Thí nghiệm môn Vật lý - Xác định bước sóng ánh sáng đơn sắc dựa vào hiện tượng giao thoa của hai chùm tia sáng hẹp (khe I - Âng)

Xác định bước sóng ánh sáng đơn sắc dựa vào hiện tượng giao thoa của hai chùm tia sáng hẹp ( khe I-âng). Thí nghiệm Vật Lý. Bài 4: I. Mục đích: - Quan sát sự giao thoa của hai chùm sáng hẹp và giải thích hình ảnh giao thoa thu được khi dùng ánh sáng đơn sắc và ánh sáng trắng. - Dựa vào hiện tượng trên đo bước sóng của một số loại ánh sáng đơn sắc. II. Lý thuyết. Như chúng ta đã biết, để có hiện tượng giao thoa của hai chùm tia hẹp, trước hết phỉ tạo ra được các sóng kết hợp. Muốn vậy, hai chùm đó phải tạo ra cùng một nguồn sáng điểm, gọi là nguồn sơ cấp. Sóng ánh sáng từ nguồn sơ cấp truyền qua hai khe hẹp sẽ cho hai chùm sóng thứ cấp mà mỗi khe được xem là một tâm phát sóng mới (theo nguyên lý Huyghen-Fresnel). Các sóng này cùng tần số, có hiệu số lệch pha không dổi nên là các sóng kết hợp, Hai khe đó là các khe kết hợp. Khi hai nguồn kết hợp gần nhau, nghĩa là các chùm kết hợp tạo với nhau một góc nhỏ thì các véctơ dao động sáng trong hai chùm tia đó được xem là thực hiện giao động cùng phương. Do đó khi hai chùm sánh đó gặp nhau thì các dao động sáng giao thoa với nhau. Cường độ sáng tại mỗi điểm nào đó trong trường giao thoa của 2 chùm sáng hẹp được xác định theo công thức : Trong đó Eo là biên độ của véctơ dao động sáng trong các sóng kết hợp ( giả thiết các biên độ này là bằng nhau ); r1 và r2 là khỏng cách từ hai nguồn kết hợp đến vị trí quan sát, vân giao thoa ; (a1- a2) là hiệu số pha ban đầu của hai sóng, l là bước sóng của ánh sáng đơn sắc. Nếu (a1- a2) = 0 thì cường độ sáng tại một điểm nào đó trong trường giao thoa sẽ có giá trị cực đại hoặc cực tiểu thuỳ thuộc vào hiệu quang trình D=r2 - r1. Khi D= ± k*l ( k=0, 2, ) ta có các cực đại giao thoa ( các vân sáng). Còn khi D= ±(2*k+1)*(l/2) ta có các cực tiểu giao thoa ( các vân tối ). Khoảng cách giữa hai vân sáng ( hoặc tối ) liên tiếp nhau gọi là khoảng vân. Ta có thể tìm được mối liên hệ giữa khoảng vân và bước sóng ánh sáng đơn sắc một cách dễ dàng ( dựa vào hình 13). Dx=(D/d)* l (26) Trong đó: Dx là khoảng vân. D là khoảng từ hai nguồn kết hợp S1và S2 đến màn quan sát E. D là khoảng cách giữa S1và S2 Theo biểu thức (26) ta có nếu biết D, d và Dx ta sẽ xác định được bước sóng: l=(d/D)* Dx (27) Trong bài thí nghiệm này dùng máy giao thoa hai chùm tia (khi I-âng ) ta sẽ đo được khoảng vân Dx. (hình 13). III. Hướng dẫn thực hành. 1. Dụng cụ thí nghiệm. Máy giao thoa I-âng gồm các bộ phận ( hình vẽ 15). - Bàn quang học có gắn thước đo độ dài. - Nguồn sáng I. - Màn chắn có khe hẹp S. - Thấu kính hội tụ L. - Màn chắn có 2 khe hẹp S1 và S2 song song nhau và cách nhau một khoảng rất nhỏ. - Các kính lọc sắc khác nhau: đỏ, vàng, xanh, tím. - Thị kínhquan sát T. trong thị kính có một vạch thẳng đứng dùng làm vạch đánh dấu. Vị trí của thị kính có thể điều chỉnh sao cho phù hợp với người quan sát. Trên giá đỡ thị kính có gắn thước do Q, độ chia trên thước là milimet. Kềm theo thước là một đu xích có thể đọc chính xác 1/10 mm. Thị kính T cùng với giá đỡ có thể dịch chuyển được theo phương ngang ( sang bên phải hoặc sang trái ) nhờ núm điều chỉnh P ( hình vẽ 14). 2. Các bước tiến hành. 2.1. Lắp các bộ phận lên bàn quang học theo sơ đồ hình vẽ 15. Điều chỉnh sao cho hệ thật đồng trục và ánh sáng phát ra từ đèn I qua khe S phân bố đều trên hai khe S1 và S2. Hình vẽ 15 ( mờ quá) 2.2. Đặt mảnh giấy trắng trước thị kính (so với chiều truyền ánh sáng ) chưa đặt nàm chắn có hai khe S1 và S2 vào, dịch chuyển thấu kính L sao cho trên mảnh giấy tráng thu được ảnh của khe S là rõ nét nhất ( hoặc không cần đặt mảnh giấy trắng trước thị kính mà đặt mắt quan sát sau thị kính, đồng thời dịch chuyển thấu kính L sao cho nhìn thấy ảnh của khe S rõ nét nhất trong thị trường của thị kính). Khi đó cố định thấu kính L và thị kính T. 2.3. Đặt màn chắn có hai khe hẹp S1 và S2 vào giá đỡ, quan sáthệ vân giao thoa thị kính T. Nừu hệ vân chưa rõ nét hãy điều chỉnh lại hệ quang học sao cho thật đồng trục và chú ý hai khe S1 và S2 phải cách đều S. 2.4. Đặt kính lọc sắc vào trước thị kính và đặt mắt quan sát sau thị kính, dịch chuyển vạch đánh dấu ab của thị kính bằng cách xoay núm P để đo khoảng vân Dx. Cách đo Dx như sau: Xoay núm P để đưa vạch ab của thị kính vào trùng với một mép (phải hoặc trái) của một vân sáng chẳng hạn vân sáng thứ k = -2 (hình vẽ 16.a). Đọc trên thước đo Q ta được giá trị x1 ( x1 là giá trị của vach trên thước đo Q trùng với vạch số 0 của đu xích cố định ). Sau đó xoay núm P để di chuyển vạch đánh dấu ab đến mmột mép tương ứng của một vân sáng khác chẳng hạn vân sáng thứ k = +2 (hình vẽ 16.b). Đọc trên thước Q và đu xích ta thu được giá trị x2 . Chú ý: Nếu vạch x1 và x2 trên thước Q không thật trùng với vạch số 0 của đu xích thì phần lẻ sẽ được đọc trên đu xích bằng cách tìm xem vạch nào của đu xích trùng nhất với một vạch trên thước đo Q. Ví dụ vạch số 2 trên đu xích trùng nhất với một vạch trên thước đo Q và vạch số 0 của đu xích nằm giữa vạch thứ 11 và 12 của thước Q thì giá trị đọc: x=11 + 0.2=11.2 (mm). Từ hai giá trị x1 và x2đọc được ta tính khoảng vân x theo công thức sau: Trong đó: n là khoảng vân đếm được giữa hai vân sáng tiến hành đo. trên hình vẽ 16 ta đếm được số khoảng vân n=4. Tiến hành đo như trên nhiều lần để lấy giá trị trung bình của khoảng vân. 2.5. Ghi giá trị của d trên màn chứa hai khe nhỏ S1 và s2 ( giá trị d cho biết trước ). Đo khoảng cách D trên bàn quang học. Thay các giá trị của d, D và Dx vào công thức 27 để tính bước sóng l của ánh sáng đơn sắc quan sát. 2.6. Bỏ kính lọc sắc ra để quan sát hình ảnh giao thoa đối với ánh sáng trắng, đồng thời thay đổi các khe S có độ rộng khác nhau ( từ nhỏ đến lớn ), quan sát hệ vân và giải thích sự thay đổi của hệ vân. Số liệu thí nghiệm và kết quả tính toán ghi theo bảng sau: Kính lọc sắc Lần đo X X (x) Đỏ 1 2 3 . Vàng 1 2 3 . Xanh 1 2 3 . Tím 1 2 3 . IV. Trả lời các câu hỏi sau: 1. Câu hỏi lý thuyết. 1.1. Hãy thiết lập biểu thức tính khoảng vân Dx. Từ biểu thức đó hãy cho biết điều kiện để quan sát được hệ vân giao thoa một cách dẽ dàng là gì?. 1.2. Cho biết vai trò của từng dụng cụ trong sơ đồ thí nghiệm. Tại sao trong thí nghiệm người ta lại sử dụng thêm khe hẹp S và thấu kính hội tụ L? 2. Câu hỏi thực hành. 2.1. Hãy giả thích hình ảnh giao thoa quan sát được đối với ánh sáng đơn sắc và ánh sáng trắng. 2.2. ảnh hưởng của sự nhiễm xạ ánh sáng qua hai khe hẹp đến hình ảnh giao thoa trong thí nghiệm trên như thế nào. Giải thích? 2.3. Cho biết nguyên nhân chủ yếu gây nên sai số của phép đo và cách khắc phục.