CƠ SỞ LÝ THUYẾT Theo thuyết điện từ của Maxwell, ánh sáng là sóng điện từ tức là loại sóng ngang, trong đó vectơ điện trường E hay còn gọi là vectơ sóng sáng luôn dao động theo phương vu
Trang 1Bài 3 KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG PHÂN CỰC ÁNH SÁNG
NGHIỆM ĐỊNH LUẬT MALUS
DỤNG CỤ :
1 Nguồn phát tia laser bán dẫn;
2 Bản kính phân cực;
3 Thước đo góc 0-3600, độ chính xác 10
4 Cảm biến photodiode silicon + ống che sáng;
5 Bộ khuếch đại và chỉ thị cường độ sáng;
6 Giá quang học
I CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Theo thuyết điện từ của Maxwell, ánh sáng là sóng điện từ tức là loại sóng ngang, trong
đó vectơ điện trường E hay còn gọi là vectơ sóng sáng luôn dao động theo phương vuông góc với
phương truyền sáng (tia sáng)
Ánh sáng tự nhiên là tập hợp vô số các đoàn sóng do những nguyên tử riêng biệt trong
nguồn sáng phát ra, nên vectơ sóng sáng E của mỗi đoàn sóng có phương dao động rất khác nhau
và mang tính ngẫu nhiên Vì vậy theo định nghĩa, ánh sáng trong đó vectơ sóng sáng E dao động đều đặn theo mọi phương vuông góc với tia sáng được gọi là ánh sáng tự nhiên
Ánh sáng có vectơ sóng sáng E chỉ dao động theo một phương xác định vuông góc với tia sáng gọi là ánh sáng phân cực toàn phần (hay còn gọi là ánh sang phân cực thẳng) Mặt phẳng chứa tia sáng và phương dao động của vectơ sóng sáng E gọi là mặt phẳng dao động Mặt phẳng chứa tia sáng và vuông góc với mặt phẳng dao động gọi là mặt phẳng phân cực
Có thể tạo ra ánh sáng phân cực phẳng bằng cách cho ánh sáng tự nhiên truyền qua các
bản phân cực (pôlarôit hoặc hêrapatit) Thực nghiệm chứng tỏ ánh sáng tự nhiên, sau khi truyền qua bản phân cực, sẽ trở thành ánh sáng phân cực thẳng, có vectơ sóng sáng E dao động theo phương song song với quang trục Q của bản phân cực Nếu ánh sáng truyền tới bản phân cực là
này, thì chỉ có thành phần E1 song song với quang trục Q mới truyền được qua bản, còn thành phần E2 vuông góc với quang trục Q sẽ bị cản lại Dễ dàng nhận thấy :
E 1 = E cos .
Vì cường độ sáng tỷ lệ thuận với bình phương biên độ vectơ sóng sáng, nên nếu E0 là biên độ của vectơ sóng sáng E và I0 E02là cường độ sáng của ánh sáng phân cực thẳng
truyền tới bản phân cực, thì biên độ của thành phần vectơ sóng sáng E1 truyền qua bản phân cực
sẽ là E01E0 cos và cường độ sáng I1 ở phía sau bản phân cực bằng :
I1E012 E0 cos 2 hay I 1 = I 0 cos 2 (1)
Đây là công thức của định luật Malus về phân cực ánh sáng Rõ ràng, khi =0 thì cos =1
cường độ sáng sau bản kính phân cực đạt cực đại I1max= I0 ; còn khi = 900 thì cos = 0 :
cường độ sáng sau bản kính phân cực sẽ cực tiểu I1min= 0
Trang 2II TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM
1 Quan sát bộ thiết bị thí nghiệm: gồm một diode laser DL (3,8V - 5 mW) phát ra chùm tia laser màu đỏ chiếu vuông góc vào tâm của mặt bản phân cực P Một thước tròn T (được chia độ từ 0
3600) gắn chặt với bản phân cực P dùng đo góc giữa phương của vectơ sóng sáng E truyền tới
bản phân cực P và quang trục Q của bản này Để khảo sát sự thay đổi cường độ của ánh sáng phân cực sau khi truyền qua bản phân cực P, ta dùng một cảm biến quang điện silicon QĐ đặt ở bên trong một ống che sáng Tín hiệu laser truyền qua bản kính phân cực tới rọi vào cảm biến quang điện silicon QĐ được đưa vào bộ khuếch đại và chỉ thị cường độ sáng KĐ nhờ một chốt cắm C Toàn bộ thiết bị thí nghiệm đặt trên cùng một giá quang học G
2 Cắm phích lấy điện của bộ khuếch đại và chỉ thị cường độ sáng KĐ vào nguồn điện ~ 220V Chọn thang đo 1,5mV Vặn núm biến trở R về vị trí tận cùng bên trái Bấm khóa đóng điện K trên mặt của bộ khuếch đại KĐ: đèn tín hiệu LED phát sáng Nới lỏng vít hãm V và quay ống chắn sáng của cảm biến quang điện QĐ để trục của nó không đi qua tâm của bản phân cực P Chờ khoảng 5 phút để bộ khuếch đại KĐ ổn định, thực hiện việc điều chỉnh vị trí số 0 của milivonkế điện-tử Nếu kim của điện kế không chỉ đúng số 0 thì phải vặn từ từ núm "qui 0" để cho kim chỉ thị của nó quay trở về đúng số 0 Chú ý: Sau khi điều chỉnh xong, phải giữ nguyên vị trí này của núm "qui 0" trong suốt thời gian làm thí nghiệm
3 Cắm phích lấy điện của bộ nguồn nuôi diode laser DL vào nguồn điện xoay chiều ~220V Bật công tắc K của diode laser DL, ta sẽ nhận được chùm tia sáng laser màu đỏ Điều chỉnh để chùm tia sáng laser phát ra từ cửa sổ của diode laser DL đi qua tâm của bản phân cực P và chiếu vào tâm của vít V bằng cách quay ống chắn sáng của cảm biến quang điện QĐ để trục của nó đi qua tâm của bản phân cực P Khi đó giữ nguyên độ cao của cảm biến quang điện QĐ và để cho chùm tia laser rọi thẳng vào cảm biến quang điện QĐ
4 Quay thước tròn chia độ T cho tới khi kim của điện kế đạt độ lệch lớn nhất Vặn núm biến trở R của bộ khuếch đại sao cho độ lệch lớn nhất đó khoảng 100, đó chính là giá trị ứng với góc = 0 trong bảng 1 Đọc và ghi giá trị góc ban đầu trên thước tròn chia độ T của bản phân cực P
5 Tiếp tục quay thước tròn chia độ T để tăng góc (mỗi lần tăng 50) từ giá trị ban đầu đến giá trị
= 900 Đọc và ghi các giá trị tương ứng của góc và của cường độ sáng I1 (tỷ lệ với giá trị trên
microvônkế ) trong mỗi lần đo vào bảng 1
6 Đọc và ghi các số liệu sau đây vào bảng 1:
- Độ chia nhỏ nhất của thước tròn chia độ T
- Độ chia nhỏ nhất trên thang đo 100 của micrôvônkế điện tử
Trang 3Dựa vào những giỏ trị đo được của cường độ sỏng I1 và của gúc quay tương ứng trong bảng 1,
vẽ đồ thị biểu diễn hàm số:
I 1 = f ( X ) với X = cos hoặc X = cos 2 (3)
Chỳ ý : Cần kiểm tra chớnh xỏc cỏc vị trớ mà tại đú cường độ sỏng đạt cực đại hoặc cực tiểu bằng
cỏch ở lõn cận hai phớa của mỗi vị trớ này (trong giới hạn 50) chỉ thay đổi mỗi lần 10 đối với gúc
quay và đọc giỏ trị cường độ sỏng I1 tương ứng Từ đú cú thể xỏc định chớnh xỏc vị trớ mặt
phẳng phõn cực của chựm tia laser
Khởi động ch ơng trình máy tính:
Trong thanh “Start” chọn “Program” và
chọn Cassy Lab , nhấp đúp chuột vào “ ”
UA1, chọn 0 -10V
Cửa sổ input setting “ ” chọn Averagd “
Valuse , left ” “ ”
Nhấp đúp chuột vào UB1, chọn 0 -10V
Cửa sổ input setting “ ” chọn Averagd “
Valuse , left ” “ ”
Cài đặt các trục tọa độ, ở đây hoành độ biểu
thị cosα , tung độ biểu thị cường độ sỏng I
Muốn cài đặt trục tọa độ thì trong của sổ
setting chọn parameter Formula FFT
* Khai báo cờng độ sỏng I:
Chọn new quantity“ ”
Trong hộp select quantity“ ” điền vào tên đại
lợng mới “I”
Chọn “formula” điền công thức chỉ mối
liên hệ đại lợng mới với các đại lợng cũ: UA1/0.45*150
Điền trong “symbol”: I Unit: Cd From:
0 To: 150
*Khai báo cosx
Chọn “new quantity”
Trong hộp “select quantity” điền vào tên
đại lợng mới “cosx”
Chọn formula“ ” điền công thức chỉ mối liên hệ đại lợng mới với các đại lợng cũ:
cos((n-1)*5)
Điền trong “symbol”: cosx Unit: From: 0 To: 1.5
Trong “setting” chọn ‘display”
Chọn “new display”
Trong hộp select display“ ” ghi tên đồ thị I – cosx cosx
Trong X – cosx Axis chọn cosx và Y – cosx Axis chọn I
Sau đó bấm F9 để bắt đầu đo, với mỗi lần dịch chuyển thước đo 5 độ, bấm F9 Để mỏy tớnh vẽ
đồ thị cường độ sỏng tỷ lệ với cos2x thì chọn trục X – Axis là cos2x, mỏy tớnh sẽ vẽ đồ thị cường
độ sỏng tỷ lệ với cos2x
III CÂU HỎI KIỂM TRA
1 Phõn biệt ỏnh sỏng tự nhiờn và ỏnh sỏng phõn cực một phần, toàn phần Hiện tượng phõn cực chỳng tỏ bản chất gỡ của ỏnh sỏng? Ánh sỏng là súng ngang hay súng dọc? Tại sao?
2 Định nghĩa kớnh phõn cực Giải thớch tại sao khi chựm tia laser truyền qua bản phõn cực P thỡ
cường độ sỏng I ở phớa sau bản phõn cực P lại thay đổi phụ thuộc vào gúc giữa vectơ súng sỏng
E truyền tới bản phõn cực P và quang trục Q của bản đú.
3 Viết biểu thức của định luật Malus về phõn cực ỏnh sỏng và giải thớch cỏc đại lượng trong biểu thức Hóy dựng vecto súng sỏng E để dẫn đến biểu thức này Nờu nguyờn lý đo cường độ sỏng trong bài thớ nghiệm? Thớ nghiệm rỳt ra điều gỡ về ỏnh sỏng laser?
Trang 4BÁO CÁO THÍ NGHIỆM
KHẢO SÁT SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG NGHIỆM ĐỊNH LUẬT MALUS
Xác nhận của thày giáo
Trường
Lớp Tổ
Họ tên
I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM
II KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
- Giá trị độ chia nhỏ nhất của thước đo góc T :
- Giá trị độ chia nhỏ nhất trên milivônkế mV :
Vẽ đồ thị I = f ( X ) với X = cos hoặc X = cos 2
và rút ra kết luận: