- Trang chủ >>
- Khoa học tự nhiên >>
- Vật lý
LUẬN văn sư PHẠM vật lý THIẾT kế THÍ NGHIỆM GIAO THOA ÁNH SÁNG với KHE YOUNG
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.44 MB, 109 trang )
GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn
Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƢ PHẠM
BỘ MÔN VẬT LÝ
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
TÊN ĐỀ TÀI
THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM GIAO THOA ÁNH SÁNG
VỚI KHE YOUNG
CBHD: Th.s LÊ VĂN NHẠN
SVTH: TRẦN HOÀNG ĐỈNH
MSSV: 1090306
LỚP: SP.VẬT LÝ – CÔNG NGHỆ K35
Cần Thơ, tháng 05/2013
SVTH: Trần Hoàng Đỉnh
1
GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn
Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young
LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian thực hiện luận văn em đã gặp khơng ít khó khăn do
chưa có kinh nghiệm, thời gian về tài liệu cịn hạn chế. Song bên cạnh đó em
nhận được nhiều sự giúp đỡ của q thầy cơ trong, ngồi bộ mơn và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Văn Nhạn đã tận tình dìu dắt, giúp đỡ
và chỉ bảo em trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Vương Tấn Sỹ, Trương Hữu Thành,
Nguyễn Bá Thành đã hết lòng giúp đỡ và truyền thụ kiến thức để em có được cơ
sở thực hiện đề tài.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Quân – Bộ mơn sinh vật đã tận tình giúp
đỡ trong thời gian thực hiện đề tài.
Xin chân thành thầy cô Bộ môn Vật Lý – Khoa Sư Phạm – Trường Đại
Học Cần Thơ đã hết lòng truyền thụ kiến thức cho em trong suốt thời gian em
học tại trường.
Xin chân thành cảm ơn tất cả các bạn đã động viên và giúp đỡ mình hồn
thành luận văn này.
Sinh viên thực hiện
Trần Hoàng Đỉnh
SVTH: Trần Hoàng Đỉnh
2
GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn
Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
Họ và tên CBHD: Th.S Lê Văn Nhạn
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
SVTH: Trần Hoàng Đỉnh
3
GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn
Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN
Họ và tên CBPB: Th.S Phạm Văn Tuấn
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
SVTH: Trần Hoàng Đỉnh
4
GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn
Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN
Họ và tên CBPB: T.s Trần Thanh Hải
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
SVTH: Trần Hoàng Đỉnh
5
GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn
Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young
MỤC LỤC
LỜI CẢM TẠ……………………………………………………………..i
MỤC LỤC………………………………………………………………...ii
DANH SÁCH BẢNG……………………………………………………..iii
DANH SÁCH HÌNH……………………………………………………...iv
PHẦN I. PHẦN MỞ ĐẦU……………………………………………..........1
1. Lí do chọn đề tài......................................................................................2
2. Mục đích đề tài……………………………………………………........2
3. Giới hạn đề tài……………………………………………………….....2
4. Phƣơng pháp nghiên cứu…………………………………………….....2
5. Các bƣớc thực hiện…………………………………………………......2
PHẦN II.NỘI DUNG………………………………………………………..3
CHƢƠNG I.GIAO THOA ÁNH SÁNG……………………………………3
1.1.Cơ sở của quang học sóng.....................................................................3
1.1.1.Hàm sóng của ánh…………………………………………….........3
1.1.2 Cƣờng độ sáng………………………………………………..........3
1.1.3 Nguyên lý Huyghen…………………………………………..........3
1.1.4. Nguyên lý chồng chất………………………………………..........4
1.2 Sự giao thoa – nguồn kết hợp……………………………………........5
1.2.1 Tổng hợp hai dao động cùng tần số, cùng phƣơng…………….......5
1.2.2 Hiện tƣợng giao thoa. Dao động kết hợp và không kết hợp……....5
1.3 Giao thoa của nguồn điểm.Vân không định xứ……………………....7
1.3.1 Sự phân bố cƣờng độ sáng trên màn quan sát………………….....8
1.3.2 Hình dạng vân giao thoa..................................................................10
1.3.3 Vị trí của vân giao thoa.Khoảng vân………………………….......11
1.3.4 Điều kiện về bề rộng của nguồn......................................................13
1. 4 Các phƣơng pháp quan sát vân giao thoa không định xứ…………...14
1.4.1 Nguyên tắc chung để tạo đƣợc các sóng kết hợp………………....14
1.4.2 Những cách bố trí thí nghiệm để quan sát giao thoa ánh sáng........15
SVTH: Trần Hoàng Đỉnh
6
GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn
Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young
1.4.2.1 Khe Young…………………………………………………......15
1.4.2.2 Gƣơng Fresnel............................................................................16
1.4.2.3 Lƣỡng lăng kính Fresnel…………………………………….....17
1.4.2.4 Gƣơng Lloyd…………………………………………………...18
1.5 Giao thoa cho bản mỏng trong suốt hai mặt song song, vân cùng độ
nghiêng……………………………………………………………………….19
1.5.1 Sự định xứ vân…………………………………………………….19
1.5.2 Tính hiệu quang trình………………………………………….......20
1.5.3 Hình dạng của vân giao thoa………………………………………21
1.6 Giao thoa cho bản mỏng trong suốt có độ dày thay đổi, vân cùng độ
dày……………………………………………………………………………22
1.6.1 Sự định xứ của vân……………………………………………......22
1.6.2 Tính hiệu quang trình…………………………………………......23
1.6.3 Hình dạng vân giao thoa và cách bố trí thực nghiệm để quan
sát…………………………………………………………………………….24
1.6.4 Vân giao thoa cùng độ dày cho bởi các bản mỏng khơng khí……25
1.6.4.1 Vân giao thoa cho bởi một nêm khơng khí…………………....25
1.6.4.2 Vân trịn Newton……………………………………………....26
1.6.5 Giao thoa của ánh sáng trắng…………………………………......27
1.7 Giao thoa kế hai chùm tia....................................................................28
1.7.1 Giao thoa kế Rayleigh…………………………………………….28
1.7.2 Giao thoa kế Michelson……………………………………….......30
1.8 Những ứng dụng của hiện tƣợng giao thoa hai chùm tia…………….30
1.8.1 Kiểm tra phẩm chất các mặt quang học……………………….......30
1.8.2 Ðo độ biến thiên nhỏ của chiều dày……………………………….31
1.8.3 Những ứng dụng khác……………………………………………..32
CHƢƠNG II. LASER BÁN DẪN VÀ ỨNG ỤNG………………………..33
2.1 Sơ lƣợc về laser………………………………………………….........33
2.1.1 Lịch sử ra đời và phát triển của laser………………………….......33
2.1.2 Khái niệm về laser…………………………………………….......33
SVTH: Trần Hoàng Đỉnh
7
GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn
Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young
2.1.3 Giới thiệu các loại laser………………………………………......33
2.1.3.1 Laser khí……………………………………………………....34
2.1.3.2 Laser rắn……………………………………………………....34
2.1.3.3 Laser màu……………………………………………………..34
2.1.3.4 Laser bán dẫn……………………………………………….....34
2.1.4 Các ứng dụng của laser…………………………………………...35
2.2 Cơ sở vật lý laser……………………………………………………..35
2.2.1 Cơ sở hình thành ánh sáng laser ……………………………….....35
2.2.2 Dịch chuyển quang học…………………………………………...36
2.2.3 Độ rộng và đƣờng bao vạch phổ……………………………….....36
2.2.4 Nguyên lý hoạt động máy phát laser………………………….......38
2.2.5 Cấu tạo của một laser……………………………………………..40
2.2.5.1 Môi trƣờng hoạt chất…………………………………………..40
2.2.5.2 Buồng cộng hƣởng quang học....................................................42
2.2.5.2.1. Cấu tạo..................................................................................42
2.2.5.2.2 Chức năng BCH.....................................................................42
2.2.6 Tính chất của laser………………………………………………...43
2.2.6.1 Tính cƣờng độ lớn......................................................................44
2.2.6.2 Tính định hƣớng của laser..........................................................44
2.2.6.3 Tính đơn sắc…………………………………………………....45
2.2.6.4 Tính kết hợp của laser……………………………………….....45
2.3.Laser bán dẫn…....................................................................................46
2.3.1 Một số tiêu chuẩn của vật liệu bán dẫn............................................46
2.3.2 Một số đặc điểm của laser bán dẫn..................................................47
2.3.3 Chất bán dẫn và tính chất của chất bán dẫn…………………….....49
2.3.3.1 Chất bán dẫn thuần…………………………………………….49
2.3.3.2 Bán dẫn pha tạp………………………………………………...51
2.3.4 Tiếp giáp p – n.................................................................................52
2.3.4.1 Tiếp giáp p – n đƣợc phân cực thuận………………………......52
SVTH: Trần Hoàng Đỉnh
8
GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn
Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young
2.3.4.2 Tiếp giáp p– n không đƣợc phân cực…………………………..55
2.3.4.3 Điều kiện nghịch đảo nồng độ trong môi trƣờng bán dẫn tinh
thể…………………………………………………………………………….59
2.3.5 Cấu trúc tiếp giáp dị thể p– n………………………………….......62
2.3.6 Các phƣơng pháp kích thích và nguyên tác hoạt động của laser bán
dẫn………………………………………………………………………........64
2.3.6.1 Phƣơng pháp kích thích bằng điện trƣờng…………………......64
2.3.6.2 Phƣơng pháp phun dòng tải điện qua lớp tiếp xúc P – n……....65
2.3.6.3 Phƣơng pháp dùng chùm điện tử để kích thích……………......67
2.3.6.4 Phƣơng pháp bơm quang học……………………………….....68
2.3.7 Các loại laser bán dẫn…………………………………………......69
2.3.7.1 Laser bán dẫn dạng phun……………………………………....69
2.3.7.2 Laser bán dẫn dung bơm quang học…………………………...70
2.4 Các ứng dụng của laser bán dẫn………………………………….......71
2.4.1 Các ứng dụng cơ bản của laser bán dẫn trong đời sống………......72
2.4.1.1 Dùng trong máy in laser…………………………………….....72
2.4.1.2 Máy đọc mã vạch trong các siêu thị…………………………...75
2.4.1.3 Đọc và ghi đĩa DVD, CD……………………………………...76
2.4.2 Các ứng dụng cơ bản của laser bán dẫn trong y học.......................79
CHƢƠNG III. THỰC HÀNH……………………………………………..81
3.1 Thiết kế nguồn laser……………………………………………..........81
3.2 Thiết kế giá quang học…………………………………………..........81
3.3. Thiết kế khe Young……………………………………………..........82
3.4 Thiết kế hệ đo cơ, đo điện để xác định khoảng vân………………......83
3.5 Các cách đo bƣớc sóng ……………………………………….........84
3.5.1 Đo với 1 nguồn laser……………………………………….......84
3.5.2 Đo với 2 nguồn laser (1 nguồn laser có 1 biết trƣớc)………....85
3.5.3 Đo dựa trên phim đã chụp………………………………….......85
3.6 Kết quả thí nghiệm……………………………………………….......86
SVTH: Trần Hoàng Đỉnh
9
GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn
Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young
PHẦN III. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………92
1. Kết luận…………………………………………………………………92
1.1 Ƣu của đề tài…………………………………………………………92
1.2 Nhƣợc điểm của đề tài……………………………………………….92
2. Kiến nghị………………………………………………………………..93
3. Hƣớng phát triển tiếp theo của đề tài…………………………………...93
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………….94
SVTH: Trần Hoàng Đỉnh
10
GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn
Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young
DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1 Một số hệ vật liệu phổ biến được sử dụng trong chế tạo các nguồn điện phát
quang......................................................................................................................47
Bảng 2.2 Độ dài sóng phát và nhiệt độ làm việc của laser bán dẫn.....................48
Bảng 2.3 Danh sách vùng bước sóng phát của một số chất..................................70
Bảng 2.4.Bảng một số laser bán dẫn dùng bơm quang học đã được nghiên cứu thành
cơng.......................................................................................................................71
SVTH: Trần Hồng Đỉnh
11
GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn
Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young
DANH SÁCH HÌNH
Hình1.1Mặt đầu sóng của mặt cầu..............................................................................4
Hình1.2 Mặt đầu sóng của sóng khúc xạ....................................................................4
Hình 1.3 Hai nguồn kết hợp.......................................................................................8
Hình 1.4 Biểu diễn sự biến thiên của I theo ..........................................................10
Hình 1.5 Mặt hyperboloit...........................................................................................11
Hình 1.6 Đường hypecbơn.........................................................................................11
Hình 1.7. Các nguồn kết hợp.....................................................................................12
Hình 1.8 Điều kiện bề rộng của nguồn......................................................................13
Hình 1.9 Các sóng kết hợp........................................................................................15
Hình 1.10 Khe Young................................................................................................16
Hình 1.11 Gương Fresnel.........................................................................................17
Hình 1.12 Lưỡng lăng kính Fresnel..........................................................................18
Hình 1.13 Gương Lloyd............................................................................................18
Hình 1.14 Thí nghiệm giao thoa bản mỏng trong suốt hai mặt song song, vân cùng độ
nghiêng......................................................................................................................19
Hình 1.15 Vân giao thoa...........................................................................................21
Hình 1.16 Vân giao thoa có dạng trịn.....................................................................22
Hình 1.17 Vịng trịn đồng tâm sáng........................................................................22
Hình 1.18 Thí nghiệm giao thoa bản mỏng trong suốt có độ dày thay đổi vân cùng độ
dày............................................................................................................................23
Hình 1.19 cách bố trí thực nghiệm để quan sát.......................................................25
Hình 1.20 Vân giao thoa cho bởi một nêm khơng khí.............................................26
Hình 1.21a. Thí nghiệm về vân trịn Newton...........................................................27
Hình 1.21b Vân trịn Newton là những đường trịn đồng tâm................................27
Hình 1.22 Sơ đồ giao thoa kế Rayliegh..................................................................29
Hình 1.23 Sơ đồ bố trí đơn giản của giao thoa kế Michelson................................30
Hình 1.24 Giao thoa...............................................................................................32
Hình 1.25 Nêm khơng khí.......................................................................................32
Hình 2.1 Sự bất định của tần số bức xạ.................................................................38
Hình 2.2 Phổ bức xạ..............................................................................................38
SVTH: Trần Hồng Đỉnh
12
GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn
Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young
Hình 2.3 Đường bao Lorentz..................................................................................39
Hình 2.4 Nguyên lý máy phát laser.........................................................................39
Hình 2.5 Buồng cộng hưởng...................................................................................40
Hình 2.6 Các quá trình dịch chuyển bức xạ...........................................................42
Hình 2.7 Sự hình thành hồi tiếp dương trong BCH................................................44
Hình 2.8 Mức năng lượng và phân bố các hạt dẫn theo mức năng lượng trong bán dẫn
thuần.......................................................................................................................51
Hình 2.9: Mức năng lượng Fermi, phân bố tập trung hạt dẫn trong:
a. bán dẫn loại n.........................................................................................53
b. bán dẫn loại p.........................................................................................53
Hình 2.10 Mật độ dịng tại một điểm trong bán dẫn loại p khi phân cục thuận cho tiếp giáp
p – n.........................................................................................................................55
Hình 2.11 Tiếp giáp P – n khơng phân cực............................................................57
Hình 2.12 Giản đồ năng lượng xét điều kiện nghịch đảo nồng độ trong mơi trường bán
dẫn..........................................................................................................................61
Hình 2.13 Giản đồ năng lượng của tiếp giáp dị thể...............................................63
Hình 2.14: a. Giản đồ năng lượng........................................................................64
b. phân bố chiết suất của tiếp giáp dị thể kép phân cực thuận............64
Hình 2.15: a. lớp tiếp xúc p – n duy biến khi khơng có trường ngoài...................67
b. lớp tiếp xúc p – n duy biến khi có trường ngồi theo hướng thuận....67
Hình 2.16 Laser trên lớp tiếp xúc p – n.................................................................67
Hình 2.17 Sơ đồ kích thích laser bán dẫn bằng chùm điện tử...............................69
Hình 2.18 Kích thích laser bán dẫn bằng bơm quang học....................................70
Hình 2.19 Máy in laser..........................................................................................73
Hình 2.20 Sơ đồ khối máy in laser.......................................................................74
Hình 2.21 Sơ đồ khối quang.................................................................................74
Hình 2.22 Máy đọc mã vạch.................................................................................77
Hình 2.23 Pit đĩa DCD.........................................................................................78
Hình 2.24 Dung lượng DVD.................................................................................79
Hình 2.25 Cấu tạo đĩa DVD.................................................................................79
Hình 3.1 Nguồn laser............................................................................................83
Hình 3.2 Giá quang học........................................................................................83
SVTH: Trần Hoàng Đỉnh
13
GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn
Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young
Hình 3.3. Khe Young...............................................................................................84
Hình 3.4 Hệ đo cơ,hệ đo điện.................................................................................85
Hình 3.5 Khe Young được chế bằng lưỡi lam........................................................92
SVTH: Trần Hoàng Đỉnh
14
GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn
Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young
PHẦN I. PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài.
Ngày nay xu thế chung của các trƣờng từ bậc phổ thơng cho đến bậc đại học
đó là đẩy mạnh việc “Học đi đôi với hành”. Riêng vật lý, đây là một môn khoa học
thực nghiệm nên việc thực hành nghiên cứu vật lý lại càng không thể thiếu đƣợc.
Chúng ta cũng biết rằng các định luật hay các thuyết vật lý mà chúng ta đƣợc biết
cho đến nay đó chính là kết quả của các q trình nghiên cứu thực nghiệm. Rồi đến
các tiết học vật lý, ngƣời học chỉ thật sự bị cuốn hút vào bài giảng khi nào ngƣời
học đƣợc xem qua các thí nghiệm hoặc tự tay làm thí nghiệm. Tất cả những điều đó
cho thấy rằng thực nghiệm có một vai trị rất quan trọng trong giảng dạy, đặc biệt là
trong giảng dạy vật lý.
Là một giáo viên vật lý trong tƣơng lai, tôi nhận thấy cần phải trao dồi hơn
nữa khả năng thực hành vật lý của mình bởi lẽ theo tơi muốn dạy giỏi thực nghiệm
thì ngƣời giáo viên trƣớc hết phải là ngƣời giỏi về thực nghiệm. Hơn nữa, tôi cũng
hi vọng trong tƣơng lai những tiết học đƣợc gọi là “dạy chay” sẽ khơng cịn tồn tại
nữa để cho vật lý thật sự trở thành một môn học đƣợc u thích nhất. Do đó tơi đã
chọn một đề tài thực hành là “Thiết kế thí nghiệm giao thoa ánh sáng với khe
Young”.
2. Mục đích đề tài.
Kiểm chứng lại tính chất sóng của ánh sáng. Khảo sát hiện tƣợng giao thoa
của ánh sáng laser, từ đó ta tính đƣợc bƣớc sóng của ánh sáng laser. Kiểm nghiệm
sự đúng đắn của công thức.
3. Phạm vi của đề tài.
Giao thoa ánh sáng, vật lý laser bán dẫn và ứng dụng, thiết kế khe young,
thiết kế giá quang học,…sau đó làm thí nghiệm.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu.
Tìm tài liệu tham khảo, đúc kết, phân tích, tổng hợp lại.
Đặt làm giá quang học.
Thiết kế khe Young, cách tử.
Thiết kế bộ phận đo cơ, đo điện.
Tiến hành thí nghiệm.
SVTH: Trần Hồng Đỉnh
15
GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn
Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young
5. Các bƣớc thực hiện.
Bƣớc 1: Nghiên cứu lý thuyết có liên quan đến đề tài.
Bƣớc 2: Nghiên cứu cách sử dụng và thiết lập dụng cụ thí nghiệm.
Bƣớc 3: Đo đạt lấy số liệu.
Bƣớc 4: Phân tích kết quả thí nghiệm.
Bƣớc 5: Tiến hành viết bài và trao đổi với giáo viên.
Bƣớc 6: Hoàn chỉnh đề tài và báo cáo.
SVTH: Trần Hoàng Đỉnh
16
GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn
Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young
PHẦN II. NỘI DUNG
CHƢƠNG I.GIAO THOA ÁNH SÁNG
1.1 Cơ sở của quang học sóng.
1.1.1 Hàm sóng của ánh sáng.
Ta đã biết ánh sáng là một loại sóng điện từ, nghĩa là một điện từ trƣờng biến
thiên truyền trong không gian. Tuy nhiên thực nghiệm chứng tỏ rằng chỉ có thành
phần điện trƣờng khi tác dụng vào mắt mới gây ra cảm giác sáng. Vì vậy dao động
của vectơ E đƣợc gọi là dao động sáng.
Nếu tại O phƣơng trình dao động sáng là:
x0 a. cos t
Thì tại điểm M cách O một đoạn r phƣơng trình dao động sáng sẽ là:
2 L
xM a.cos (t ) cos t
cT
hay: xM a.cos t
2 L
(1.1)
trong đó: là thời gian ánh sáng truyền từ điểm O đến M.
L=c là quang lộ trên đoạn đƣờng OM.
=cT là bƣớc sóng ánh sáng trong chân khơng.
phƣơng trình (1.1) gọi là hàm sóng của ánh sáng.
1.1.2 Cƣờng độ sáng
Cƣờng độ sáng tại một điểm là một đại lƣợng có trị số bằng năng lƣợng
truyền qua một đơn vị diện tích đặt vng góc với phƣơng truyền sáng trong một
đơn vị thời gian.
Cƣờng độ sáng tại một điểm tỉ lệ với bình phƣơng biên độ dao động sáng tại
điểm đó:
I=k a 2
trong đó k là hệ số tỉ lệ.
SVTH: Trần Hoàng Đỉnh
17
GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn
Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young
1.1.3 Nguyên lý Huyghen
Nguyên lý Huyghen cho phép tìm vị trí của mặt đầu sóng ở thời điểm sau,
khi biết vị trí của mặt đầu sóng ở thời điểm trƣớc. Nội dung của nguyên lý này là:
“Mỗi điểm của mơi trƣờng mà mặt đầu sóng đạt đến có thể xem nhƣ những tâm
phát sóng bán cầu thứ cấp và bao hình của các sóng bán cầu này là mặt đầu sóng
mới”.
Khi vẽ mặt đầu sóng cần lƣu ý rằng tia sáng là một họ các đƣờng thẳng
vuông góc với mặt đầu sóng.
Đối với sóng cầu:
Trong một mơi trƣờng đồng chất và đẳng hƣớng có một nguồn sóng O phát
ra sóng cầu (Hình 1.1). Tại thời điểm t, ta có mặt sóng cầu S1 . Theo nguyên lý
Huyghen, ta xem các điểm của mặt sóng S1 nhƣ những nguồn thứ cấp. Tại thời
điểm t + t , các sóng cầu thứ cấp do các nguồn thứ cấp này tạo ra có cùng bán kính
là v.t . Mặt sóng cầu S 2 bao hình của sóng thứ cấp này.
Hình1.1Mặt đầu sóng của mặt cầu
Hình1.2 Mặt đầu sóng của sóng khúc xạ
Đối với sóng phẳng:
Trong hình 1.2, chùm tới là sóng phẳng, có mặt sóng AB, đập vào mặt phân
cách của hai mơi trƣờng có chiết suất là n1 và n 2 dƣới góc tới i1 . Mặt đầu sóng
trong mơi trƣờng thứ hai sẽ là bao hình của những sóng bán cầu thứ cấp có tâm nằm
trên mặt phân cách giữa hai môi trƣờng.
Do i1 0 nên các điểm của mặt đầu sóng AB khơng đến mặt phân cách giữa
hai mơi trƣờng cùng lúc. Vì vậy, sóng thứ cấp tại điểm A luôn xảy ra sớm hơn tại
điểm C. Kết quả ta có mặt cầu sóng mới (khúc xạ) là mặt đầu sóng DC.
SVTH: Trần Hồng Đỉnh
18
GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn
Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young
1.1.4 Nguyên lý chồng chất
Nguyên lý chồng chất là nguyên lý cơ bản để nghiên cứu hiện tƣợng giao
thoa và nhiễu xạ. Có nội dung nhƣ sau:
“Khi hai hay nhiều sóng ánh sáng gặp nhau thì sóng này khơng làm nhiễu
loạn sóng kia và sau khi gặp nhau các sóng ánh sáng vẫn truyền đi nhƣ cũ”. Tại
những điểm trong miền các sóng gặp nhau, dao động sáng tại điểm đó bằng tổng
các dao động sáng thành phần, tức là:
n
E E1 E 2 E3 ......... En Ei
(1.2)
i 1
Nguyên lý chồng chất chỉ đúng đối với sóng ánh sáng có cƣờng độ yếu (ánh
sáng do nguồn thơng thƣờng phát ra). Nguyên lý chồng chất là nguyên lý cơ bản để
nghiên cứu hiện tƣợng giao thoa và nhiễu xạ.
1.2 Sự giao thoa – nguồn kết hợp.
1.2.1 Tổng hợp hai dao động cùng tần số, cùng phƣơng.
Giả sử hai dao động ánh sáng cùng tần số và cùng phƣơng:
E1 E01 sin(t 1 )
E2 E02 sin(t 2 )
(1.3)
Chồng lên nhau tại một điểm M trong không gian. E1 và E2 là các biên độ
dao động, 1 và 2 là các pha ban đầu của chúng.
Theo nguyên lý chồng chất, trƣờng tổng hợp tại điểm M đƣợc biểu diển bằng
véctơ tổng hợp E của hai véctơ dao động E1 và E2 :
E = E1 + E2 .
Vì rằng hai dao động E1 và E2 thực hiện cùng phƣơng nên có thể thay thế
phép cộng véctơ bằng phép cộng đại số:
E E1 E2
(1.4)
Dao động tổng hợp cũng sẽ là một dao động sin có tần số .
E E0 sin(t )
Biên độ E0 và pha ban đầu đƣợc xác định bởi các công thức:
2
2
E02 E01
E02
2E01E02 cos(1 2 )
SVTH: Trần Hoàng Đỉnh
(1.5)
19
GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn
và tan
Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young
E01 sin 1 E02 sin 2
E01 cos 1 E02 cos 2
(1.6)
Nói chung chỉ cần chú ý tới biểu thức (1.5) vì nó xác định cƣờng độ tổng hợp
mà ta cần khảo sát.
1.2.2 Hiện tƣợng giao thoa. Dao động kết hợp và khơng kết hợp.
Vì rằng cƣờng độ tỉ lệ với bình phƣơng biên độ cho nên có thể viết (1.5) theo
cƣờng độ nhƣ sau:
I I1 I 2 2 I1I 2 cos(1 2 ) (1.7)
2
2
trong đó I E02 ; I1 E01
;I 2 E02
Ta biết rằng khơng có một nguồn sáng thơng thƣờng nào có thể phát ra sóng
ánh sáng hồn tồn đơn sắc, nghĩa là sóng có biên độ và pha ln ln khơng đổi.
Sở dĩ nhƣ vậy là nguyên tử chỉ phát xạ trong một khoảng thời gian ngắn chừng 108
s. Do đó mỗi lần phát xạ mỗi nguyên tử phát ra một xung sáng ngắn lan truyền có
dạng một đoạn sin. Mỗi đoạn sin nhƣ thế đƣợc gọi là một đồn sóng. Độ dài của
đồn sóng đƣợc xác định bởi thời gian phát xạ của nguyên tử.
Biên độ và pha của các đồn sóng do một ngun tử phát ra từ lần phát xạ
này sang lần phát xạ khác, cũng nhƣ do các nguyên tử khác nhau phát ra trong một
lần phát xạ có thể rất khác nhau khơng có liên hệ gì với nhau, nghĩa là các pha ban
đầu 1 và 2 ln ln thay đổi và có mọi giá trị bất kỳ. Do đó cƣờng độ tổng hợp
cũng thay đổi rất nhanh một cách hỗn loạn đến nỗi không một máy thu ánh sáng
nào dù là nhạy nhất lại có thể ghi nhận đƣợc giá trị trung bình của cƣờng độ trong
thời gian quan sát t. Vì vậy cần phải lấy trung bình biểu thức (1.7) theo t.
I I1 I 2 2 I1I 2 cos(1 2 )
Vì rằng E01 và E02 khơng phụ thuộc thời gian, ta có E012 E012 , E022 E022 . Do
I I1 I 2 2 I1I 2 cos(1 2 ) .
đó:
Theo định nghĩa về trị trung bình ta có:
cos(1 2 ) =
1 1
0 cos(1 2 )dt (1.8)
t
Do đó:
1
I I1 I 2 2 I1I 2 10 cos(1 2 )dt
t
SVTH: Trần Hoàng Đỉnh
(1.9)
20
GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn
Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young
Nhƣ vậy I phụ thuộc vào hiệu số pha ban đầu của các dao động thành phần.
Ta xét hai trƣờng hợp đặc biệt sau đây:
a) Giả sử (1 2 ) = hằng số.
Khi đó theo (1.8) ta có:
t
1
cos 1 2 cos(1 2 )dt cos(1 2 ) const . Do đó:
t0
I I1 I 2 2 I1I 2 cos(1 2 ) (1.10)
tức là I I1 I 2 .
Nhƣ vậy, cƣờng độ tổng hợp không bằng tổng cƣờng độ của các dao động
thành phần mà có thể lớn hơn hay bé hơn, hay tổng đó tùy thuộc vào hiệu số pha
ban đầu 1 2 của chúng.
Các dao động thỏa mãn điều kiện: hiệu số pha ban đầu của chúng là một đại
lƣợng không đổi theo thời gian đƣợc gọi là dao động kết hợp. Dĩ nhiên các dao
động xảy ra với tần số khác nhau không thể là dao động kết hợp, nhƣng cũng không
phải tất cả dao động có cùng tần số đều là dao động kết hợp. Các dao động điều hịa
có cùng tần số bao giờ cũng là dao động kết hợp. Nguồn phát ra các dao động kết
hợp là nguồn kết hợp.
