Bài 3
KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG PHÂN CỰC ÁNH SÁNG
NGHIỆM ĐỊNH LUẬT MALUS
DỤNG CỤ:
1. Nguồn phát tia laser bán dẫn;
2. Thước tr!n đo góc 0-3600, độ chính xác 10
3. Kính phân cực g0n 1 gi2a thước tr!n.
4. 4ng che sáng + cảm biến quang đi:n photodiode
5. H: thống giá đỡ thí nghi:m.
6. Bộ khuếch đại và chỉ thị cường độ sáng
7. Sensor Cassy.
8. Máy tính cài chương trình Cassy Lab
I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Theo thuyết đi:n từ của Maxwell, ánh sáng là sóng điện từ tức là loại sóng ngang, trong
đó vectơ cường độ đi:n trường hay c!n gọi là vectơ sáng luôn dao động theo phương
vuông góc với phương truyền sáng (tia sáng).
Ánh sáng tự nhiên là tập hợp vô số các sóng do nh2ng nguyên tử riêng bi:t trong nguồn
sáng phát ra, nên vectơ sáng của mỗi sóng có phương dao động rất khác nhau và mang tính
ngẫu nhiên. Vì vậy ta định nghĩa, ánh sáng trong đó vectơ sáng dao động đều đặn theo mọi
phương vuông góc với tia sáng được gọi là ánh sáng tự nhiên. Ánh sáng trong đó vectơ sáng
dao động theo mọi phương vuông góc với tia sáng nhưng các phương dao động mạnh yếu khác
nhau được gọi là ánh sáng phân cực mt phần.
Ánh sáng có vectơ sáng chỉ dao động theo một phương xác định vuông góc với tia
sáng gọi là ánh sáng phân cực toàn phần (hay c!n gọi là ánh sáng phân cực thẳng). Mặt phẳng
chứa tia sáng và phương dao động của vectơ sáng gọi là mặt phẳng dao đng. 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 thẳng bằng cách cho ánh sáng tự nhiên truyền qua các
k nh phân cực. Thực nghi:m chứng tỏ ánh sáng tự nhiên sau khi truyền qua kính phân cực, sẽ tr1
thành ánh sáng phân cực thẳng, có vectơ sáng dao động theo 1 phương song song với quang
trục của kính phân cực. Nếu ánh sáng truyền tới kính phân cực là ánh sáng phân cực thẳng có
vectơ sáng trong tia tới nghiêng một góc so với quang trục của kính này, thì chỉ có
thành phần song song với quang trục mới truyền được qua kính, c!n thành phần vuông
góc với quang trục sẽ bị hấp thụ. Vẽ hình ta sẽ thấy: E1 = cos
Vì cường độ sáng tỷ l: thuận với bình phương biên độ vectơ sáng, nên nếu E0 là biên độ
dao động sáng thì I0 là cường độ sáng của ánh sáng phân cực thẳng truyền tới kính phân
cực, c!n biên độ của thành phần vectơ sáng E1 truyền qua kính phân cực sẽ là và
cường độ sáng I1 1 phía sau kính phân cực là:
=> I1 = I0 cos2
(1)
Đây là công thức của định luật Malus về phân cực ánh sáng. Rõ ràng, khi
=0 thì cos
=1,
cường độ sáng sau kính phân cực đạt cực đại I1max= I0 ; c!n khi
= 900 thì cos
= 0, cường độ
sáng sau kính phân cực sẽ cực tiểu I1min= 0.
1
II. TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM
1. Quan sát bộ thiết bị thí nghi:m: gồm một diode laser DL (3,8V - 5 mW) phát ra chùm
tia laser màu đỏ chiếu vuông góc vào tâm của mặt kính phân cực. Một thước tr!n T (được chia độ
từ 0 3600) g0n chặt với kính phân cực dùng đo góc
gi2a phương của vectơ sáng truyền tới
kính phân cực và quang trục của kính này. Để khảo sát sự thay đổi cường độ của ánh sáng
phân cực sau khi truyền qua kính phân cực, ta dùng một cảm biến quang đi:n QĐ đặt 1 bên trong
một ống che sáng. Tín hi:u laser truyền qua kính phân cực tới rọi vào cảm biến quang đi:n QĐ
được đưa vào bộ khuếch đại và chỉ thị cường độ sáng KĐ nhờ một chốt c0m C. Toàn bộ thiết bị
thí nghi:m đặt trên cùng một giá quang học G.
2. Khởi động chương trình máy tính:
Trong thanh “Start” chọn “Program” và chọn “Cassy Lab”, nhấp đúp chuột vào UA1,
chọn 0 -10V
Cửa sổ “input setting” chọn “Averagd Valuse”, “left”.
Cửa sổ Measing parametes chọn “Manual”.
Cài đặt các trục tọa độ, 1 đây trục hoành biểu thị cos x, trục tung biểu thị cường độ sáng I.
Muốn cài đặt trục tọa độ thì trong cửa sổ “setting” chọn “parameter Formula FFT”
* Khai báo cường độ sáng I:
Chọn “new quantity”
Trong hộp “select quantity” điền vào tên đại lượng mới “I”
Chọn “formula” điền công thức chỉ mối liên h: đại lượng mới với các đại lượng cũ:
UA1/0.45*150
Điền trong “symbol”: I Unit: Cd From: 0 To: 150
*Khai báo cosx
Chọn “new quantity”
Trong hộp “select quantity” điền vào tên đại lượng mới “cosx”
Chọn “formula” điền công thức chỉ mối liên h: đại lượng mới với các đại lượng cũ:
cos((n-1)*5)
Điền trong “symbol”: cosx Unit: From: 0 To: 1.5
*Chọn hiển thị đồ thị I – cosx
Trong “setting” chọn ‘display”
Chọn “new display”
Trong hộp “select display” ghi tên đồ thị I – cosx
2
Trong X – Axis chọn cosx và Y – Axis chọn I
3. C0m phích lấy đi:n của bộ nguồn nuôi diode laser DL vào nguồn đi:n xoay chiều
~220V. Bật công t0c K của diode laser DL, ta sẽ nhận được 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 kính phân cực
và chiếu vào ống che sáng của cảm biến quang đi:n QĐ. Khi đó gi2 nguyên độ cao của cảm biến
quang đi:n QĐ và để cho chùm tia laser rọi thẳng vào cảm biến quang đi:n QĐ.
4. C0m phích lấy đi:n của bộ khuếch đại và chỉ thị cường độ sáng KĐ vào nguồn đi:n ~
220V. Chọn thang đo 1,5mV. Bấm khóa đóng đi:n K trên mặt của bộ khuếch đại KĐ: đèn tín
hi:u LED phát sáng. Chờ khoảng 5 phút để bộ khuếch đại KĐ ổn định, thực hi:n vi:c điều chỉnh
vị trí số 0 của milivonkế đi:n tử. Nếu kim của đi:n kế không chỉ đúng số 0 thì che nguồn sáng và
vặn từ từ núm "qui 0" để cho kim chỉ thị của nó quay tr1 về đúng số 0. Chú ý: Sau khi điều chỉnh
xong, phải gi2 nguyên vị trí này của núm "qui 0" trong suốt thời gian làm thí nghi:m.
5. Quay thước tr!n chia độ T cho tới khi kim của đi:n kế đạt độ l:ch lớn nhất (nếu kim bị l:ch
quá thang đo thì phải chuyển thang đo 15mV). Vặn núm biến tr1 R của bộ khuếch đại để điều
chỉnh giá trị lớn nhất tùy ý 1 phần cuối thang đo, đó chính là giá trị ứng với góc = 0 trong bảng
1, sau đó bấm F9 và bẳt đầu đo.
Chú ý: Cần kiểm tra chính xác vị trí mà tại đó cường độ sáng I đạt max bằng cách 1 lân
cận hai phía của vị trí này (trong giới hạn 50) chỉ thay đổi mỗi lần 10 đối với góc quay
và đọc
giá trị cường độ sáng I tương ứng (m1 cửa sổ I trên màn hình máy tính). Từ đó có thể xác định
chính xác vị trí I đạt max.
6. Tiếp tục quay thước tr!n chia độ T để tăng góc
(mỗi lần tăng 50) từ giá trị ban đầu ứng
với góc = 0 đến giá trị = 900, với mỗi lần dịch chuyển thước đo 5 độ,bấm F9, sensos Cassy sẽ
đọc và ghi các giá trị tương ứng của góc
và cường độ sáng I (tỷ l: với giá trị trên milivônkế)
trong mỗi lần đo vào bảng 1 trên máy tính. Dựa vào nh2ng giá trị đo được của cường độ sáng I1
và của góc quay
tương ứng trong bảng 1, phần mềm Cassy Lab tự động vẽ đồ thị biểu diễn
hàm số:
I = f ( X ) với X = cos
hoặc X = cos2
(2)
Để máy tính vẽ đồ thị cường độ sáng tỷ l: với cos2
thì chọn trục X – Axis là x2, máy
tính sẽ vẽ đồ thị cường độ sáng tỷ l: với cos2
.
III. CÂU HỎI KIỂM TRA
1. Định nghĩa ánh sáng tự nhiên, ánh sáng phân cực một phần, phân cực toàn phần. Hi:n tượng
phân cực thể hi:n ánh sáng là sóng ngang hay sóng dọc? Tại sao?
2. Kính phân cực cho ánh sáng gì? Viết biểu thức của định luật Malus và giải thích các đại lượng
trong biểu thức 1 thí nghi:m này. Hãy dùng vecto sóng sáng E để dẫn đến biểu thức định luật
Malus.
3. Nguyên lý đo cường độ sáng trong bài thí nghi:m? Từ đồ thị thí nghi:m rút ra điều gì về ánh
sáng laser? Tại sao?
3
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM
KHẢO SÁT SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG - NGHIỆM ĐỊNH LUẬT MALUS
Xác nhận của giáo viên
Trường ........................................
Lớp ...................Tổ .....................
Họ tên .........................................
I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM
.............................................................................................................................................................
II. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
Vẽ đồ thị I = f ( X ) với X = cos
hoặc X = cos2
, từ đó rút ra định luật Malus.
4