BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN QUANG KIỂM CHỨNG ĐỊNH LUẬT MALUS KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG PHÂN CỰC QUAY (ĐƯỜNG KẾ)

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN QUANG HKI 2022 2023 BÀI 8 KIỂM CHỨNG ĐỊNH LUẬT MALUS KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG PHÂN CỰC QUAY (ĐƯỜNG KẾ) Hiện diện Điểm 1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Kiểm chứng định luật Malus Khảo sát góc q.

BÀI 8: KIỂM CHỨNG ĐỊNH LUẬT MALUS

- KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG PHÂN CỰC QUAY (ĐƯỜNG KẾ)

1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

Kiểm chứng định luật Malus

Khảo sát góc quay R của mặt phẳng chấn động của ánh sáng phân cực thẳng khi đi qua một dung dịch quang hoạt để xác định năng suất triền quang riêng ( ) của chất quang hoạt hòa tan

2 BỐ TRÍ, DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM

Chú ý: Bài thí nghiệm này chỉ thực hiện thí nghiệm khảo sát hiện tượng phân cực quay do bài

thí nghiệm kiểm chứng định luật Malus đã được bỏ

 Các dụng cụ thí nghiệm:

Triền quang kế

Xác định góc quay của mặt phẳng chấn động sáng của ánh sáng phân cực thẳng khi đi qua

chất triền quang

Ống đựng dung

Bình pha dung

dịch đường có

chia vạch và cốc

đong dung dịch

Pha dung dịch đường và xác định

thể tích dung dịch

Máy khuếch đại

điện áp

(Không có trong phòng thí

nghiệm)

Kính phân cực

Chuyển ánh sáng từ nguồn sáng thành ánh sáng phân cực thẳng (Nicol phân cực: chuyển ánh sáng

tự nhiên thành ánh sáng phân cực

thẳng

Nicol phân tích: nhận biết ánh

sáng phân cực thẳng)

Cảm biến

 Cấu tạo triền quang kế:

ST

1 Đèn Natri Tạo một nguồn sáng đơn sắc tự nhiên

2 Nicol phân cực P Chuyển ánh sáng tự nhiên từ đèn Natri thành ánh

sáng phân cực thẳng

3 Tấm chắn sáng D Bản nửa sóng chắn nửa thị trường có cạnh thẳng

đứng song song với một phương ưu đãi

4 Bộ phận để ống T có chiều dài cho

sẵn

Đặt ống T chứa dung dịch quang hoạt cần khảo sát (dung dịch đường)

5 Nicol phân tích A gắn liền vào

một thước tròn có chia độ Nhận biết hướng phân cực của ánh sáng truyền tới.

6 Thước đo góc có chia độ Đo góc xoay của nicol phân tích A

7 Kính ngắm L Quan sát cường độ ánh sáng của thị trường khi đi

qua triền quang kế

8 Núm răng cưa để quay nicol phân

tích

Được dùng để điều chỉnh góc quay của nicol phân tích A

 Thước đo góc trên triền quang kế:

Thước chính là thước tròn được khắc thành từng vạch có giá trị 10

Du xích được chia thành 20 vạch có giá trị 1/20 độ

Du xích gắn cố định, khi ta quay mặt phẳng chính của Nicol A thì thước sẽ quay theo Giới hạn du xích là 10 gồm 20 vạch, giá trị 1 vạch là 1/20 (0,050)

 Như vậy, giá trị 1 vạch trên du xích là

0 1 20

n

(với n là số chỉ của du xích)

 Cách đọc thước:

Ở vị trí cần đo ta đọc phần chẵn trên thước chính và phần lẻ ta xem trên thước du xích vạch nào trùng với thước ta đọc giá trị đó

Ví dụ: Giá trị góc đo được trong hình trên là: 470 + 60/10 = 47,60

3 CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

Bước 1 Chỉnh máy:

Nhìn vào kính ngắm nếu thấy hai vùng sáng không đều, quay Nicol phân tích A bằng núm vặn

để cho hai vùng sáng đều nhau Ghi nhận giá trị Ro

Bước 2 Pha các dung dịch quang hoạt.

- Dùng cân bán tiểu ly cân m = 5g đường (chất quang hoạt cần khảo sát) rồi hòa tan vào trong một thể tích thích hợp để có vừa đúng 100ml dung dịch, nồng độ của dung dịch là:

100

m

C 

- Sau đó pha loãng dần dung dịch trên để có các dung dịch nồng độ khác nhau

- Lần lượt rút ra 20ml dung dịch vừa khảo sát thay bằng 20ml nước cất

Ta đã có: C0 = 5 %

Vậy C1 = 80/100 C0 = 4 %

C2 = 80/100 C1 = 3,2 %

C3 = 80/100 C2 = 2,56 %

Bước 3 Đổ dung dịch vào ống T (đổ nhẹ, hạn chế bọt khí)

Bước 4 Đo góc quay R

- Sau khi đặt ống T lên máy, vặn núm để hai vùng sáng đều nhau (lần 2) Ghi nhận R'

- Lấy R’ – R 0 = R chính góc quay của mặt phẳng chấn động sáng.

Bước 5 Kết quả

- Tính triền quang suất [] của chất quang hoạt bằng định luật Biot:

 

R l C

với l: chiều dài ống T (cm); C : nồng độ dung dịch.

- Vẽ đường đo với chất quang hoạt khảo sát : R = f(C)

- Dùng đường biểu diễn để kiểm chứng định luật Biot

- Dùng đường thẳng đo trên để định nồng độ của một dung dịch cho sẵn cùng chất quang hoạt đó

4 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

- Độ chia nhỏ nhất của thước chính: 10

- Độ chia nhỏ nhất của du xích:

0

0 0

1

0, 05 0 3'

- Du xích có 20 vạch chia

- Chiều dài ống T: l 10cm

Giai đoạn chỉnh máy: hai nửa thị trường sáng đều lần 1, R 0 0, 2o

0 5%

C  R' o R o R o   (độ.cm2/g)

0, 01 2

5% 0,11%

5, 00 100

            

 

 

0 0

0

0,033 0,1 0,11%

0,042 4, 2%

3, 25 10 5%

C







   0   4, 2%.6,5 0, 273

Vậy        6,50 0, 273  độ.cm2/g

0

1

80

4%

100

C  C  R' o R o R o   (độ.cm2/g)

Trung bình 2,567 0,0557 6,4167

0,01 2

4% 0, 09%

5, 00 100

            

 

 

1 1

1

0, 0557 0,1 0, 09%

0,054 5, 4%

2,567 10 4%

C







   1   5, 4%.6, 4167 0,3465

Vậy        6, 4167 0,3465  độ.cm2/g

1

2

80

3, 2%

100

C  C  R' o R o R o   (độ.cm2/g)

0,01 2

.3, 2% 0, 07%

5,00 100

            

 

 

2 2

2

0, 0223 0,1 0, 07%

0, 043 4,3%

2,033 10 3, 2%

C







   2   4,3%.6, 687 0, 288

Vậy        6, 687 0, 288  độ.cm2/g

2

3

80

2,56%

100

C  C  R' o R o R o   (độ.cm2/g)

0, 01 2

.2,56% 0,06%

5,00 100

            

 

 

3 3

3

0, 0223 0,1 0, 06%

0,047 4,7%

1,633 10 2,56%

C







   3   4, 7%.6, 712 0,315

Vậy        6, 712 0,315  độ.cm2/g

* Đồ thị khảo sát góc triền quang R và nồng độ C của dung dịch đường R = f(C).

Từ bảng số liệu, ta có đồ thị sau:

Nhận xét: Dựa vào đồ thị, ta thấy sự phụ thuộc của góc triền quang R vào nồng độ C(%) là

tuyến tính, điều này có nghĩa là hệ số góc của đồ thị là không đổi và bằng giá trị của năng suất triền quang [y] của dung dịch đường Điều này phù hợp với lý thuyết vì năng suất triền quang chỉ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng và nhiệt độ

5 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

* Nhận xét:

Từ kết quả thu được từ thí nghiệm, ta thấy:

Số liệu đo được từ thí nghiệm phù hợp với thực tế Cụ thể: Năng suất triền quang của dung dịch đường vào khoảng 6,5 độ.cm2/g trong khi số liệu thu được từ thí nghiệm trong các lần đo với nồng độ dung dịch khác nhau vào khoảng từ 6,471 độ.cm2/g đến 6,712 độ.cm2/g với sai số trong từng trường hợp khá thấp (từ khoảng 2% đến 5%) Điều này chứng tỏ độ chính xác của thí nghiệm

ở mức tốt

* Nguyên nhân sai số:

Tuy nhiên kết quả từ thí nghiệm vẫn có độ sai lệch so với kết quả chính xác bởi một số nguyên nhân sau:

+ Người thực hiện thí nghiệm đọc chưa đúng giá trị góc quay R, R0 trên thước đo, du xích (có thể do đặt mắt chưa đúng vị trí, …)

+ Chưa xác định được chính xác vị trí cho 2 nửa thị trường sáng đều nhau khi không có dung dịch đường và khi có dung dịch đường do cảm nhận của mắt người làm thí nghiệm chưa tốt

+ Sai số dụng cụ như cân, bình chia độ, thước đo, …

+ Trong ống đựng dung dịch đường vẫn còn một số bọt khí làm cho khó nhìn vùng sáng + Cân khối lượng đường, đong nước trong bình chia độ chưa chính xác

+ Trong quá trình đo góc R, R0; người thực hiện thí nghiệm vô ý chạm vào núm xoay nicol phân tích làm góc R, R0 bị thay đổi dẫn đến việc đọc sai kết quả đo

+ Tiêu cự của ống nhắm điều chỉnh sai lệch làm cho người làm thí nghiệm không thấy rõ 2 nửa thị trường mà chỉ mấy ảnh mờ

* Cách khắc phục:

+ Thực hiện thí nghiệm nhiều lần để giảm sai số

+ Điều chỉnh tiêu cự của kính ngắm để quan sát 2 vùng thị trường rõ hơn

+ Xoay nút điều chỉnh từ từ thước và nhìn thẳng vuông góc với thước và du xích để đọc

số liệu chính xác

6 TRẢ LỜI CÂU HỎI

Nhiệm vụ học tập 1: Từ tài liệu tham khảo (Lương Duyên Bình, 2007), nếu chất triền quang là

tinh thể rắn, trình bày công thức Biot để tính góc triền quang R.

Nếu chất triền quang là tinh thể rắn (thạch anh, NaClO3,…) thì công thức Biot là:

R d

Trong đó:

d: bề dày của bản tinh thể

: khối lượng riêng của bản tinh thể (g/cm3)

  : năng suất triền quang (chỉ phụ thuộc bước sóng ánh sáng và nhiệt độ)

R: góc quay của mặt phẳng chấn động sáng (độ)

Nhiệm vụ học tập 3: Sinh viên quan sát triền quang kế, kết hợp đọc tài liệu thí nghiệm giới

thiệu về triền quang kế, đối chiếu với sơ đồ khối của triền quang kế mục 4.3 và xem video trong tài liệu tham khảo số 4 để hoàn thành những yêu cầu sau:

1 Nêu tên và công dụng các bộ phận đánh số từ 1 đến 8 trong Hình 8.9

2 Xác định độ chia nhỏ nhất trên vành chia độ chính

3 Xác giá trị 1 vạch trên du xích

4 Đọc và ghi giá trị góc đo được ở ví dụ Hình 8.5

5 Nêu tên một số chất triền quang mà em biết

6 Hãy trình bày đặc điểm và tính chất của ánh sáng từ đèn Natri qua từng bộ phận của triền

quang kế

1 Nêu tên và công dụng các bộ phận đánh số từ 1 đến 8 trong Hình 8.9

(Phần 2)

2 Xác định độ chia nhỏ nhất trên vành chia độ chính: 10

3 Xác giá trị 1 vạch trên du xích: 0,050 = 30’

4 Đọc và ghi giá trị góc đo được ở ví dụ Hình 8.5:

Giá trị của góc đo được là

47 6 47,6

10

hay

47 12 47,6

20

5 Nêu tên một số chất triền quang mà em biết

Một số chất triền quang mà em biết:

+ Chất triền quang là chất rắn: thạch anh, NaClO3,…

+ Chất triền quang là chất lỏng: nicotin lỏng, dung dịch rượu, dung dịch đường, …

6 Hãy trình bày đặc điểm và tính chất của ánh sáng từ đèn Natri qua từng bộ phận của triền quang kế.

+ Ánh sáng vừa được phát ra từ đèn Natri là ánh sáng tự nhiên

+ Ánh sáng từ đèn Natri qua Nicol phân cực P trở thành ánh sáng phân cực thẳng có vector chấn động sáng là OP

+ Ánh sáng phân cực này đi 1 phần đi qua bản nửa sóng trở thành ánh sáng phân cực thẳng '

OP Phần không đi qua bản nửa sóng vẫn là ánh sáng phân cực thẳng OP



Nhiệm vụ học tập 4: Sinh viên sử dụng dụng cụ cân điện tử và ống thủy tinh chia vạch 100ml để

hoàn thành những yêu cầu sau:

1 Trình bày cách pha để có 100ml dung dịch đường nồng độ 5%; Nếu lấy 20ml từ bình dung dịch

5% và thay thế bằng 20ml nước cất thì sẽ có dung dịch mới với nồng độ bao nhiêu?

2 Chứng minh công thức sai số C từ công thức 8.1

1 Trình bày cách pha để có 100ml dung dịch đường nồng độ 5%; Nếu lấy 20ml từ bình dung dịch 5% và thay thế bằng 20ml nước cất thì sẽ có dung dịch mới với nồng độ bao nhiêu?

Dùng cân bán tiểu ly cân m = 5 gam đường rồi hòa tan vào trong một thể tích nước thích hợp

để có vừa đúng 100ml dung dịch đường Nồng độ của dung dịch vừa pha được tính theo công thức:

5 5%

100 100

m

Sau đó pha loãng dần dung dịch trên để có các dung dịch nồng độ khác nhau Lần lượt rút ra 20ml dung dịch vừa khảo sát thay bằng 20 ml nước cất Khối lượng đường còn lại trong 80 ml

dung dịch C 0 5% là m ' 80.C Nếu thêm 20 ml nước cân vào phần 80 ml dung dịch đường 5% thì sẽ được dung dịch mới có nồng độ:

1

.5% 4%

100 100 100

m

Vậy:

80

3, 2%

100 80

2,56%

100

2 Chứng minh công thức sai số C từ công thức 8.1

Ta có công thức 8.1:

m C V

 Lấy loga nepe hai vế:

lnC lnm lnV

Lấy vi phân toàn phần hai vế:

C  m  V

Thay ‘d’ bằng ‘’ là đổi dấu ‘-’ thành ‘+’ ta được công thức sai số C là:

C m V

    Mặt khác:

 

R

l C

  Lấy loga nepe hai vế:

 

ln  lnR lnl lnC

Lấy vi phân toàn phần hai vế:

 

 



Thay ‘d’ bằng ‘’ là đổi dấu ‘-’ thành ‘+’ ta được công thức sai số   là:

 

 







Trong đó:

Sai số dụng cụ của bình chia độ: V 2ml

Sai số dụng cụ của cân:m0.01g

Sai số dụng cụ của thước đo góc trên đường kế: R dc 0 03'0

Sai số dụng cụ đo chiều dài của ống T:  l 0.1cm

Nhiệm vụ học tập 5: Trong quá trình điều chỉnh máy để hai nửa thị trường sẽ có 2 vị trí để hai nửa

thị trường sáng đều, một vị trí cho giá trị góc Ro nhỏ, một vị trí cho giá trị góc Ro lớn Sinh viên kiểm tra lại xem 2 vị trí này góc có hợp nhau 90o hay không? Sinh viên hãy lý giải điều này dựa

trên lý thuyết về phương ưu đã của tinh thể dị hướng.

