Bko- Dinh Luat Malus

VLKT-

ViÖn VËt lý Kü thuËt- §HBK Hµ néi ThÝ nghiÖm vËt lý BKO-080

kh¶o s¸t sù ph©n cùc ¸nh s¸ng dïng tia laser . NghiÖm ®Þnh luËt malus ( Maluýt ) quang trôc Q sÏ bