Đo vận tốc ánh sáng sử dụng cặp xung laser nano giây

Cùng với việc nghiên cứu chế tạo các hệ thí nghiệm hiện đại để đo chính xác vận tốc ánh sáng, nghiên cứu chế tạo các bộ thí nghiệm đơn giản đo vận tốc ánh sáng phục vụ cho dạy học vật lý

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH -

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH -

L ỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, sâu sắc đến thầy giáo PGS TS Nguyễn Huy Bằng, người đã định hướng và tận tình hướng dẫn để giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô giáo Trường Đại học Vinh đã giảng dạy

và truyền thụ những kiến thức, kỹ năng và kinh nghiệm nền tảng cốt lõi và bổ ích C hân thành cảm ơn TS Phan Văn Thuận và nghiên cứu sinh Lương Thị Yến Nga đã tận tình giúp đỡ và có nhiều ý kiến đóng góp quý báu cho tôi trong quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình và bạn bè đồng nghiệp

đã luôn ủng hộ, tạo điều kiện giúp đỡ và động viên tôi vượt qua những khó khăn trong quá trình học tập

Xin chân thành cảm ơn!

Nghệ an, tháng 07 năm 2018

Tác giả

M ỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM ƠN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC HÌNH VẼ 4

MỞ ĐẦU 5

1 Lí do chọn đề tài 5

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 7

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 7

4 Nhiệm vụ nghiên cứu 8

5 Phương pháp nghiên cứu 8

6 Nội dung nghiên cứu 8

7 Bố cục luận văn 8

Chương 1: SƠ LƯỢC VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO VẬN TỐC ÁNH SÁNG 10

1.1 T ổng quan về ánh sáng 10

1.2 V ận tốc ánh sáng 11

1.3 M ột số phương pháp đo vận tốc ánh sáng 13

1.3.1 Thiên văn học 13

1.3.2 Kỹ thuật đo thời gian bay 15

1.3.3 Hằng số điện từ 17

1.3.4 Phương pháp giao thoa 18

1.4 Một số bộ thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng trong dạy học 21

1.4.1 Bộ thí nghiệm của hãng Lambda Scientific Systems 21

1.4.2 Bộ thí nghiệm của hãng PHYWE 22

1.4.3 Bộ thí nghiệm của hãng Science First 22

1.4.4 Ưu điểm và nhược điểm các bộ thí nghiệm 23

1.5 Kết luận chương 1 24

Chương 2: ĐO VẬN TỐC ÁNH SÁNG SỬ DỤNG CẶP XUNG LASER NANO GIÂY 25

2.1 Thiết kế 25

2.1.1 Sơ lược về xung laser 25

2.1.2 Sơ đồ thiết kế 26

2.2 Các thiết bị/linh kiện 29

2.2.1 Nguồn laser rắn phát xung 29

2.2.2 Bản tách chùm và các gương phản xạ 30

2.2.3 Đầu thu quang 30

2.2.4 Dao động kí 31

2.2.5 Mặt bàn quang học 31

2.3 Thực nghiệm đo vận tốc ánh sáng 32

2.4 Kết quả xử lý số liệu 36

2.5 Kết luận chương 2 37

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG MỞ RỘNG ĐỀ TÀI 39

TÀ I LIỆU THAM KHẢO 41

DANH M ỤC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Mô hình sóng điện từ 10

Hình 1.2 Vận tốc của ánh sáng trong các môi trường khác nhau 12

Hình 1.3 Sự che khuất vệ tinh Io của sao Mộc của Roemer 14

Hình 1.4 Thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng của Galilei 15

Hình 1.5 Nguyên lý thí nghiệm với bánh xe răng cưa của Armand Fizeau 16

Hình 1.6 Thí nghiệm với gương xoay Foucault 16

Hình 1.7 Giao thoa kế Michelson - Morley 18

Hình 1.8 Bộ thí nghiệm của Lambda Scientific Systems 21

Hình 1.9 Bộ thí nghiệm của PHYWE 22

Hình 1.10 Thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng Science First 23

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý đo vận tốc ánh sáng bằng xung laser 26

Hình 2.2 Sơ đồ thiết kế quang trình của hệ đo vận tốc ánh sáng bằng cặp xung laser 28

Hình 2.3 Đầu thu photodiode, model FDS010 của hãng Thorlabs 31

Hình 2.4 Bản vẽ mặt bàn quang học 32

Hình 2.5 Ảnh chụp bố trí hệ đo vận tốc ánh sáng 33

Hình 2.6 Dùng tấm bìa chắn chùm sáng trên nhánh thứ 2 34

Hình 2.7 Ảnh chụp màn hình dao động ký cho hai trường hợp hiệu quang trình cực đại và cực tiểu 35

M Ở ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Từ thời xa xưa cho đến nay, ánh sáng luôn là đối tượng được quan tâm nghiên cứu bởi nó không chỉ liên quan trực tiếp tới sự sống của nhân loại mà còn có nhiều hiện tượng quang dẫn đến sự ra đời của lý thuyết vật lý mới (thuyết lượng tử, thuyết hấp dẫn) Vận tốc ánh sáng trong chân không được ký hiệu bằng chữ "c" và thường xuất hiện trong nhiều phương trình thuộc lý thuyết của vật lý hiện đại, đặc biệt là thuyết tương đối của Einstein Tuy nhiên, đại lượng này có giá trị lớn (giá trị giới hạn của mọi chuyển động) nên việc đo chính xác thường gặp nhiều khó khăn Hệ quả là có thể dẫn đến sai số của các phép đo liên quan Vì vậy, đo chính xác vận tốc ánh sáng là một vấn đề quan trọng được

quan tâm trong tiến trình phát triển của vật lý học

Về mặt lịch sử, Nhà triết học Empedocles là người đầu tiên bàn đến vấn

đề vận tốc ánh sáng là hữu hạn [1] Ông cho rằng ánh sáng là một thứ gì đó có chuyển động do vậy nó cần thời gian để đi một quãng đường Tuy nhiên, mãi tới

1676 thì Roemer mới ước lượng giá trị vận tốc ánh sáng [2] Bằng quan sát chu

kỳ của vệ tinh vòng trong của Sao Mộc ông thấy chu kỳ của nó nhỏ hơn khi Trái Đất ở gần Sao Mộc so với khi Trái Đất ở xa Sao Mộc, và ông kết luận rằng ánh sáng có vận tốc hữu hạn, và ông đã ước lượng được giá trị bằng 71% giá trị được chấp nhận ngày nay Tiếp đến, Christiaan Huygens kết hợp phương pháp này và phương pháp tính quỹ đạo Trái Đất để tìm ra vận tốc ánh sáng bằng 220000 km/s, thấp hơn 26% so với giá trị hiện nay [2] Năm 1729, James Bradley khám phá ra hiện tượng quang sai Từ hiệu ứng này ông xác định được vận tốc của ánh sáng là 301000 km/s [2] Năm 1849, Armand Fizeau đã đo vận tốc ánh sáng dựa trên phép đo thời gian bay trên mặt đất với giá trị 315000 km/s [3] Đến năm 1926, Albert Michelson đã phát minh ra hệ thống sử dụng một tấm gương quay để đo vận tốc ánh sáng, với kết quả thu được 299910 ± 50 km/s [4] Sau đó, chính Michelson đã cải tiến thiết bị để tăng được độ chính xác của phép

đo bằng cách tăng quãng đường lên 35 km, khi đó sai số của phép đo giảm xuống ± 4 km/s [4]

Sự ra đời và phát triển của laser năm 1961 đã tạo nên một cuộc cách

mạng trong khoa học công nghệ và ứng dụng Đến năm 1973, Evanson đã sử dụng laser và xác định giá trị của vận tốc của ánh sáng là 299792,4574 ± 0,001 km/s [5] Năm 1975, vận tốc ánh sáng trong chân không được xác định

là 299.792.458 m/s với sai số 4 phần tỉ [6] Năm 1983, đơn vị đo mét được định nghĩa lại trong hệ SI bằng khoảng cách ánh sáng truyền trong chân không trong

thời gian bằng 1/299.792.458 của một giây [6] Kết quả là, giá trị số của c trong

đơn vị mét trên giây được định nghĩa cố định và chính xác

Cùng với việc nghiên cứu chế tạo các hệ thí nghiệm hiện đại để đo chính xác vận tốc ánh sáng, nghiên cứu chế tạo các bộ thí nghiệm đơn giản đo vận tốc ánh sáng phục vụ cho dạy học vật lý ở bậc phổ thông cũng được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm Đến nay, đã có một số bộ thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng được thương mại hóa thị trường Nguyên lý hoạt động của các bộ thí nghiệm này dựa trên hiện tượng giao thoa ánh sáng hoặc sự thay đổi pha giữa chùm laser tới và chùm phản xạ Với sai số cỡ 5%, chúng được sử dụng nhiều trong các phòng thí nghiệm ở các trường đại học và THPT trên thế giới Ưu điểm của các bộ thí nghiệm này là độ chính xác khá cao, nhưng nhược điểm chính là không trực quan, việc tinh chỉnh phải hết sức tinh tế, chỉ đo được vận tốc ánh sáng lan truyền trong các mẫu do nhà sản xuất cung cấp, chỉ triển khai được ở phòng thí nghiệm và tương đối đắt tiền Hơn nữa, để vận hành được những thí nghiệm như vậy đòi hỏi học sinh phải có kiến thức cơ bản về vận tốc pha của ánh sáng Đây chính là hạn chế cơ bản vì học sinh phổ thông ở Việt Nam không được học kiến thức này trong chương trình vật lí

Trước thực tiễn đòi hỏi học sinh cần phải hiểu khái niệm vận tốc ánh sáng lan truyền trong các môi khác nhau trong điều kiện chưa được học các kiến thức

về vận tốc pha và vận tốc nhóm, việc xây dựng bộ thí nghiệm sử dụng các định

luật vật lý đơn giản, dễ hiểu là hết sức cần thiết Hơn nữa, trong bối cảnh toàn ngành đang thực hiện đổi mới từ dạy học theo tiếp cận nội dung sang tiếp cận năng lực, việc tăng cường các hoạt động thực nghiệm cũng hết sức cần thiết, đặc biệt ở trên lớp học Vì vậy, tạo các thí nghiệm nhỏ gọn, trực quan, dễ hiểu, dễ vận hành và thời gian thao tác ngắn cũng hết sức quan trọng Gần đây, đã có một số đề tài đo vận tốc ánh sáng đã theo hướng này [7], tuy nhiên quang trình vẫn còn khá lớn tới hàng chục mét (do sử dụng xung sáng cỡ micromet) nên chỉ

có thể áp dụng trong phòng thí nghiệm và độ trực quan chưa cao, rất khó để dùng thí nghiệm biểu diễn cho cả lớp học Trước thực tiễn đó, chúng tôi chọn đề tài “Đo vận tốc ánh sáng sử dụng cặp xung laser nano giây” để giải quyết những vấn đề thực tiễn nói trên

Mục tiêu chính của đề tài là đề xuất xây dựng được bộ thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng sử dụng cặp xung laser nano giây, dùng cho học sinh ở trường THPT Các mục tiêu cụ thể gồm:

• Đề xuất bộ thí nghiệm nhỏ gọn, đơn giản để đo vận tốc ánh sáng bằng phương pháp đo độ trễ giữa cặp xung laser nano giây

• Thiết kế tối ưu đường đi của các xung sáng để thu gọn kích thước (có thể xách tay), giảm thời gian đo, kết nối với máy tính để tăng cường trực quan khi sử dụng trong lớp học

• Đo vận tốc ánh sáng theo mô hình đề xuất sử dụng các thiết bị hiện có của phòng thí nghiệm Trường Đại học Vinh

Đối tượng nghiên cứu: Xác định vận tốc ánh sáng lan truyền trong môi

trường đồng nhất, đẳng hướng

Phạm vi nghiên cứu: Xác định vận tốc của xung laser lan truyền trong

không khí

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tìm hiểu các phương pháp đo vận tốc ánh sáng theo lịch sử phát triển

- Xây dựng mô hình thí nghiệm

- Chuẩn bị đồ dùng thí nghiệm trên cơ sở các thiết bị hiện có của Trường Đại học Vinh

- Thực hiện thí nghiệm, ghi nhận và phân tích kết quả thí nghiệm

5 Phương pháp nghiên cứu

Chúng tôi sử dụng phương pháp thực nghiệm dựa trên cơ sở lý thuyết về chuyển động đều của ánh sáng qua môi trường đồng nhất, đẳng hướng Tính toán hiệu đường đi giữa hai xung laser cùng với độ phân giải của dao động ký

để rút ra điều kiện thu được tín hiệu rõ nét, cho kết quả đạt đến độ chính xác trong phạm vi sai số cho phép

6 Nội dung nghiên cứu

Trên cơ sở lý thuyết về sự truyền thẳng với vận tốc không đổi của ánh sáng trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng, chúng tôi xây dựng mô hình của bộ thí nghiệm, từ đó lựa chọn các thiết bị, linh kiện để lắp ráp thành bộ thí nghiệm

Thực hiện các phép đo, xử lý số liệu để tìm vận tốc ánh sáng và tính sai

số của phép đo

So sánh giữa bộ thí nghiệm chế tạo được với một số bộ thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng hiện có trên thị trường về các mặt: nguyên lý hoạt động, đo vận tốc ánh sáng trong các môi trường khác nhau, sai số phép đo, giá thành, khả năng tự chế tạo làm đồ dùng dạy Đề xuất hướng phát triển tiếp theo của đề tài

Ngoài các phần mở đầu và kết luận, luận văn được chia làm 2 chương

Chương 1 Trình bày tổng quan các phương pháp đo vận tốc ánh sáng

trong lịch sử và các bộ thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng đang sử dụng trong dạy học hiện nay

Chương 2 Trình bày sơ đồ thiết kế và xây dựng hệ đo vận tốc ánh sáng

sử dụng cặp xung laser nano giây Tiến hành thí nghiệm và xử lý sai số để đánh giá độ chính xác của bộ thí nghiệm

C hương 1

SƠ LƯỢC VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO VẬN TỐC ÁNH SÁNG

Ánh sáng là thuật ngữ được sử dụng trong đời sống hàng ngày với ngụ ý

là ánh sáng nhìn thấy bằng mắt thường, có phổ nằm trong miền có bước sóng trong khoảng từ 380 nm đến chừng 760 nm [8] Đây là miền phổ nằm giữa miền hồng ngoại (có bước sóng dài hơn 760 nm) và miền tử ngoại (có bước sóng ngắn hơn 380 nm) Trong vật lý, thuật ngữ ánh sáng đôi khi đề cập đến bức xạ điện từ

ở bất kỳ miền bước sóng nào, dù có nhìn thấy được hay không

Theo Maxwell ánh sáng là sóng điện từ nên ánh sáng bao gồm hai thành phần, điện trường và từ trường Sóng điện từ là sóng ngang, hai vectơ cường độ điện trường E và cảm ứng từ B luôn vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng Ba vectơ E, B và v tại một điểm tạo thành tam diện thuận [8] (Hình 1.1)

trường, B vectơ cảm ứng từ, v vận tốc truyền sóng

Theo thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein thì chùm ánh sáng là chùm các hạt gọi là phôtôn Mỗi phôtôn có năng lượng xác định ε = hf (với f là tần số

của sóng ánh sáng)[8]

Nếu để giải thích các hiện tượng như giao thoa, nhiễu xạ hay phân cực ánh sáng thì cần phải xem ánh sáng có tính chất sóng Còn để giải thích các hiện tượng như hiện tượng quang điện, hấp thụ, phát xạ, tán xạ… thì cần xem ánh sáng có tính chất hạt Vì vậy, khi đề cập tới tính chất của ánh sáng người ta nói ánh sáng có lưỡng tính sóng – hạt

Ánh sáng có vai trò quan trọng trong cuộc sống trên Trái Đất, đồng thời là đối tượng nghiên cứu của các ngành khoa học đặc biệt là trong vật lý và thiên văn học Bộ môn nghiên cứu về ánh sáng được gọi là quang học, là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong vật lý hiện đại

Vận tốc ánh sáng trong chân không được ký hiệu bằng chữ c, là một hằng

số vật lý cơ bản quan trọng trong nhiều lĩnh vực vật lý Năm 1975, vận tốc ánh sáng trong chân không được định nghĩa bằng 299.792.458 mét trên giây với sai

số 4 phần tỷ [6] Năm 1983, trong hệ đơn vị đo lường quốc tế SI, đơn vị đo chiều dài mét (m) được định nghĩa theo vận tốc ánh sáng trong chân không là

“khoảng cách mà ánh sáng truyền trong chân không trong khoảng thời gian của 1/299.792.458 giây” [9] Như vậy, giá trị của c trong hệ đơn vị SI được định

nghĩa cố định và chính xác

Theo thuyết tương đối hẹp, vận tốc ánh sáng trong chân không là vận tốc cực đại của mọi chuyển động của vật chất, năng lượng hay thông tin Vận tốc này không phụ thuộc vào chuyển động của nguồn sáng cũng như chuyển động của người quan sát Đó là vận tốc của các hạt có khối lượng nghỉ bằng không hay vận tốc lan truyền của các trường vật lý trong chân không Hằng số c còn có mặt trong phương trình liên hệ giữa khối lượng và năng lượng nổi tiếng của Albert Einstein:

Bằng công trình lý thuyết, James Clerk Maxwell đã đưa ra công thức xác định vận tốc sóng điện từ (cũng là vận tốc ánh sáng) trong chân không:

0 0

1 c

µ ε

Chiết suất của một môi trường trong suốt phụ thuộc vào tần số của ánh sáng Do đó trong chân không các ánh sáng đơn sắc khác nhau có cùng vận tốc

là c, nhưng trong môi trường trong suốt khác thì các ánh sáng đơn sắc khác nhau

sẽ truyền với vận tốc không giống nhau

Người đầu tiên trong lịch sử đặt vấn đề về tính hữu hạn của vận tốc ánh sáng là hà triết học Empedocles Năm 1667 Galileo Galilei đã thực hiện một thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng, tuy nhiên do dụng cụ quá thô sơ nên kết quả là hoàn toàn không chính xác Kể từ đó đến nay, các nhà khoa học đã không ngừng sáng tạo, cải tiến phương pháp đo và cho kết quả chính xác

Có một số phương pháp xác định vận tốc ánh sáng:

- Đo vận tốc lan truyền của ánh sáng bằng cách xác định quãng đường ánh sáng truyền đi và thời gian cần thiết để ánh sáng đi hết quãng đường đó

- Đo bước sóng của ánh sáng đơn sắc với tần số đã biết

- Xác định thông qua các định luật hoặc công thức vật lý…

Dưới đây là một số phương pháp đo vận tốc ánh sáng tiêu biểu

1.3.1 Thiên văn học

Vũ trụ là không gian rộng lớn và là môi trường chân không đóng vai trò như một phòng thí nghiệm tự nhiên khá hoàn hảo để thực hiện phép đo vận tốc ánh sáng Người đầu tiên dựa trên quan sát thiên văn học để đo vận tốc ánh sáng

là Ole Christensen Roemer Sau một thời gian quan sát vệ tinh Io của sao Mộc, Roemer có thể tiên đoán được tính tuần hoàn của chu kì che khuất đối với vệ tinh này Tuy nhiên, sau một vài tháng, ông thấy rằng những tiên đoán của ông trở nên kém chính xác với sai số cực đại khoảng 22 phút Rồi sau đó, những tiên đoán của ông lại trở nên chính xác hơn trong một vài tháng, với chu kì tự lặp lại

Với tư duy của một nhà thiên văn, Roemer cho rằng sự thay đổi khoảng cách giữa Trái Đất và sao Mộc đã gây ra những sai lệch này Khi Trái Đất cách sao Mộc xa nhất, thì ánh sáng phải cần nhiều thời gian nhất để đi Trái Đất Ngược lại, khi hai hành tinh này gần nhau nhất thì khoảng thời gian để ánh sáng truyền đến Trái Đất là ngắn nhất Khoảng thời gian sai lệch này chính là thời gian cần thiết để ánh sáng đi được quãng đường bằng đường kính quỹ đạo Trái Đất quanh Mặt Trời Từ đó, Roemer có thể ước tính vận tốc của ánh sáng chừng 220.000 km/s Hình 1.3 minh họa mô phỏng hình vẽ của Roemer phác họa phương pháp của ông dùng để xác định vận tốc ánh sáng [10]

Năm 1729 James Bradley phát hiện ra hiện tượng quang sai của các sao

và dùng nó để đo vận tốc ánh sáng Hiện tượng quang sai xảy ra do sự thay đổi

vị trí biểu kiến của các sao khi Trái Đất chuyển động xung quanh Mặt Trời Ông xác định được mức độ quang sai của các sao từ tỉ số giữa vận tốc chuyển động của Trái Đất quanh Mặt Trời và vận tốc của ánh sáng Với tốc độ chuyển động của Trái Đất đã biết, ông đo góc quang sai của các sao và tính toán được vận tốc ánh sáng lớn hơn vận tốc của Trái Đất trên quỹ đạo 10.210 lần, tương ứng với giá trị 301.000 km/giây

1.3.2 Kỹ thuật đo thời gian bay

Đây là phương pháp đo vận tốc ánh sáng bằng cách đo thời gian chuyển động của ánh sáng trên một quãng đường đã biết Người đầu tiên sử dụng phương pháp này để đo vận tốc ánh sáng chính là Galileo Thí nghiệm được mô

tả như ở hình 1.4 Hai người cầm theo hai chiếc đèn đứng trên đỉnh của hai ngọn đồi cách nhau 1 dặm Khi người A nháy đèn vào người B Người B ngay lập tức nháy đèn trở lại người A Kết quả là ông đã không nhận ra độ trễ nào (độ trễ thực của thí nghiệm vào khoảng 11 micro giây nên không thể nhận ra bằng mắt thường) Tuy không đưa ra được con số chính xác, nhưng Galilei cho rằng, ánh sáng di chuyển nhanh hơn âm thanh 10 lần

Năm 1849, Armand Fizeau đã chế tạo bộ thí nghiệm dùng bánh xe răng cưa để đo vận tốc ánh sáng Sơ đồ nguyên lý của thí nghiệm được mô tả như hình 1.5 Từ nguồn sáng, ánh sáng được chiếu đến gương bán mạ M1, phần ánh sáng phản xạ tại M1 được truyền qua một khe của bánh xe và đi đến gương phẳng M2 đặt cách M1 cỡ 5,5 dặm Tại đây ánh sáng được phản xạ trở lại theo đường cũ Bằng cách quay bánh xe với tốc độ phù hợp, chùm sáng sẽ đi qua khe

lân cận trên bánh xe đi vào mắt người quan sát Đo khoảng cách truyền của chùm tia sáng, tốc độ và độ rộng của bánh răng, Fizeau đã xác định được vận tốc ánh sáng là 315.000km/s Qua thí nghiệm ông phát hiện vận tốc ánh sáng trong không khí lớn hơn trong nước

Năm 1862, Leon Foucault đã chế tạo một bộ thí nghiệm dùng một gương quay để đo vận tốc ánh sáng Trong thí nghiệm của ông (hình 1.6), một gương quay được điều khiển bằng tua bin khí nén Một chùm ánh sáng hẹp truyền đến một bản tách chùm bằng thủy tinh có thước chia độ rồi truyền đến gương quay

Sau khi phản xạ từ gương quay, ánh sáng sẽ được phản xạ trên một bộ gương cố định nhằm tăng chiều dài đường đi của ánh sáng mà không phải tăng

kích thước của bộ dụng cụ Sau khi ánh sáng phản xạ qua hệ gương cố định và trở lại thì gương quay đã quay được một góc nhỏ làm cho ánh sáng phản xạ từ gương quay bị lệch so với phương truyền tới Độ lệch này được đo bằng một kính hiển vi Bằng cách đo độ dài quãng đường, tốc độ quay của gương và độ lệch của tia tới và tia phản xạ trên kính hiển vi, Foucault đã xác định được vận

tốc ánh sáng là 298.000 km/giây

Cũng bằng dụng cụ này Foucault đã đo được vận tốc của ánh sáng trong các môi trường khác Ông đo được vận tốc ánh sáng trong nước hoặc trong thủy tinh chỉ bằng khoảng 2/3 giá trị của nó trong không khí Từ đó, ông đã kết luận rằng vận tốc ánh sáng qua một môi trường cho trước tỉ lệ nghịch với chiết suất Kết luận này phù hợp với kết quả mà bằng lý thuyết sóng ánh sáng đã tìm ra trước đó

