Đo bước sóng ánh sáng bằng phương pháp giao thoa

1. Chuẩn bị thực hành và tiến hành thí nghiệm:

1.1. Dụng cụ thí nghiệm:

Chuẩn bị các dụng cụ gồm: 

– Nguồn phát tia laze (1 – 5 mW).

– Khe Y – âng: một màn chắn có hai khe hẹp song song, độ rộng mỗi khe bằng 0,1 mm; khoảng cách giữa hai khe cho biết trước.

– Thước cuộn 3000 mm

– Thước kẹp có độ chia nhỏ nhất 0,02 hoặc 0,05 mm.

– Giá thí nghiệm

– Một tờ giấy trắng.

1.2. Lý thuyết:

– Tia laze là một chùm tia sáng song song, đơn sắc cao, có bước sóng nằm trong khoảng 0,630 − 0,690μm.

– Khi chiếu chùm laze vuông góc với màn chắn P có hai khe hẹp song song thì hai khe hẹp này sẽ trở thành hai nguồn kết hợp phát sóng ánh sáng về phía trước. Cách P một khoảng D ta đặt một màn quan sát E song song với P. Trên E ta quan sát được hệ vân giao thoa (các vân sáng xen kẽ các vân tối). 

– Khi làm thí nghiệm cần chú ý:

+ Điều kiện để chùm laze chiếu thẳng góc với màn chắn và với màn quan sát, làm xuất hiện hệ thống vân rõ nét trên màn hình

+ Đo khoảng cách từ khe Y– âng đến màn quan sát.

+ Đánh dấu được vị trí các vân trên tờ giấy đặt trên màn quan sát, rồi lấy giấy ra đo khoảng vân bằng thước kẹp.

+ Tính được bước sóng laze, tính sai số, viết đúng kết quả.

1.3. Tiến hành thí nghiệm:

a. Bộ dụng cụ khảo sát giao thoa qua khe Y-âng dùng tia laze (Hình 29.2a)

– Để nghiên cứu ảnh hưởng của khoảng cách a, trên P có ba hệ khe Y – âng có khoảng cách a khác nhau 0,2; 0,3; 0,4 mm.

– Đặt màn E song song với P và cách P một khoảng D = 1,5 – 2 m.

– Dùng thước cặp đo độ lớn khoảng vân i, dùng thước milimet do khoảng cách D

b. Tìm vân giao thoa

– Cắm phích điện của bộ nguồn phát laze S vào ổ điện xoay chiều 220 V, bật công tắc K.

– Điều chỉnh vị trí màn chắn P sao cho chùm tia laze chiếu thẳng góc đúng vào hệ khe Y-âng đã chọn.

– Màn E đặt cách P khoảng 1,5m đến 2m

– Điều chỉnh, dịch chuyển giá đỡ G để chùm tia laze chiếu đúng vào màn E và vuông góc với màn

– Quan sát hệ vân giao thoa xuất hiện trên màn.

c. Xác định bước sóng của chùm tia laze

– Dùng thước đo milimet đo 5 lần khoảng cách D từ màn chắn P đến màn quan sát E, ghi kết quả vào bảng 1.

– Đánh dấu vị trí các vân sáng trên màn E phân bố trên n khoảng vân (n tuy chọn từ 2 đến 6)

– Dùng thước cặp đo 5 lần khoảng cách L giữa 2 vân sáng đã được đánh dấu ở ngoài cùng, ghi vào bảng 1.

Khoảng vân i: i = L/n   (mm)

Bước sóng của chùm tia laze được tính bằng công thức: λ = ia/D

– Kết thúc thí nghiệm: tắt công tắc, rút phích điện, vệ sinh chỗ thí nghiệm.

2. Viết báo cáo thực hành:

2.1. Mục đích thực hành:

1. Quan sát hệ giao thoa tạo bởi khe Y – âng, sử dụng chùm sáng laze.

2. Quan sát hệ vân, phân biệt được các vân sáng, vân tối, vân sáng chính giữa của hệ vân.

3. Ứng dụng hiện tượng giao thoa để đo bước sóng ánh sáng.

2.2. Tóm tắt lý thuyết:

1. Hiện tượng giao thoa ánh sáng là gì ?

Hiện tượng trong vùng hai chùm sáng gặp nhau lại có những vạch tối chứng tỏ tại đó ánh sáng triệt tiêu nhau, những vạch sáng là những chỗ ánh sáng từ hai nguồn tăng cường lẫn nhau => hai nguồn sáng phát sinh hiện tượng giao thoa hay nói cách khác ánh sáng có tính chất sóng.

2. Điều kiện giao thoa của hai sóng ánh sáng là gì ?

Hai nguồn phải phát ra hai sóng ánh sáng có cùng bước sóng.

Hiệu số pha dao động của hai nguồn phải không đổi theo thời gian.

3. Công thức tính khoảng vân và công thức xác định bước sóng ánh sáng trong trường hợp giao thoa của hai sóng ánh sáng đơn sắc tạo bởi khe Y_âng là như thế nào ?

Công thức tính khoảng vân: i = ia/D

Công thức xác định bước sóng: λ = ia/D 

2.3. Kết quả thí nghiệm:

Xác định bước sóng của chùm tia laze

Bảng 1

– Khoảng cách giữa hai khe hở hẹp F1, F2:  a = 0,15 ± 0,01 (mm)

– Độ chính xác của thước milimét: Δ = 0,01(mm)

Độ chính xác của thước cặp: Δ′ = 0,01 (mm)

– Số khoảng vân sáng đánh dấu: n = 5.

Lần đo	D	^D	L (mm)	^L (mm)
1	0,4	0,010	9,12	0,002
2	0,43	0,012	9,21	0,088
3	0,42	0,008	9,2	0,078
4	0,41	0,008	9,01	0,112
5	0,43	0,012	9,07	0,052
Trung bình	0,418	0,010	9,122	0,664

a) Tính giá trị trung bình của bước sóng: 0,6546

b) Tính sai số tỉ đối của bước sóng : 0,0979

Trong  đó:

ΔL = Δ¯L¯+Δ′ là sai số tuyệt đối của phép đo độ rộng của n khoảng vân, dùng thước cặp.

 ΔD = Δ¯D¯ + Δ là sai số tuyệt đối của phép đo khoảng cách giữa màn chắn P và màn quan  sát E, dùng thước milimét.

c) Tính sai số tuyệt đối trung bình của bước sóng  λ: 0,064

d) Viết kết quả đo của bước sóng λ:

λ = 0,66 ± 0,06 μm

3. Ý nghĩa của việc thực hành đo bước sóng ánh sáng bằng phương pháp giao thoa:

Việc đo bước sóng ánh sáng thông qua phương pháp giao thoa là một công cụ quan trọng trong việc nghiên cứu và hiểu sâu hơn về tính chất của ánh sáng. Khi ánh sáng đi qua các khe hẹp, nó trải qua hiện tượng giao thoa, mô phỏng sự tương tác phức tạp giữa các bức xạ ánh sáng. Các dải sáng và bóng tối tạo thành một mô hình giao thoa, cung cấp thông tin quan trọng về cấu trúc sóng và các đặc điểm của ánh sáng.

Thông qua việc đo và phân tích mô hình giao thoa này, nhà nghiên cứu có thể xác định bước sóng của ánh sáng. Bằng cách đo khoảng cách giữa các dải sáng hoặc bóng tối trên màn chụp, họ có thể tính toán bước sóng của ánh sáng đã đi qua các khe. Điều này mang lại thông tin quan trọng về tính chất của ánh sáng, từ đó có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau:

– Vật lý: Áp dụng trong việc nghiên cứu và hiểu rõ hơn về tính chất sóng của ánh sáng. Những thông tin thu được từ giao thoa có thể tạo ra những sự hiểu biết sâu sắc về cơ chế và tính chất của sóng ánh sáng trong vật lý.

– Công nghệ thông tin: Giao thoa ánh sáng cung cấp nền tảng cho việc phát triển các công nghệ quang học và viễn thông quang học, giúp tạo ra các thiết bị và công nghệ mới, từ cảm biến ánh sáng đến các thiết bị điện tử tiên tiến.

– Quang học: Là công cụ quan trọng trong việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực quang học, từ các thiết bị quang học đến các ứng dụng trong y học và công nghệ thông tin.

Nghiên cứu cơ bản về ánh sáng: Cung cấp cơ sở để hiểu rõ hơn về tính chất cơ bản của ánh sáng, giúp mở ra cánh cửa cho những phát hiện mới và nghiên cứu sâu hơn về nguyên lý hoạt động của ánh sáng.

Phương pháp này không chỉ là một công cụ đo lường, mà còn là một cách tiếp cận quan trọng giúp chúng ta hiểu và khám phá những khía cạnh đa dạng của ánh sáng, từ các lý thuyết cơ bản cho đến các ứng dụng thực tế trong cuộc sống hàng ngày và các lĩnh vực công nghiệp.     

4. Bài tập thực hành:

Bài 1 (trang 151 SGK Vật Lý 12): Vì sao phải điều chỉnh màn chắn P và giá đỡ G để chùm tia laze chiếu vuông góc với màn chắn P và màn quan sát E?

Lời giải:

Ta phải điều chỉnh màn chắn P và giá đỡ G để chùm tia laze chiếu vuông góc với màn chiếu P và màn quan sát E để tạo ra hệ vân đối xứng, các khoảng vân i bằng nhau.

Bài 2 (trang 151 SGK Vật Lý 12): Cho chùm sáng laze có bước sóng λ = 0,65μm. Khoảng cách từ màn chắn P đến màn quan sát E bằng 2m. Để tạo ra hệ vân giao thoa có khoảng vân i = 1,3mm thì khoảng cách a giữa hai khe hẹp phải chọn bằng bao nhiêu?

Gợi ý: Có khoảng vân ta suy ra, khoảng cách giữa hai khe

Bài 3 (trang 151 SGK Vật Lý 12): Vì sao khi đo khoảng vân i bằng thước cặp, ta lại phải đo khoảng cách giữa n vân mà không đo khoảng cách giữa hai vân kề nhau?

Lời giải:

Khi đo khoảng vân i bằng thước cặp, ta phải đo khoảng cách giữa n vân mà không đo khoảng cách giữa 2 vân kề nhau vì khoảng vân i rất nhỏ, ta đo khoảng cách giữa n vân sau đó tìm i thì sẽ tránh bớt sai số của dụng cụ đo.

Bài 4 (trang 151 SGK Vật Lý 12): Hệ vân giao thoa sẽ thay đổi thế nào, nếu:

a) Thay nguồn sáng laze màu đỏ bằng nguồn sáng laze màu xanh?

b) S là một nguồn sáng trắng?

Lời giải:

a) Khi thay nguồn sáng laze màu đỏ bằng nguồn sáng laze màu xanh thì bước sóng giảm, nên khoảng vân giảm còn vị trí vân sáng chính giữa không đổi. Trên màn ta vẫn thu được hệ vân gồm các vân sáng xanh và tối xen kẽ nhau đều đặn.

b) Nếu S là nguồn sáng trắng thì ta thu được hệ vân gồm ở chính giữa là vân màu trắng, hai bên là những dãy màu như màu cầu vồng, màu đỏ ở ngoài, màu tím gần vân trắng trung tâm.

 

THAM KHẢO THÊM:

• toa-an-nhan-dan-huyen-tan-chau.png.png