Thí nghiệm môn Vật lý - Bài 2: Xác định chiết suất của bản thuỷ tinh bằng kính hiển vi

Thí nghiệm Vật Lý. Bài 2: Xác định chiết suất của bản thuỷ tinh Bằng kính hiển vi I. Mục đích: - Làm quen với loại kính hiển vi quang học thông dụng biết cấu tạo và cách sử dụng. - Dùng kính hiển vi để đo chiết suất của hai bản thuỷ tinh có độ dày khác nhau. II. Lý thuyết: ánh sáng khi truyền qua mặt phân cách của hai môi trường trong suốt, đồng tính và đẳng hướng sẽ xảy ra hiện tượng khúc xạ các tia sáng, nghĩa là khi vào môi thứ hai phương truyền của tia sáng bị thay đổi ( hình vẽ 8). Sự khúc xạ của các tia sáng tuân theo hai quy luật: 1. Tia tới mặt phân cách, đường pháp tuyến của mặt phân cách tại điểm tới và tia khúc xạ cùng nằm trong một mặt phẳng. Tia khúc xạ ở bên kia pháp tuyến tại điểm tới. 2. Tỷ số giữa sin góc tới i và sin của góc khúc xạ r là một hằng số đối với hai môi trường đã cho gọi là chiết suất tỷ đối của môi trường thứ hai đối với môi trường thứ nhất: M r i R (n1) (n2) S Hình 8. Chiết suất tỷ đối n21 bằng tỷ số vận tốc lan truyền của ánh sáng trong môi trường thứ nhất (18) (v1) và môi trường thứ hai (v2): Nếu một trong hai môi trường cho trước, thí dụ: Môi trường (1) là chân không, thì chiết suất của môi trường (2) đối với chân không khi đó được gọi là chiết suất tuyệt đối- gọi tắt là chiết suất của môi trường (2) và ký hiệu bằng n2. Từ biểu thức (17) và (18) ta suy ra: (19) Một cách tổng quát ta có thể viết: Trong đó n là chiết suất tuyệt đối của môi trường, c là vận tốc ánh sáng trong chân không; v là vận tốc ánh sáng trong môi trường. Đối với không khí v = c nên chiết suất nkk = 1; do đó chiết suất tuyệt đối của môi trường bất kỳ có thể coi gần đúng là chiết suất tỷ đối của môi trường đó đối với không khí. Chiết suất phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng (hiện tượng tán sắc) và bản chất của môi trường mà ánh sáng truyền qua. Có nhiều phương pháp đo chiết suất của môi trường. Trong bài thí nghiện này ta nghiên cứu một phương pháp đo chiết suất đó là, phương pháp đó chiết suất bằng kính hiển vi. Nguyên tắc của phương pháp này như sau: Nếu quan sát một vật qua bản trong suốt có hai mặt song song, chiết suất của bản lớn hơn chiết suất của không khí thì do hiện tượng khúc xạ các tia sáng vật hình như dịch chuyển về phía người quan sát. Độ dich chuyể của vật phụ thuộc vào bề dày và chiết suất của bản. Bây giờ, giả sử có một bản thuỷ tinh, chiết suất n và độ dày là d, được đặt trong không khí (hình vẽ 9). Xét hai tia sáng S1I và S2I dọi tới điểm I nằm ở mặt dưới của bản. Tia S2I dọi vuông góc với mặt bản nên không bị khúc xạ mà truyền thẳng qua bản và ló ra ngoài không khí tại điểm K ở mặt trên. Còn tia S1I bị khúc xạ qua bản và ló ra ngoài không khí tại điểm M theo phương MR song song với phương của tia tới S1I. Theo định luật khúc xạ tia MR có góc khúc xạ r lớn hơn góc tới i tại điểm M. Nếu đặt mắt quan sát theo phương RM ta sẽ thấy giao điểm của các tia RM và IK không nằm tại điểm I mà nằm tại I1. Do đó độ dày của bản thuỷ tinh hình như giảm đi và chỉ bằng đoạn KI1. Đoạn KI1=d1 được gọi là độ dày biểu kiến của bản thuỷ tinh, còn d được gọi là độ dày thực của bản thuỷ tinh. (20) Nếu chỉ xét những tia sáng chiếu gần vuông góc với mặt