Thí nghiệm môn Vật lý - Xác định bước sóng ánh sáng bằng giao thoa cho vân tròn newton

Bài Thí nghiệm Vật Lý. Bài 5: Xác định bước sóng ánh sáng bằng giao thoa cho vân tròn Newton Dụng cụ: 1.Kính hiển vi; 2.Vật kính x8; 3. Thị kính x7; 4. Thước trắc vi thị kính x15; 5. Giá cặp vật có vít điều chỉnh trượt ngang và trượt dọc; 6. Kính nghiêng 450 vừa phản xạ- vừa truyền qua; 7. Hệ thấu kính phẳng-lồi cho vân tròn Newton; 8.Kính lọc sắc ( đỏ hoặc xanh); 9. Đèn chiếu sáng 8V-20W (có kính mờ); 10. Biến thế điện~220V/6-8V. I. Cơ sở lý thuyết. Giao thoa ánh sáng là hiện tượng giao thoa của các sóng ánh sáng tạo thành hệ các vân sáng và vân tối xen kẽ nhau. Xét hiện tượng giao thoa ánh sáng cho bởi bản nêm không khí. Bản nêm không khí là một lớp không khí mỏng có độ dày thay đổi nằm giữa mặt lồi của một thấu kính phẳng-lồi L đặt tiếp xúc với mặt phẳng của một bản thuỷ tinh P( hình 1). Nếu chùm ánh sáng song song đơn sắc có bước sóng l vuông góc với mặt phẳng của bản thuỷ tinh thì các tia sáng phản xạ từ mặt trên và mặt dưới của nên không khí sẽ giao thoa với nhau, tạo thành một hệ các vân sáng và vân tối hình tròn đồng tâm xen kẽ nhau-gọi là hệ vân tròn Newton . Trong trường hợp này, hiệu đường đi của các tia sáng phản xạ trên hai mặt của bản nên không khí tại vị trí ứng với độ dày dk của bản bằng: (1) Đại lượng l/2 xuất hiện do ánh sáng truyền từ bản nên không khí tới mặt dưới của bản, bị phản xạ trên mặt bản thuỷ tinh P chiết quang hơn không khí. Theo điều kiện cực tiểu giao thoa: với k=0, 1, 2, 3. Hình 1. P dk ri rk R L Ta có: (2) Gọi R là bán kính mặt lồi của thấu kính L. Vì dk<< R, nên áp dụng hệ thức trong tam giác vuông trên hình, ta tính được bán kính rk của vân tối thứ k : (3) Thay (2) vào (3), suy ra bước sóng Của ánh sáng đơn sắc: (4) Thực tế không thể đạt được sự tiếp xúc lý tưởng ( tiếp xúc điểm ) giữa mặt thấu kính phẳng-lồi L và mặt phẳng thuỷ tinh P. Nên vân tối chính giữa của hệ vân tròn Newton không phải là một điểm mà là một hình tròn. Vì thế, để xác định chính xác bước sóng l của ánh sáng đơn sắc, ta phải áp dụng công thức (4) đối với hai vân tối thứ k và thứ i của hệ vân tròn Newton: , Suy ra: Hay (5) trong đó B =rk + ri và b= rk- ri có thể dễ dàng đo được bằng thước trắc vi thị kính của kính hiển vi. Bộ phận giao thoa hệ vân tròn Newton được đặt trong một hộp nhỏ H bằng kim loại có 3 vít điều chỉnh để ép vừa đủ sát thấu kính phẳng-lồi L với bản thuỷ tinh P. Để quan sát và đo bán kính của các vân tròn Newton, ta dùng kính hiển vi có thước trắc vi thị kính. Đó là một kính lúp tiêu dự ngắn, tại mặt phẳng tiêu đặt bản mỏng trong suốt có khắc một thước nhỏ milimet cố định. ở sát mặt trên của thước nhỏ milimet này là một bản mỏng trong suốt thứ hai có khắc một vạch chữ thập xiên mà giao điểm của nó nằm trên đường thẳng đi qua chính giữa hai vạch chuẩn song song với các vạch chia của thước milimet ( hình 2). Có thể dịch chuyển bản mỏng trong suốt thứ hai này nhờ một vít vi cấp có bước ren 1 mm gắn trong thị kính. Vành tròn của vít vi cấp có 100 độ chia bằng nhau. Khi vít vi cấp quay đúng một vòng, vạch chuẩn sẽ dịch chuyển ngang đúng 1mm ( bằng 1 độ chia của thước) và mỗi độ chia của vít vi cấp đúng bằng . Sơ đồ quang học quan sát hệ vân tròn Newton bố trí như hình 3: ánh sáng phát ra từ đèn Đ truyền qua thấu kính tự quang Q, kính mờ M và kính lọc sắc S ( đỏ hoặc xanh), chiếu vào mặt tấm kính G đặt nghiêng 450. Sau khi nửa phản xạ-nửa truyền qua tấm kính G, các tia sáng rọi vào hệ thấu kính phẳng-lồi L vào bản phẳng thuỷ tinh P theo phương thẳng đứng, rồi phản xạ trên hai mặt của bản nêm không khí và giao thoa với nhau, tạo thành hệ vân tròn Newton ở mặt trên của bản nên không khí. Hình 3. L P S M Q G T V Hình 2. Khi đó nhìn qua thị kính T và vật kính V trong kíng hiển vi, ta sẽ thấy rõ hệ vân tròn Newton. II. Trình tự thí nghiệm. 