ng theo phố ương th ng đ ng đ nhìn th y h ẳ ứ ể ấ ệ vân tròn rõ nét

3 Núm xoay 3 Dùng đ d ch chuy n ngang ng kính đ giao ể ị ể ố ể

đi m X c a v ch ch th p trong tr c vi th kính ể ủ ạ ữ ậ ắ ị trùng v i tâm c a h vân tròn Newton, có thớ ủ ệ ước

tr c vi ắ (0÷50mm, đ chính xác 0,01mm).ộ

4 Kính hi n vi đoể

lường

Dùng đ quan sát h vân tròn Newton thông qua ể ệ

vi c nhìn vào ng ng m.ệ ố ắ 5

Đèn chi u ánh sángế

đ n s c (đ l cơ ắ ỏ ụ

lam)

Phát ánh sáng đ n s c đ t o vân tròn Newton tơ ắ ể ạ ừ

đó đo bước sóng c a ánh sáng này.ủ

6 Gương bán m Gạ

Đ t o ánh sáng chi u th ng góc lên h th u ể ạ ế ẳ ệ ấ kính ph ng l i t o vân tròn Newton đ ng th i ẳ ồ ạ ồ ờ quan sát và đo được bán kính c a các vân.ủ

2 Xác đ nh đ chia nh nh t trên th ị ộ ỏ ấ ướ c chính và giá tr c a m t v ch trên ị ủ ộ ạ

du xích.

Mỗi độ chia nhỏ nhất trên thước chính là 1 mm

Giá tr c a m t v ch trên du xíchị ủ ộ ạ là 0,01 mm

Nhi m v h c t p 2: ệ ụ ọ ậ Sinh viên hoàn thành nh ng yêu c u sau đây: ữ ầ

1 Vẽ s đ đơ ồ ường truy n tia sáng đ t o h vân tròn Newton b ng b d ng ề ể ạ ệ ằ ộ ụ

c t o h vân tròn Newton trong bài thí nghi m này ụ ạ ệ ệ

2 Ti n hành đi u ch nh máy đ nhìn th y h vân tròn Newton rõ nét Trình ế ề ỉ ể ấ ệ bày cách ch nh máy và mô t h vân quan sát đỉ ả ệ ược

3 Ti n hành đi u ch nh máy sao cho giao đi m X c a v ch ch th p trong tr cế ề ỉ ể ủ ạ ữ ậ ắ

vi th kính trùng v i tâm c a h vân tròn Newton, sau đó di chuy n giao đi m ị ớ ủ ệ ể ể

X ra xa tâm sao cho giao đi m X ch y ngang theo để ạ ường kính h vân.ệ

1 Vẽ s đ đ ơ ồ ườ ng truy n tia sáng đ t o h vân tròn Newton b ng b ề ể ạ ệ ằ ộ

d ng c t o h vân tròn Newton trong bài thí nghi m này ụ ụ ạ ệ ệ

Hình 6.2S đ đơ ồ ường truy n tia sáng đ t o h vân tròn Newtonề ể ạ ệ Trong đó:

T: th kính, trị ước th kính có thị ước tr c vi; ắ G: gương bán m ; ạ

V: v t kính; ậ S: kính l c s c; ọ ắ Q: th u kính h i t ; ấ ộ ụ Đ: đèn (ngu n sáng); ồ L: th u kính ph ng-l i; ấ ẳ ồ P: b n ph ng th y tinh (Tuy nhiên trong b d ng c t i phòng thí ả ẳ ủ ộ ụ ụ ạ nghi m không có kính l c s c và th u kính h i t ).ệ ọ ắ ấ ộ ụ

2 Ti n hành đi u ch nh máy đ nhìn th y h vân tròn Newton rõ nét ế ề ỉ ể ấ ệ

Trình bày cách ch nh máy và mô t h vân quan sát đ ỉ ả ệ ượ c

B t đèn LED đ Nhìn vào kính ng m Đi u ch nh v trí đ t ngu n sáng vàậ ỏ ắ ề ỉ ị ặ ồ góc nghiêng c a gủ ương G đ quan sát th y h vân tròn đ ng tâm N u qu ngể ấ ệ ồ ế ầ sáng không đ u, di chuy n đèn m t chút ề ể ộ