Trong quá trình điều chỉnh máy sẽ có 2 vị trí sao cho 2 nửa thị trường sáng đều, một vị trí cho giá trị góc R0 nhỏ (ứng với trường hợp AA’ trùng với Ox), một vị trí cho giá trị góc R0 lớn (ứng với trường hợp AA’ trùng với Oy) Hai vị trí này có góc hợp nhau 90o do ánh sáng phân cực

thẳng đi qua bản nửa sóng thì 2 vector OP OP, '

 

sẽ đối xứng với nhau qua một trong 2 phương ưu đãi, khi trục AA’ của nicol phân tích trùng với 1 trong 2 phương ưu đãi thì hình chiếu từng vector lên trục AA’ sẽ bằng nhau  Hai nửa thị trường sáng đều

Nhiệm vụ học tập 6: sinh viên tiến hành thí nghiệm và hoàn thành những yêu cầu sau:

1 Trình bày mục tiêu của hoạt động học tập

2 Để xác định năng suất triền quang   của dung dịch đường nồng 5%, sinh viên cần đo các đại lượng nào? Gợi ý: Dựa vào công thức Biot

3 Trình bày cách bố trí dụng cụ thí nghiệm và ghi rõ vai trò của từng dụng cụ trong bố trí Lưu ý:

Chụp hình minh họa bố trí thí nghiệm

4 Trình bày ngắn gọn các bước tiến hành thí nghiệm

5 Tiến hành thí nghiệm đo các đại lượng cần đo và kẻ bảng số liệu các giá trị cần đo đạc và tính

sai số phép đo Lưu ý: sinh viên lấy số liệu ít nhất 3 lần cho mỗi đại lượng cần đo

6 Cho 20ml nước cất vào 80ml nước đường 5%, thực hiện lại bước 5 để đo năng suất triền quang

đối với dung dịch có nồng độ mới, thực hiện 3 lần như vậy để có được bảng số liệu   của 4 nồng

độ dung dịch khác nhau

7 Trình bày kết quả bảng số liệu, vẽ đồ thị khảo sát góc triền quang R và nồng độ C của dung dịch

đường R = f(C), nhận xét về đồ thị vẽ được

1 Trình bày mục tiêu của hoạt động học tập

Khảo sát góc quay R của mặt phẳng chấn động của ánh sáng phân cực thẳng khi đi qua một dung dịch quang hoạt để xác định năng suất triền quang riêng ( ) của chất quang hoạt hòa tan

2 Để xác định năng suất triền quang   của dung dịch đường nồng 5%, sinh viên cần đo các đại lượng nào? Gợi ý: Dựa vào công thức Biot

Để xách định năng suất triền quang của dung dịch đường thì cần đo đại lượng góc, chiều dài ống T và nồng độ của dung dịch đường

3 Trình bày cách bố trí dụng cụ thí nghiệm và ghi rõ vai trò của từng dụng cụ trong bố trí Lưu ý: Chụp hình minh họa bố trí thí nghiệm

(Phần 2)

4 Trình bày ngắn gọn các bước tiến hành thí nghiệm

(Phần 3)

5 Tiến hành thí nghiệm đo các đại lượng cần đo và kẻ bảng số liệu các giá trị cần đo đạc và tính sai số phép đo Lưu ý: sinh viên lấy số liệu ít nhất 3 lần cho mỗi đại lượng cần đo

(Phần 4)

6 Cho 20ml nước cất vào 80ml nước đường 5%, thực hiện lại bước 5 để đo năng suất triền quang đối với dung dịch có nồng độ mới, thực hiện 3 lần như vậy để có được bảng số liệu   của 4 nồng độ dung dịch khác nhau

(Phần 4)

7 Trình bày kết quả bảng số liệu, vẽ đồ thị khảo sát góc triền quang R và nồng độ C của dung dịch đường R = f(C), nhận xét về đồ thị vẽ được.

(Phần 4)

7 TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tổ Vật lý Đại cương (HKI 2019 – 2020) Tài liệu Thí nghiệm Điện – Quang Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh

Tổ Vật lý Đại cương (2020) Thí nghiệm Vật lý Đại cương 2 Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh

Tổ Vật lý Đại cương (2020) Tài liệu bổ trợ - Học phần thực hành Vật lý Đại cương Khoa Vật

lý, Trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh

Nguyễn Trần Trác (chủ biên) (2005) Giáo trình Quang học NXB ĐH Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh, tr.144-207