Thí nghiệm vật lý bko - 080 khảo sát sự phân cực ánh sáng dùng tia laser, nghiệm định luật malus (maluýt)

1 VLKT- Viện Vật lý Kỹ thuật- ĐHBK Hà nội Thí nghiệm vật lý BKO-080 khảo sát sự phân cực ánh sáng dùng tia laser . Nghiệm định luật malus ( Maluýt ) Dụng cụ : 1. Nguồn phát tia laser bán dẫn. 2. Bản kính phân cực ; 3. Th−ớc đo góc 0 - 3600 , chính xác 10 4. Cảm biến photodiode silicon + ống che sáng ; 5. Bộ khuếch đại và chỉ thị c−ờng độ sáng 6. Giá quang học . I. Cơ sở lý thuyết 1. Sự phân cực ánh sáng : Theo thuyết điện từ của Maxwell, ánh sáng là sóng điện từ tức là loại sóng ngang, trong đó vectơ điện tr−ờng E hay còn gọi là vectơ sóng sáng luôn dao động theo ph−ơng vuông góc với ph−ơng truyền v của sóng sáng (tia sáng). Nh− đã biết, ánh sáng tự nhiên là tập hợp vô số các đoàn sóng do những nguyên tử riêng biệt trong nguồn sáng phát ra, nên vectơ sóng sáng E của mỗi đoàn sóng có ph−ơng dao động rất khác nhau và mang tính ngẫu nhiên. Vì vậy theo định nghĩa, ánh sáng trong đó vectơ sóng sáng E dao động đều đặn (với cùng xác suất) theo mọi ph−ơng vuông góc với tia sáng đ−ợc gọi là ánh sáng tự nhiên (Hình 1). Nếu ánh sáng có vectơ sóng sáng E chỉ dao động theo một ph−ơng xác định vuông góc với tia sáng gọi là ánh sáng phân cực phẳng (hoặc thẳng). Mặt phẳng chứa tia sáng và ph−ơng dao động của vectơ sóng sáng E gọi là mặt phẳng dao động. Mặt phẳng chứa tia sáng và vuông góc với mặt phẳng dao động gọi là mặt phẳng phân cực . Có thể tạo ra ánh sáng phân cực phẳng bằng cách cho ánh sáng tự nhiên truyền qua các bản phân cực (pôlarôit hoặc hêrapatit). Thực nghiệm chứng tỏ ánh sáng tự nhiên, sau khi truyền qua bản phân cực, sẽ trở thành ánh sáng phân cực phẳng có vectơ sóng sáng E dao động theo một ph−ơng hoàn toàn xác định gọi là quang trục Q của bản phân cực. Giả sử nếu ánh sáng truyền tới bản phân cực là ánh sáng phân cực phẳng có vectơ sóng sáng E nghiêng một góc α so với quang trục Q của bản này, thì chỉ có thành phần E1 song song với quang trục Q mới truyền đ−ợc qua bản, còn thành phần E2 vuông góc với quang trục Q sẽ bị cản lại (Hình 2). Dễ dàng nhận thấy : E1 = E . cos α . Vì c−ờng độ sáng tỷ lệ thuận với bình ph−ơng biên độ vectơ sóng sáng, nên nếu E0 là biên độ của vectơ sóng sáng E và I0 ( )= E0 2 là c−ờng độ sáng của ánh sáng phân cực phẳng truyền tới bản phân cực, thì biên độ của thành phần vectơ sóng sáng E1 truyền qua bản phân cực sẽ là E E01 0= . cos α và c−ờng độ sáng I1 ở phía sau bản phân cực bằng : I1 = ( ) ( )E E01 2 0 2= .cosα hay I1 = I0 . cos 2α (1) Đây là công thức của định luật Malus về phân cực ánh sáng. Rõ ràng, khi α = 0 thì cosα = 1 : c−ờng độ sáng sau bản kính phân cực đạt cực đại I1max= I0 ; còn khi α = 900 thì cosα = 0 : c−ờng độ sáng sau bản kính phân cực sẽ cực tiểu I1min= 0 . Trong thí nghiệm này, ta sẽ khảo sát sự phân cực ánh sáng của chùm tia laser để xác định mặt phẳng phân cực của chùm tia laser và nghiệm lại định luật Malus về phân cực ánh sáng. II. Trình tự thí nghiệm 1. Quan sát bộ thiết bị thí nghiệm gồm một diode laser DL (3,8V - 5 mW) phát ra chùm tia laser màu đỏ chiếu vuông góc vào tâm của mặt bản phân cực P. Một th−ớc tròn T (đ−ợc chia độ từ 0 ữ 3600) gắn chặt với bản phân cực P dùng đo góc quay α giữa ph−ơng của vectơ sóng sáng E truyền tới bản phân cực P và quang trục Q của bản này. Để khảo sát sự thay đổi c−ờng độ của ánh sáng phân cực sau khi truyền qua bản phân cực P, ta dùng một cảm biến quang điện silicon QĐ đặt ở bên trong một ống che sáng. Tín hiệu laser truyền qua bản kính phân cực tới rọi vào cảm biến quang điện silicon QĐ đ−ợc đ−a vào bộ khuếch đại và chỉ thị c−ờng độ sáng KĐ nhờ một chốt cắm C. Toàn bộ thiết bị thí nghiệm đặt trên cùng một giá quang học G (Hình 5) 2. Cắm phích lấy điện của khuếch đại và chỉ thị c−ờng độ sáng KĐ vào nguồn điện ~ 220V. Vặn núm chọn thang đo N của micrôampekế điện-tử àA 2 tới vị trí 100 và vặn núm biến trở R (ng−ợc chiều kim đồng hồ) về vị trí tận cùng bên phải ứng với độ nhạy nhỏ nhất. Bấm khóa đóng điện K trên mặt của bộ khuếch đại KĐ : đèn tín hiệu LED phát sáng . Nới lỏng vít hãm V và quay ống chắn sáng của cảm biến quang điện QĐ để trục của nó đi qua tâm của bản phân cực P. Chờ khoảng 5 phút để bộ khuếch đại KĐ ổn định, thực hiện việc điều chỉnh vị trí số 0 của micrôampekế điện- tử àA . Nếu kim của micrôampekế àA không chỉ đúng số 0 thì phải vặn từ từ núm "qui 0" để cho kim chỉ thị của nó quay trở về đúng số 0. Chú ý : Sau khi điều chỉnh xong, phải giữ nguyên vị trí này của núm "qui 0" trong suốt thời gian làm thí nghiệm. 3. Cắm phích lấy điện của bộ nguồn nuôi diode laser DL vào nguồn điện xoay chiều ~220V. Bật côngtắc K1 của diode laser DL, ta sẽ nhận đ−ợc chùm tia sáng laser màu đỏ. Điều chỉnh để chùm tia sáng laser phát ra từ cửa sổ của diode laser DL đi qua tâm của bản phân cực P và chiếu vào tâm của vít V. Khi đó giữ nguyên độ cao của cảm biến quang điện QĐ và quay nó để cho chùm tia laser rọi thẳng vào cảm biến quang điện QĐ 4. Quay th−ớc tròn chia độ T cho tới khi kim của micrôampekế àA đạt độ lệch lớn nhất. Sau đó, vặn từ từ núm biến trở R (ng−ợc chiều kim đồng hồ) để kim của micrôampekế àA dịch chuyển tới vị trí của vạch 100 trên mặt thang đo của micrôampekế àA . Đọc và ghi giá trị góc quay ban đầu α 0 (trên th−ớc tròn chia độ T) của bản phân cực P vào bảng 1 . 5. Tiếp tục quay th−ớc tròn chia độ T để tăng góc quay α (mỗi lần tăng 50) từ giá trị ban đầu α 0 đến giá trị α = + 360 0 . Đọc và ghi các giá trị t−ơng ứng của góc quay α và của c−ờng độ sáng I1 (tỷ lệ với c−ờng độ dòng điện trên micrôampekế àA ) trong mỗi lần đo vào bảng 1 . 6. Đọc và ghi các số liệu sau đây vào bảng 1 : - Độ chia nhỏ nhất của th−ớc tròn chia độ T . 2. Cắm phích lấy điện của khuếch đại và chỉ thị c−ờng độ sáng KĐ vào nguồn điện ~ 220V. Vặn núm chọn thang đo N của micrôampekế điện-tử àA tới vị trí 100 và vặn núm biến trở R (ng−ợc chiều kim đồng hồ) về vị trí tận cùng bên phải ứng với độ nhạy nhỏ nhất. Bấm khóa đóng điện K trên mặt của bộ khuếch đại KĐ : đèn tín hiệu LED phát sáng . Nới lỏng vít hãm V và quay ống chắn sáng của cảm biến quang điện QĐ để trục của nó đi qua tâm của bản phân cực P. Chờ khoảng 5 phút để bộ khuếch đại KĐ ổn định, thực hiện việc điều chỉnh vị trí số 0 của micrôampekế điện-tử àA . Nếu kim của micrôampekế àA không chỉ đúng số 0 thì phải vặn từ từ núm "qui 0" để cho kim chỉ thị của nó quay trở về đúng số 0. Chú ý : Sau khi điều chỉnh xong, phải giữ nguyên vị trí này của núm "qui 0" trong suốt thời gian làm thí nghiệm. 3. Cắm phích lấy điện của bộ nguồn nuôi diode laser DL vào nguồn điện xoay chiều ~220V. Bật côngtắc K1 của diode laser DL, ta sẽ nhận đ−ợc chùm tia sáng laser màu đỏ. Điều chỉnh để chùm tia sáng laser phát ra từ cửa sổ của diode laser DL đi qua tâm của bản phân cực P và chiếu vào tâm của vít V. Khi đó giữ nguyên độ cao của cảm biến quang điện QĐ và quay nó để cho chùm tia laser rọi thẳng vào cảm biến quang điện QĐ 4. Quay th−ớc tròn chia độ T cho tới khi kim của micrôampekế àA đạt độ lệch lớn nhất. Sau đó, vặn từ từ núm biến trở R (ng−ợc chiều kim đồng hồ) để kim của micrôampekế àA dịch chuyển tới vị trí của vạch 100 trên mặt thang đo của micrôampekế àA . Đọc và ghi giá trị góc quay ban đầu α 0 (trên th−ớc tròn chia độ T) của bản phân cực P vào bảng 1 . 5. Tiếp tục quay th−ớc tròn chia độ T để tăng góc quay α (mỗi lần tăng 50) từ giá trị ban đầu α 0 đến giá trị α = + 360 0 . Đọc và ghi các giá trị t−ơng ứng của góc quay α và của c−ờng độ sáng I1 (tỷ lệ với c−ờng độ dòng điện trên micrôampekế àA ) trong mỗi lần đo vào bảng 1 . 6. Đọc và ghi các số liệu sau đây vào bảng 1 : - Độ chia nhỏ nhất của th−ớc tròn chia độ T . - Độ chia nhỏ nhất trên thang đo 100 của micrôampekế điện-tử àA . 7. Dựa vào những giá trị đo đ−ợc của c−ờng độ sáng I1 và của góc quay α t−ơng ứng trong bảng 1, vẽ đồ thị biểu diễn hàm số : I1 = f ( X ) với X = cos 2α (3) Chú ý : Cần kiểm tra chính xác các vị trí tại đó c−ờng độ sáng đạt cực đại hoặc cực tiểu bằng cách ở lân cận hai phía của mỗi vị trí này (trong giới hạn ± 50) chỉ thay đổi mỗi lần 10 đối với góc quay α và đọc giá trị c−ờng độ sáng I1 t−ơng ứng .Từ 3 DL đó có thể xác định chính xác vị trí mặt phẳng phân cực của chùm tia laser . àA K1 P T QĐ V R "0" 1 10 100 K N C + − G KĐ Hình 5 III. Câu hỏi kiểm tra 1. Nêu rõ thuyết điện từ của Maxwell về bản chất của ánh sáng . ánh sáng là sóng ngang hay sóng dọc ? 2. Phân biệt ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực . 3. Định nghĩa laser . Nêu rõ nguyên tắc tạo ra trạng thái đảo mật độ hạt . Phân biệt sự phát xạ tự phát và phát xạ cảm ứng của các nguyên tử . Nêu nguyên tắc ccấu tạo và hoạt động của diode laser . 4. Giải thích tại sao khi chùm tia laser truyền qua bản phân cực P , thì c−ờng độ sáng I ở phía sau bản phân cực P lại thay đổi phụ thuộc vào gócα giữa vectơ sóng sáng E truyền tới bản phân cực P và quang trục Q của bản đó . 5. Phát biểu và viết biểu thức của định luật Malus về phân cực ánh sáng . 6. Mô tả bộ thiết bị thí nghiệm và ph−ơng pháp khảo sát sự phân cực ánh sáng để nghiệm lại định luật Malus về phân cực ánh sáng và xác định mặt phẳng phân cực của chùm tia laser . Báo cáo thí nghiệm khảo sát phân cực ánh sáng dùng tia laser . Nghiệm Định luật malus ( maluýt ) Xác nhận của thày giáo Tr−ờng ........................................ Lớp ...................Tổ ..................... Họ tên ......................................... I. Mục đích thí nghiệm ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... II. kết quả thí nghiệm Bảng 1 - Giá trị độ chia nhỏ nhất của th−ớc đo góc T : ................... - Giá trị độ chia nhỏ nhất trên micrôampekế àA : ................ 4 α I1 cosα cos2α α I1 cosα cos2α 0 50 5 55 10 60 15 65 20 70 25 75 30 80 35 85 40 90 45 0 1. Vẽ đồ thị I1 = f ( X ) với X = cos 2α 2. Kết luận Đồ thị I1 = f ( X ) với X = cos 2α có dạng một đ−ờng .........................(thẳng, cong,.......) tức là c−ờng độ ánh sáng phân cực I 1 phụ thuộc X = cos2α theo qui luật hàm bậc ..................... Kết quả này chứng tỏ định luật Malus về phân cực ánh sáng .................................................. (đã nghiệm hoặc không nghiệm đúng) .