Khi tổng hợp hai hay nhiều dao động ánh sáng kết hợp sẽ dẫn đến sự phân bố
lại năng lƣợng trong không gian: có những chỗ năng lƣợng tại đó có giá trị cực đại,
có những chỗ năng lƣợng tại đó có giá trị cực tiểu. Hiện tƣợng đó gọi là hiện tƣợng
giao thoa ánh sáng. Trong biểu thức (1.10) chính số hạng thứ ba gây nên hiện tƣợng
này vì vậy số hạng đó gọi là số hạng giao thoa.
b) Hiệu số pha ban đầu 1 2 thay đổi một cách hỗn loạn theo thời gian. Khi đó
hiệu số pha 1 2 lấy mọi giá trị từ 0 đến 2 trong khoảng thời gian quan sát.
Vì vậy: cos(1 2 ) 0 , do đó I I1 I 2 .
Nhƣ vậy, trong trƣờng hợp này cƣờng độ tổng hợp bằng tổng cƣờng độ của
các dao động thành phần, tức là không xảy ra hiện tƣợng giao thoa. Các dao động
trong trƣờng hợp này là dao động không kết hợp. Các dao động phát ra từ các
nguồn sáng thông thƣờng hay từ những điểm khác nhau của cùng một nguồn sáng
đều là những dao động không kết hợp. Các dao động không kết hợp khơng thể giao
thoa với nhau đƣợc.
SVTH: Trần Hồng Đỉnh
21
GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn
Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young
Tóm lại muốn quan sát đƣợc hiện tƣợng giao thoa ánh sáng thì các sóng giao
thoa với nhau phải là các sóng kết hợp và dao động của chúng phải thực hiện cùng
phƣơng.
1.3 Giao thoa của nguồn điểm.Vân không định xứ.
Theo kết luận trên, muốn quan sát đƣợc hiện tƣợng giao thoa với ánh sáng
phát ra từ các nguồn sáng thơng thƣờng, thì các sóng phải xuất phát từ cùng một
nguồn điểm hay từ cùng một điểm của nguồn rộng. Trong trƣờng hợp này sẽ quan
sát đƣợc hiện tƣợng giao thoa trong tồn bộ miền khơng gian hai sóng gặp nhau,
miền đó đƣợc gọi là trƣờng giao thoa. Các vân giao thoa quan sát đƣợc trong trƣờng
hợp này là vân không định xứ. Nghiên cứu hiện tƣợng giao thoa, ta phải tìm sự
phân bố cƣờng độ trên màn quan sát.
1.3.1 Sự phân bố cƣờng độ sáng trên màn quan sát.
Giả sử ta có 2 nguồn sóng kết hợp S1 và S 2 (hình 1.3) đều sinh ra từ một
nguồn sáng S, phát ra hai sóng kết hợp có cùng tần số và véctơ điện trƣờng của
chúng vng góc với mặt phẳng hình vẽ (dao động cùng phƣơng) và ta khảo sát
hiện tƣợng giao thoa xảy ra tại điểm M trên màn, cách các nguồn kết hợp S1 và S 2
những khoảng r1 và r2 .
Hình 1.3 Hai nguồn kết hợp
Để đơn giản tính tốn giả thuyết cả hai sóng có biên độ nhƣ nhau
( E01 E02 E0 ).
Nếu dao động tại S1 và S 2 có dạng: E1 E0 sin(t 1 )
và E2 E0 sin(t 2 ) thì phƣơng trình của hai dao động đó tại điểm M là:
E1m E0 sin(t
E2 m E0 sin(t
2 r1
2 r2
1 )
2 )
Dao động tổng hợp tại M sẽ là:
SVTH: Trần Hoàng Đỉnh
22
GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn
Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young
Em E1m E2m
Vì chúng có cùng phƣơng và cùng biên độ nên ta có:
(r2 r1 ) ( 2 1 )
(r r ) 2
Em 2 E0 cos 2 1 1
sin t
2
2
Nhƣ vậy dao động tổng hợp tại M có biên độ bằng:
(r r ) ( 2 )
E0 m 2 E0 cos 2 1 1
2
Nhƣ đã biết cƣờng độ sáng I tỉ lệ với bình phƣơng biên độ tức là:
(r r ) ( 2 )
I E02m 4 E02 cos 2 2 1 1
2
(1.11)
Đối với các sóng kết hợp hiệu số pha ban đầu ( 2 1 ) không đổi, do đó
cƣờng độ sáng tại những điểm M khác nhau chỉ phụ thuộc vào hiệu các khoảng
đƣờng truyền r1 và r2 của hai sóng đến điểm M. Nếu pha ban đầu 1 2 0 thì
cƣờng độ sáng tại điểm M sẽ đƣợc xác định bởi công thức:
(r r )
I 4 E02 cos 2 2 1 (1.12)
Ta ký hiệu r (r2 r1 ) là hiệu đƣờng truyền của hai sóng, biểu thức (1.12)
viết lại là:
r
I 4 E02 cos2
4E02 cos2 (1.13)
2
trong đó ta đặt
2r
(1.14)
Ta hãy xét (1.13) trong hai trƣờng hợp đặc biệt sau:
Trƣờng hợp 1: 2k hay r k với k là số nguyên. (1.15)
Cƣờng độ sáng I theo (1.13) sẽ có giá trị cực đại và bằng:
I max 4E02
(1.16)
Nhƣ vậy cƣờng độ sáng sẽ có giá trị cực đại tại những điểm M khi hiệu số
pha của hai sóng tại đó bằng một số chẵn lần , hay hiệu đƣờng truyền của chúng
bằng một số nguyên lần bƣớc sóng.
Trƣờng hợp 2: (2k 1) hay r (2k 1)
SVTH: Trần Hoàng Đỉnh
2
(1.17)
23
GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn
Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young
Thì cƣờng độ sáng I theo (1.13) sẽ có giá trị cực tiểu bằng 0, tức là:
I min 0
Vậy cƣờng độ sáng I sẽ đạt cực tiểu tại những điểm mà hiệu số pha của hai
sóng tại đó bằng một số lẻ lần , hay hiệu đƣờng truyền của chúng là một số lẻ lần
bƣớc sóng.
Các biểu thức (1.16) và (1.17) tƣơng ứng là các điều kiện về cực đại và cực
tiểu giao thoa, k là số nguyên có thể lấy các giá trị 0, 1, 2...
Rõ ràng rằng, trong trƣờng hợp 1, hai sóng giao thoa có cùng pha nên chúng
tăng cƣờng lẫn nhau, còn ở trƣờng hợp 2, chúng ngƣợc pha với nhau nên làm tắt lẫn
nhau.
Trong trƣờng hợp biên độ của các sóng thành phần khơng bằng nhau
( E01 E02 ) thì cƣờng độ tại M đƣợc biểu diễn theo cơng thức:
E02 E012 E022 2E01E02 cos
2r
( E01 E02 )2 4E01E02 cos 2
Nếu r k thì: I max ( E01 E02 )2 , cịn nếu r (2k 1)
2
r
(1.18)
thì
I min ( E01 E02 )2 .
Đồ thị trên hình 1.4 biểu diễn sự biến thiên của I theo tuân theo hàm số
(1.18)
Hình 1.4 Biểu diễn sự biến thiên của I theo
Chúng ta đã khảo sát trƣờng hợp đơn giản nhất là cả hai sóng E1 và E2 đều
truyền trong chân không (n = 1 và 0 ). Bây giờ nếu một trong hai sóng truyền
trong mơi trƣờng có chiết suất n1, cịn sóng kia truyền trong mơi trƣờng có chiết
suất n2 thì ta phải dùng khái niệm hiệu quang trình (hiệu các tích ri ni) thay cho hiệu
đƣờng truyền của hai sóng. Trong trƣờng hợp này hiệu số pha của hai sóng đƣợc
viêt dƣới dạng:
SVTH: Trần Hoàng Đỉnh
24
GVHD:Th.s Lê Văn Nhạn
2 (
r2
2
r1
1
)
Thiết Kế Thí Nghiệm Giao Thoa Ánh Sáng Với Khe Young
2
(r2 n2 r1n1 ) (1.19), trong đó (r2 n2 r1n1 ) là hiệu quang
trình.
Nếu hiệu quang trình bằng khơng tức là r2 n2 r1n1 thì = 0 vì tại đó sẽ quan
sát đƣợc cực đại giao thoa.
1.3.2 Hình dạng vân giao thoa.
Bây giờ ta tìm hiểu hình dạng của vân giao thoa. Theo hình học giải tích, quĩ
tích của những điểm trong khơng gian có hiệu số các khoảng cách tính từ chúng đến
hai điểm cố định cho trƣớc bằng một số khơng đổi là một mặt hyperboloit trịn
xoay, có hai tiêu điểm là hai điểm cố định đó.
Nhƣ vậy, quĩ tích của những điểm trong khơng gian có cùng một cƣờng độ
sáng cực đại thỏa mãn điều kiện r2 r1 k const là một họ mặt hyperboloit
, ,
1
2
3
,.... và
, ,
*
*
*
1
2
3
,.... có hai tiêu điểm S1 và S2 và nằm đối xứng
với nhau qua mặt phẳng trung trực ứng với k = 0. Cịn quĩ tích của những điểm
trong khơng gian có cùng một cƣờng độ sáng cực tiểu, thỏa mãn điều kiện
r2 r1 (2k 1) const là một họ mặt hyperboloit khác xen giữa họ mặt ứng với
2
các cực đại giao thoa (Hình 1.5).
O
Hình 1.5 Mặt hyperboloit
Hình 1.6 Đường hypecbơn
Nếu ta đặt một màn ảnh E để quan sát hiện tƣợng giao thoa, song song với
mặt phẳng (P) chứa 2 điểm S1 và S2 thì giao tuyến của các mặt hyperboloit với màn
E là những đƣờng hypecbơn (Hình1.6). Đó là những đƣờng sáng và tối xen kẽ nhau
và đƣợc gọi là những vân giao thoa: đƣờng liền nét là vân sáng, còn đƣờng đứt nét
là vân tối.
Vì khoảng cách S1 và S2 rất bé, bƣớc sóng cũng rất bé cho nên các mặt
hyperboloit rất dẹt, do đó các đƣờng hypecbơn ít cong. Mặt khác, trong thực tế ta
SVTH: Trần Hoàng Đỉnh
25
