Tài liệu Thiết kế thí nghiệm giao thoa ánh sáng với khe young

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 Kho tài liệu miễn phí của Ket-noi.com blog giáo dục, công nghệ 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 không ít khó khăn do chưa có kinh nghiệm, thời gian về tài liệu còn hạn chế. Song bên cạnh đó em nhận được nhiều sự giúp đỡ của quý thầy cô trong, ngoài bộ môn 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 môn 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 hoàn 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 ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... Kho tài liệu miễn phí của Ket-noi.com blog giáo dục, công nghệ 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 không khí……25 1.6.4.1 Vân giao thoa cho bởi một nêm không khí…………………....25 1.6.4.2 Vân tròn 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 Kho tài liệu miễn phí của Ket-noi.com blog giáo dục, công nghệ 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 công.......................................................................................................................71 SVTH: Trần Hoàng 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 hypecbôn.........................................................................................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 tròn.....................................................................22 Hình 1.17 Vòng tròn 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 không khí.............................................26 Hình 1.21a. Thí nghiệm về vân tròn Newton...........................................................27 Hình 1.21b Vân tròn Newton là những đường tròn 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 không khí.......................................................................................32 Hình 2.1 Sự bất định của tần số bức xạ.................................................................38 Hình 2.2 Phổ bức xạ..............................................................................................38 SVTH: Trần Hoàng 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 dòng 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 không phân cực............................................................57 Hình 2.12 Giản đồ năng lượng xét điều kiện nghịch đảo nồng độ trong môi 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 không có trường ngoài...................67 b. lớp tiếp xúc p – n duy biến khi có trường ngoài 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 thông 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 quá 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 trò 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 tôi 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 không còn tồn tại nữa để cho vật lý thật sự trở thành một môn học đƣợc yêu thích nhất. Do đó tôi 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 Hoàng 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 không. 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 vuông 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 môi 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 môi 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 môi trƣờng có chiết suất là n1 và n 2 dƣới góc tới i1 . Mặt đầu sóng trong môi 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 không đến mặt phân cách giữa hai môi 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 Hoàng 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 không 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 thông 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 không 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 không có một nguồn sáng thông thƣờng nào có thể phát ra sóng ánh sáng hoàn toàn đơn sắc, nghĩa là sóng có biên độ và pha luôn luôn không 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 đoàn sóng. Độ dài của đoàn sóng đƣợc xác định bởi thời gian phát xạ  của nguyên tử. Biên độ và pha của các đoàn sóng do một nguyên 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 không có liên hệ gì với nhau, nghĩa là các pha ban đầu 1 và  2 luôn luôn 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 không 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