bản thì các góc tới và góc khúc xạ sẽ rất nhỏ. Trong trường hợp này ta có: Và (21) Từ hình vẽ 9 ta có: (22) Thay (21) vào (20) ta được: Như vậy chiết suất của bản thuỷ tinh có trị số bằng tỉ số giữa độ dày thực và độ dày biểu kiến của bản khi ta quan sát các tia sáng truyền qua bản theo phương vuông góc với mặt bản. Công thức (22) được áp dụng để xác định chiết suất của bản thuỷ tinh bằng cách dùng kính hiển vi đo độ dày biểu kiến d1 và dùng thước kẹp Panme đo độ dày thực của bản. III. Hướng dẫn thực hành. 1. Dụng cụ thí nghiệm. Một kính hiển vi quang học, một thước kẹp Panme, 2 bản thuỷ tinh mỏng có độ dày khác nhau cần đo chiết suất . Kính hiển vi là một dụng cụ quang học dùng để quan sát ảnh phóng đại của những vật có kích thước nhỏ (từ milimet trở xuống). Ngoài tác dụng đó người ta còn dùng kính hiển vi để đo được kính thước của những vật nhỏ với độ chính xác rất cao. Cấu tạo của klính hiển vi (như hình 10) gồm có các bộ phận như sau: Đế nặng bằng gang 1 có có tác dụng giữ cho kính đứng vững, giá đỡ 2 gắn liền với ống kính 3, mâm đặt vật quan sát 4, Kính tụ quang 5 và gương phản xạ ánh sáng 6 dùng để hắt ánh sáng ngoài trời hoặc ánh sáng từ một chiếu vào kính tụ quang. ống kính 3 có mang vật kính L1 và thị kính L2. Nhờ các vít 7 và 8 ta có thể dịch chuyển ống kính lên xuống nhẹ nhàng. Vít 7 dùng để dịch chuyển nhanh ống kính gọi là vít tiến nhanh, còn vít 8 dùng để di chuyển nhỏ gọi là vít tiến chậm hay là vít vi động. Trên vít tiến chậm 8 có một thước tròn khắc 50 độ chia đều nhau, giá trị của mỗi độ chia ứng với độ dịch chuyển của ống là 0.002 mm. Như vậy khi quay vít 8 một vòng thì ống kính 3 sẽ dịch chuyển lên một đoạn hoặc xuống một đoạn là: X=0.002*50=0.1 (mm). Từ đó ta có nếu quay vít tiến chậm N vòng ta có độ dịch chuyển của ống kính sẽ là: X=0.1*N (mm). (23) Trường hợp tổng quát số vòng quay N không phải là một số nguyên ( 1, 2, 3, vòng ) thì độ dịch chuyển của ống kính tính theo công thức sau: X= 0.1*N + 0.002*m (mm). (24) Trong đó: N là số vòng quay trọn vẹn của vít 8; m là số độ chia của vòng quay cuối cùng chưa trọn vẹn ( dư ra ) của vít 8. Thí dụ: Giả sử vít 8 quay được 2,5 vòng thì có nghĩa là N=2 và m=25 độ chia. Khi đó độ dịch chuyển của ống kính: X=0.1*2 + 0.002*25=0.25 (mm). Khi đo độ dày biểu kiến d1 của bản thuỷ tinh thì độ dịch chuyển của ống kính 3 chính bằng độ dày biểu kiến d1 tức là d1=x. Thật vậy, để đo độ dày biểu kiến d1 của bản thuỷ tinh ta phải tiến hành như sau: Dùng bút mực đánh dấu hai chấm nhỏ ( hoặc hai dấu hình chữ thập ), một dấu ở mặt trên (A) và một dấu ở dưới (I) như hình vẽ 11. Sau đó đặt tấm thuỷ tinh lên mâm 4 và điều chỉnh kính hiển vi để quan sát ảnh của hai chấm mực đó. Đối với chấm mực dưới do có sự khúc xạ ánh sáng qua bản thuỷ tinh nên ta chỉ quan sát thấy ảnh ảo I1 của I chứ không quan sát được chính xác I. Giả sử khi nhìn rõ thấy ảnh của chấm mực dưới (điểm I1) thì vật kính L1 cách I1 một khoảng là h. Rõ ràng khi quan sát chấm mực trên (A). Để nhìn thấy rõ ảnh của A thì ta phải nâng ống mang vật kính lên một đoạn x sao cho khoảng cách từ vật kính đến L1 đến A cũng bằng h. Từ hình vẽ 11 ta dễ dàng thấy rằng độ dịch chuyển của ống kính x=d1. 