Thí nghiệm vật lý bko - 050 xác định bước sóng ánh sáng bằng giao thoa cho hệ vân tròn newton

VLKT- Viện Vật lý Kỹ thuật- ĐHBK Hà nội thí nghiệm vật lý BKO-050 Xác định b−ớc sóng ánh sáng bằng giao thoa cho hệ vân tròn Newton Dụng cụ : 1. Kính hiển vi ; 2. Vật kính x8; 3. Thị kính x7; 4. Th−ớc trắc vi thị kính x15; 5. Giá cặp vật có vít điều chỉnh tr−ợt ngang và tr−ợt 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; 10. Biến thế điện 220V/ 6 - 8V. I. Cơ sở lý thuyết 1. Giao thoa cho hệ vân tròn Newton Giao thoa cho hệ vân tròn Newton là hiện t−ợng giao thoa của các sóng sáng tạo bởi bản nêm không khí nằm giới hạn giữa mặt lồi của một thấu kính phẳng-lồi L đặt tiếp xúc với một bản thuỷ tinh phẳng P (H. 1). Nếu chiếu chùm sáng song song đơn sắc có b−ớc sóng λ vuông góc với mặt phẳng của bản phẳng thuỷ tinh P thì các tia sáng phản xạ từ mặt trên và mặt d−ới của bản nêm không khí sẽ giao thoa với nhau, tạo thành một hệ các vân sáng và vân tối hình tròn đồng tâm nằm xen kẽ nhau - gọi là hệ vân tròn Newton. Trong tr−ờng hợp này, hiệu đ−ờng đi của các tia sáng phản xạ trên hai mặt của bản nêm không khí tại vị trí ứng với độ dày dk của bản bằng : ∆ = 2.dk + λ 2 (1) Đại l−ợng λ / 2 xuất hiện là do ánh sáng truyền từ bản nêm không khí tới mặt d−ới của bản, bị phản xạ trên mặt bản thuỷ tinh P chiết quang hơn không khí. Khi ∆ = (2k+1). λ 2 , với k = 0, 1, 2, 3, ..., ta có cực tiểu giao thoa ứng với độ dày : dk = k . λ 2 (2) Gọi R là bán kính mặt lồi của thấu kính L. Vì dk<< R , nên áp dụng hệ thức l−ợng trong tam giác vuông trên hình 1, ta tính đ−ợc bán kính rk của vân tối thứ k : rk 2 = ( 2R - dk ) . dk ≈ 2R . dk (3) Thay (2) vào (3), ta suy ra : λ = r k R k 2 . (4) Thực tế không thể đạt đ−ợc sự tiếp xúc điểm giữa mặt thấu kính phẳng-lồi L và mặt bản 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 b−ớc sóng λ của ánh sáng đơn sắc, ta phải áp dụng công thức (4) đối với hai vân tối thứ k và thứ i : rk 2 = k. λ .R , ri2 = i . λ .R Từ đó suy ra : rk 2 - ri 2 = ( k - i ) . λ R hay λ = R).ik( b.B − (5) trong đó đại l−ợng B = rk + ri và b = rk - ri có thể dễ dàng đo đ−ợc bằng th−ớc trắc vi thị kính của kính hiển vi . L R rk P dk ri Hình 1 2. Quan sát vân Newton qua kính hiển vi Thấu kính phẳng-lồi L đ−ợc ép sát với bản phẳng thuỷ tinh P và đặt trong trong hộp nhỏ H bằng kim loại có ba vít điều chỉnh. Để quan sát và đo bán kính của các vân tròn Newton, ta dùng kính hiển vi có th−ớc trắc vi thị kính (H. 2.a). Th−ớc trắc vi thị kính là một th−ớc nhỏ gồm 100 độ chia, mỗi độ chia bằng 0,01mm khắc trên một bản thuỷ tinh mỏng đặt tại mặt phẳng tiêu của thị kính 1. Sơ đồ quang học quan sát hệ vân tròn Newton bố trí nh− trên hình 2.b : một hệ thống chiếu sáng phản xạ-truyền qua gồm một bóng đèn Đ phát ra ánh sáng truyền qua một thấu kính tụ quang Q và kính lọc sắc S (màu đỏ hoặc xanh), rồi chiếu vào mặt tấm kính G đặt nghiêng một góc 450. Sau khi vừa phản xạ vừa truyền qua tấm kính G, các tia sáng dọi theo ph−ơng thẳng đứng vào một nêm không khí giới hạn giữa thấu kính phẳng-lồi L ép sát với mặt bản thuỷ tinh P. Khi đó các tia sáng phản xạ trên hai mặt của bản nêm không khí giao thoa với nhau tạo thành một hệ vân giao thoa gồm các vòng tròn sáng và tối nằm xen kẽ nhau ở mặt trên của nêm không khí. Hệ vân giao thoa này đ−ợc gọi là hệ vân tròn Newton. Có thể nhìn thấy rõ hệ vân tròn Newton khi đặt mắt quan sát chúng qua hệ thống thị kính T và vật kính V trong ống ngắm của kính hiển vi. II. Trình tự thí nghiệm 1. Quan sát ảnh của hệ vân tròn Newton qua kính hiển vi a. Lắp thị kính T có th−ớc trắc vi vào đầu trên của ống ngắm N (H. 3) và lắp hệ thống chiếu sáng phản xạ-truyền qua vào vị trí của vật kính V ở đầu d−ới của ống ngắm N. Đặt hộp H chứa thấu kính phẳng-lồi L và bản phẳng thuỷ tinh P lên mâm cặp vật 1. Cắm phích lấy điện của biến áp ~ 220V/8V vào nguồn điện ~ 220V và bật công-tắc để đèn Đ chiếu sáng qua kính lọc sắc S (màu đỏ) truyền đến đúng vị trí của chấm đen nhỏ trên mặt bản nêm không khí trong hộp H. Chấm đen nhỏ này chính là vân tối nhỏ nhất của hệ vân tròn Newton (tâm cuỉa nó trùng với điểm tiếp xúc giữa thấu kính phẳng-lồi L và bản phẳng thuỷ tinh P). b. Nhìn từ phía ngoài kính hiển vi và vặn vít chỉnh nhanh 2 để hạ thấp dần vật kính V xuống gần sát mặt hộp H. Chú ý : không để vật kính V chạm vào mặt hộp H . Đặt mắt sát thị kính T quan sát thị tr−ờng trong ống ngắm N của kính hiển vi. Vặn từ từ vít chỉnh nhanh 2 để nâng dần ống ngắm N lên cho tới khi nhìn thấy hệ vân tròn Newton. Vặn tiếp vít chỉnh chậm 3 (lên hoặc xuống) cho tới khi nhìn thấy rõ hệ vân tròn Newton. V G Đ S Q L Hình 2 (a) T P (b) Hình 3 V H T N 1 2 3 2 . Đo các đại l−ợng B và b a. Dùng tay xoay dần thị kính 1 sao cho các vạch chia của th−ớc trắc vi trong thị kính này nằm tiếp xúc với các vân tối của hệ vân tròn Newton . b. Chọn vân thứ i là vân tối có đ−ờng kính nhỏ nhất ứng với i = 1 và vân thứ k là vân tối thứ 4 hoặc thứ 5. Từ hình (4), ta nhận thấy : B = rk + ri = KO + OI = KI = ni - nk b = rk - ri = OK / - OI = IK/ = n/k - nk trong đó ni , nk , n / k là số thứ tự của các vạch trên th−ớc trắc vi trong thị kính 1 ứng với các điểm I , K và K/. Đọc và ghi giá trị của ni , nk , n / k vào bảng 1. Vì kích th−ớc ảnh của hệ vân tròn Newton đt đ−ợc phóng đại lên β lần qua kính hiển vi, nên giá trị thực (tính ra milimét) của các đại l−ợng B và b phải tính theo công thức : B = n nI K− β ; b = n nK I / − β (6) c. Thực hiện lại các động tác trên 5 lần để tìm giá trị trung bình của B và b . d. Ghi các số liệu sau đây vào bảng 1 : - Bán kính R của mặt lồi thấu kính L . - Độ phóng đại β 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 t−ợng giao thoa cho bởi bản nêm không khí, tạo thành hệ vân tròn Newton. Tại sao trong thí nghiệm này, ảnh giao thoa lại là một hệ vân tròn đồng tâm ? 3. Tại sao phải xác định b−ớc sóng λ của ánh sáng theo công thức (5), mà không xác định trực tiếp theo công thức (4) ? 4. Hty chứng tỏ công thức tính sai số t−ơng đối của phép đo b−ớc sóng ánh sáng λ bằng ph−ơng pháp giao thoa cho vân tròn Newton có dạng : δ = λ λ∆ = R R b b B B ∆ + ∆ + ∆ trong đó ∆B = β 1 (∆ni + ∆nk ) và ∆b = β 1 (∆n/k + ∆nk ) , với ∆ni = ∆nk = ∆n/k = 1 Từ đó suy ra cách chọn các vân thứ k và thứ i nên nh− thế nào để phép đo b−ớc sóng λ theo ph−ơng pháp này đạt độ chính xác cao ? 0 1 2 3 4 5 6 7 8 b B K 0 I K/ Hình 4 Báo cáo thí nghiệm xác định b−ớc sóng ánh sáng bằng giao thoa cho vân tròn NeWton Xác nhận của thày giáo Tr−ờng ......................................... Lớp ...................Tổ ..................... Họ tên ......................................... I. Mục đích thí nghiệm ......................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................. ..................................................................................................................................................... II. kết quả thí nghiệm 1. Bảng 1 R = ........................ (m) ; β = ..................... Lần đo nK nI nk / B ∆B b ∆b 1 2 3 4 5 Trung bình =B ....... B∆ =....... =b ......... b∆ =....... 2. Tính giá trị trung bình và sai số tuyệt đối của B và b : - Giá trị trung bình của B : =B ................................ = ..................... (10-3m) - Sai số tuyệt đối của B : ∆B = B∆ + β 1 (∆ni + ∆nk ) = ................................ .........= ..................... (10-3m) - Giá trị trung bình của b : =b ................................ = ..................... (10-3m) - Sai số tuyệt đối của b : ∆b = b∆ + ∆b = β 1 (∆n/k + ∆nk ) = ....................................... = ................. (10-3m) 3. Tính sai số và giá trị trung bình của b−ớc sóng λ : - Sai số t−ơng đối trung bình của λ : = ∆ + ∆ + ∆ = λ λ∆ =δ R R b b B B ......................................................................=............. - Giá trị trung bình của λ : λ = R).ik( b.B − = ............................................................... = .................... (m) - Sai số tuyệt đối của λ : ∆λ = λ . δ = ......................................=........................ (m) 4 . Viết kết quả của phép đo : λ = λ ± ∆λ = ........................... ± ......................... ( m )