1.Tìm ảnh của hệ vân tròn Newton. a. Lắp vật kính x8 và thị kính x7 vào ống kính hiển vi. Đặt hộp H chứa thấu phẳng-lồi L và bản thuỷ tinh P lên giá cặp vật. Cắm phích lấy điện của biến thế 220V/6-8V vào nguồn điện ~220V và bật công tắc của đèn Đ để phát sáng đèn Đ chiếu qua kính lọc sắc (sắc đỏ hoặc xanh) truyền đến bản nên không khí trông hộp H. b. Vặn vít điều chỉnh ống kính hiển vi để mặt dưới của vật kính V nằm cách mặt hộp H một khoảng từ 1-2 cm. Tiếp đó, điều chỉnh vít trượt ngang và vts trượt dọc của giá cặp vật sao cho vệt sáng ( màu đó hoặc xanh) từ vật kính V trên mặt hộp H dịch chuyển tới tâm của hệ thấu kính phẳng-lồi và bản phẳng thuỷ tinh P tại đó có hệ vân tròn Newton. Nhìn từ phía ngoài kính hiển vi để quan sát khoảng cách giữa vật kính V và mặt hộp H, đồng thời điều chỉnh ống kính hiển vi để hạ thấp dần vật kính V xuống gần sát mặt hộp H. Chú ý: không cho vật kính V chạm vào mặt hộp H. c. Đặt mắt quan sát thị kính và quan sát thị trường trong ống kính hiển vi. Vặn từ từ vít điều chỉnh ống kính hiển vi để nâng dần vật kính V lên cho tới khi nhìn rõ hệ vân tròn Newton. Sau đó, thay thị kính x7 bằng trắc vi thị kính x15 và lại điều chỉnh ống kính hiển vi cho tới khi lại nhìn thấy hệ vân tròn Newton rõ nét. 2. Đo các đại lượng B và b: Từ hình (4), ta nhận thấy: K K' b B 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Hình 4 B = rk + ri =KO + OI = KI. b = rk - ri =OK’ – OI = IK’. Như vậy, ta chỉ cần đo các đoạn thẳng KI và IK’ bằng thước trắc vị thị kính theo cách sau: a. Dùng các vít trượt dọc và trượt ngang của giá cặp vật ( hộp H ) để điều chỉnh cho một vân tối thứ k nào đó ( k ³ 3 ) nằm tiếp tuyến với dây chữ thập của thước trắc vi thị kính như hình 4. b.Vặn từ từ vi cấp của thước vi cấp của thước trắc vi thị kính để di chuyển giao điểm của dây chữ thập đến điểm K nằm phía bên trái của vân tối thứ k. Đọc và ghi gía trị số đo nKtrên thước trắc vi ứng với vị trí của điểm K vào bảng 1. Tiếp đó, di chuyển giao điểm của dây chữ thập đến điểm I nằm ở phía bên phải của vân tối thứ i ( chọn i = 1 ứng với vân tối có đường kính nhỏ nhất ). Đọc và ghi giá trị số đo nI trên thước trắc vi ứng với vị trí của điểm I vào bảng 1. Cuối cùng, di chuyển giao điểm của dây chữ thập đến điểm K' nằm đối xứng với K qua tâm của hệ vân tròn Newton về phía bên phải của vân tối thứ k. Đọc và ghi giá trị số đo nK' trên thước trắc vi ứng với vị trí của điểm K' vào bảng 1. Vì kích thước của hệ vân tròn Newton được phóng đại lên b lần qua kính hiển vi, nên giá trị thực ( tính ra milimet ) của đại lượng B và b phải tính theo công thức: (6) (7) c. Thực hiện phép đp 5 lần bằng cách làm lại các động tác trên đẻ tìm giá trị trung bình của B và b. d. Đọc và ghi các số liệu sau đây vào bảng 1. - Bán kính R của mặt lồi thấu kính L. - Độ phóng đại b của kính hiển vi. III. Câu hỏi kiểm tra. 1. Định nghĩa và nêu rõ điều kiện để có giao thoa ánh sáng. 2. Giải thích hiện tượng giao thoa cho bởi nên không khí, tạo thành hệ vân tròn Newton. Tại sảotong thí nghiệm này, ảnh giao thoa lại là một hệ vân tròn đồng tâm?. 3. Tại sao phải xác định bước sóng l của ánh sáng theo công thức (5), mà không xác định trực tiếp theo công thức (4)?. 4. Hãy chứng tỏ công thức tính sai số tương đối của phép đo bước sóng l của ánh sáng bằng phương pháp giao thoa vân tròn Newton có dạng: Từ đó suy ra cách chọn các vân thứ k và i nên như thế nào để phép đo bước sóng l theo phương pháp này đạt độ chính xác cao? Xác định bước sóng ánh sáng bằng giao thoa cho vân tròn Newton Báo cáo thí nghiệm Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2 Xác nhận của thấy giáo Lớp:Tổ Họ tên:... I. Mục đích thí nghiệm. .... II. Kết quả thí nghiệm. 1. Bảng 1. R=(m); b= Lần đo nK n1 nK' B DB b Db 1 2 3 4 5 Trung bình `B=. `DB=. `b=. `Db=. 2. Tính gia trị trung bình và sai số tuyệt đối trung bình của B và b: - Giá trị trtung bình của B: - Sai số tuyệt đối trung bình của B: - Giá trị trung bình của b: - Sai số tuyệt đối trung bình của b: 3. Tính sai số trung bình vad giá trị trung bình của bước sóng l. - Sai số tương đối trung bình của l: - Giá trị trung bình của l. - Sai số tuyệt đối trung bình của l. III. Kết quả thí nghiệm.