2. Các bước tiến hành. 2.1. Tìm hiểu kính hiển vi: cần nắm được nguyên tắc cấu tạo và các bộ phận của kính hiển vi và cách điều chỉnh các bộ phận đó dễ quan sát. 2.2. Đo độ dày biểu kiến của hai bản thuỷ tinh cần xác định chiết suất. - Lau sạch bản thuỷ tinh có chiết suất cần đo. Dùng bút mực vạch hai dấu chữ thập ( một dấu ở mặt trên và một dấu ở mặt dưới ). - Chú ý: Vạch hai chữ thập hơi lệch nhau một ít so với phương thẳng góc với mặt bản. - Đặt mắt quan sát trên thị kính L2, đồng thời điều chỉnh gương phản xạ ánh sáng 6 và kính tụ quang 5 để sao cho thị trường trong ống kính 3 rõ và đều. - Đặt bản thuỷ tinh cần đo chiết suất lên mâm 4 và vặn từ từ vít tiến nhanh 7 để hạ vật kính L1 xuống gần sát với mặt nảm thuỷ tinh . Xê dịch bản thuỷ tinh sao cho vạch chữ thập ở mặt dưới nằm đối diện với vật kính L1. - Đặt mắt quan sát trên thị kính L2, đồng thời vặn từ từ vít 7 để nâng dần ống kính 3 lên cho tới khi thấy rõ ảnh của vạch chữ thập. Cố định vít 7, vặn vít tiến chậm 8 để điều chỉnh thêm sao cho ảnh rõ nét nhất ( không có viền mờ xung quanh). Đọc và ghi số thứ tự của vạch chia trên thước tròn của vít 8 trùng với vạch chuẩn khắc trên vít 7 ta được giá trị lo (hình vẽ 12). - Sau đó, dich chuyển bản thuỷ tinh trên mâm 4 sao cho vạch chữ thập nằm trên mặt trên của bản nằm đối diện với vật kính L1. Quan sát ảnh trên thị kính L2. Vẫn giữ cố định vít 7, vặn từ từ vít 8 để nâng dần ống kính 3 lên cho tới khi thấy ảnh của vạch chữ thập rõ nét nhất. Đọc và ghi số thứ tự của vạch chia tương ứng trên thước tròn của vít 8 trùng với vạch chuẩn, ta được giá trị của L. Trong khi vặn vít 8 cần chú ý theo dõi và đến số vòng quay của nó. Mỗi lần vạch lo đi qua vạch chuẩn tức là vít 8 quay được một vòng. Khi ngừng quay nếu vạch Lo ban đầu về trùng với vạch chuẩn thì số vòng quay N là nguyên. Khi đó độ dày biẻu kiến d1 được tính theo công thức (23). Còn khi ngừng quay, nếu vạch Lo không trùng với vạch chuẩn thì độ dày biểu kiến d1 được tính theo công thức (24). Khi đó số độ chia m của vòng quay dôi ra được tính từ L đến Lo theo chiều quay của vít 8. Chú ý: Khi nâng ống kính để quan sát ảnh của vạch chữ thập ở mặt trên chỉ được vặn vít tiến chậm 8, tuyệt đối không được vặn vít 7. Phải tiến hành đo nhiều lần ( ít nhất là 3 lần) để lấy giá trị trung bình của độ dày d1. 2.3. Dùng thước Panme đô độ dày thực của bản thuỷ tinh . 2.4. Kết quả đo và tính toán ghi theo bảng sau: Lần đo Bản 1 Bản 2 N m d1 N m d2 1 2 3 Giá trị trung bình d1, d2 Độ dày thực của hai bản Chiết suất n1, n2 IV. Trả lời các câu hỏi sau đây: 1. Câu hỏi lý thuyết: 1.1. Thế nào là chiết suất tỷ đối và chiết suất tuyệt đối cho biết ý nghĩa của chiết suất. 1.2. Công thức (22) chỉ đúng với điều kiện quan sát nào?. 1.3. Nêu rõ vai trò và tác dụng của những bộ phận cơ bản của kính hiển vi. 1.4. Nguyên tắc xác định chiết suất của bản thuỷ tinh bằng kính hiển vi. Phương pháp trên có thể dùng để đo chiết suất của các chất lỏng khác được hay không? Tại sao?. 2. Câu hỏi thực hành. 2.1. Trong bài thí nghiệm này để đo được kết quả chính xác khi đo thì phải làm gì?. 2.2. Nêu cách tính sai số tương đối và sai số tuyệt đối của chiết suất hai bản thuỷ tinh . 2.3. Cho biết nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sai số trong phép đo ở trên và cách khắc phục để hạn chế bớt sai số.