Đi u ch nh h vân ề ỉ ệ rõ nét V n t t núm 2 đ nâng d n ng ng m N lênặ ừ ừ ể ầ ố ắ cho t i khi nhìn th y h vân tròn Newton rõ nét ớ ấ ệ

H ướ ng d n cách đ c th ẫ ọ ướ c:

Thước chính là thước tr c vi 0ắ 50 mm, du xích có đ chính xác 0,01mm;ộ

H vân quan sát đệ ược g m các vòng tròn đ ng tâm sáng và t i n m xen kẽ nhauồ ồ ố ằ

m t trên c a nêm không khí

3 Ti n hành đi u ch nh máy sao cho giao đi m X c a v ch ch th p trong ế ề ỉ ể ủ ạ ữ ậ

tr c vi th kính trùng v i tâm c a h vân tròn Newton, sau đó di chuy n ắ ị ớ ủ ệ ể giao đi m X ra xa tâm sao cho giao đi m X ch y ngang theo đ ể ể ạ ườ ng kính h ệ vân.

Đi u ch nh núm xoay 3 d ch chuy n ngang ng kính sao cho giao đi m X ề ỉ ị ể ố ể

c a v ch ch th p trong tr c vi th kính trùng v i tâm c a h vân tròn Newton ủ ạ ữ ậ ắ ị ớ ủ ệ

N u h th ng đã đế ệ ố ược đi u ch nh đúng thì khi xoay núm 3, giao đi m X ch y ề ỉ ể ạ ngang theo đường kính c a h vân N u giao đi m X ch y ch ch ra ngoài đủ ệ ế ể ạ ệ ường kính c a h vân, ta có th đi u ch nh b ng cách n i vít 4 và xoay nh ng kính ủ ệ ể ề ỉ ằ ớ ẹ ố

c a tr c vi th kính T đ ng th i ph i h p đi u ch nh v trí h p H trên bàn đ t ủ ắ ị ồ ờ ố ợ ề ỉ ị ộ ặ

m u.ẫ

Nhi m v h c t p 3: ệ ụ ọ ậ Sinh viên hoàn thành nh ng yêu c u sau đây: ữ ầ

1 Trình bày ng n g n các bắ ọ ước ti n hành thí nghi m ế ệ

2 Đ xác đ nh bể ị ước sóng ánh sáng đèn LED, sinh viên c n đo các đ i lầ ạ ượng nào?

1 Trình bày ng n g n các b ắ ọ ướ c ti n hành thí nghi m ế ệ

Bước 1: Xoay núm 3 sao cho giao điểm X nằm trùng với vị trí K tại vân tối thứ

k (k = 4 với qui ước hình tròn tối ở giữa là vân tối thứ 0) Đọc và ghi toa độ x kcủa vân tối thứ k trên thước thẳng và phần lẻ trên du xích

Bước 2: Xoay núm 3 sao cho giao điểm X chạy đến vị trí I tại vân tối thứ i = 1.

Đọc và ghi tọa độ x i của điểm I.

Bước 3: Tiếp tục xoay núm 3 sao cho giao điểm X chạy trên các vị trí I’ và K’.

Đọc và ghi tọa độ của các điểm này

Bước 4: Thực hiện lại các động tác trên 3 lần Tính bước sóng ánh sáng ta bật.

Làm tương tự với LED xanh dương và LED lục (Với LED đỏ k = 4, LED lục k

= 5, LED xanh dương k = 6).

2 Để xác định bước sóng ánh sáng đèn LED, sinh viên cần đo các đại lượng nào?

Vì không thể đạt được tiếp xúc điểm giữ bản thủy tinh và thấu kính nên vân tối trung tâm là một vệt hình tròn chứ không phải một điểm Vì thế không thể xác định chính xác được tâm hệ vân nên ta không thể đo bán kính thông qua tọa độ tâm hệ vân

và rìa đường tròn vân tối mà đi tìm đường kính mỗi vân tối thông qua tọa độ hai rìa đường tròn vân tối

Để xác định bước sóng ánh sáng đèn LED, sinh viên cần đo các đại lượng: + Tọa độ của x x i, k tại vị trí I và K ứng với vân tối thứ i và thứ k

+ Tọa độ của x x'i, 'k

tại vị trí I’ và K’ ứng với vân tối thứ i’ và k’.