1.3.3 Hằng số điện từ

Một phương pháp khác để đo vận tốc ánh sáng được đưa ra vào cuối thế

kỉ XIX là dựa vào sự phát triển của công nghệ vô tuyến và vi sóng Năm 1888, nhà vật lí người Đức Heinrich Rudolf Hertz tiến hành đo vận tốc của sóng vô tuyến Kết quả đo được xấp xỉ 300.000 km/giây, kết quả này góp phần chứng minh cho lí thuyết của James Clerk Maxwell cho rằng sóng vô tuyến và ánh sáng đều là sóng điện từ

Maxwell cũng được ghi nhận với việc định nghĩa vận tốc ánh sáng và các dạng khác của bức xạ điện từ, không phải bằng phép đo, mà bằng suy luận toán học Trong nghiên cứu của ông cố gắng tìm kiếm mối liên hệ giữa điện và từ, Maxwell đã lí thuyết hóa rằng một điện trường biến thiên sẽ tạo ra từ trường biến thiên, một điều ngược lại với định luật Faraday Ông đề xuất rằng sóng điện

từ bao gồm các sóng dao động điện và từ kết hợp, và tính được vận tốc của những sóng này truyền trong không gian như sau:

trong đó, ε là hằng số điện môi và μ là độ từ thẩm của môi trường, hai hằng số này có thể đo được với mức độ chính xác tương đối cao Kết quả là một giá trị rất gần với vận tốc ánh sáng đo được

Giao thoa kế là một dụng cụ ứng dụng hiện tượng giao thoa của hai sóng kết hợp dùng để đo bước sóng của các sóng điện từ và qua đó xác định được vận

tốc ánh sáng Một chùm sáng kết hợp với tần số f đã biết được tách thành hai tia,

sau đó cho chúng gặp nhau và xẩy ra hiện tượng giao thoa Từ hình ảnh giao thoa và cấu tạo của giao thoa kế ta xác định được bước sóng λ của ánh sáng

Vận tốc ánh sáng được xác định bằng công thức c = λf

Trong nổ lực tìm kiếm sự tồn tại của môi trường ete, Michelson đã phát minh ra một dụng cụ hết sức tinh vi và được gọi là giao thoa kế Michelson Sau nhiều năm làm thí nghiệm và liên tục cải tiến để tăng độ chính xác của giao thoa

kế, nhưng kết quả cuối cùng là ông không thấy có cái gì chứng tỏ chuyển động của Trái Đất trong ete cả

Sau đó vào năm 1887, ông hợp tác với nhà khoa học Edward Morley cùng cải tiến giao thoa kế cho tinh vi hơn để loại trừ tất cả những nhiễu loạn có thể xẩy ra trong thời gian thí nghiệm Thiết bị thí nghiệm do Michelson và Morley xây dựng được bố trí trên một phiến đá rất lớn và đặt nổi trên một máng thủy ngân để loại bỏ các ảnh hưởng từ phía Trái Đất (hình 1.7) Khi cho phiến đá chuyển động chậm với tốc độ lớn nhất là khoảng 10 vòng/giờ Sau khi qua bộ tách chùm, ánh sáng được phản xạ trên hệ thống gương đến gặp nhau và xẩy ra hiện tượng giao thoa Hệ vân giao thoa được quan sát bằng kính hiển vi Nhưng kết quả vẫn như thí nghiệm trước đây Michelson đã nhận được Ông đã công bố kết quả với độ chính xác cao rằng vận tốc ánh sáng không phụ thuộc vào chuyển động của Trái Đất, đại lượng đó là một hằng số và bằng 299.853 km/giây Đây

là giá trị được xem là chuẩn trong vòng 25 năm tiếp sau đó, đồng thời cung cấp

cơ sở quan trọng để Einstein xây dựng thuyết tương đối hẹp

Sau khi laser ra đời, nó đã góp phần vào việc đo chính xác vận tốc ánh sáng Với tia laser với tần số f đã biết chính xác, sử dụng giao thoa kế để đo bước sóng của nó và từ đó xác định được chính xác vận tốc ánh sáng Kĩ thuật này đã được một nhóm ở Viện tiêu chuẩn quốc gia (NBS) (Hoa Kỳ) (sau đổi tên thành Viện tiêu chuẩn và công nghệ quốc gia "National Institute of Standards and Technology" - NIST) thực hiện năm 1972 đã xác định được vận tốc ánh sáng là 299 792,4562 km/s [12] Ta có thể tóm tắt kết quả đo vận tốc ánh sáng trong lịch sử như bảng 1.1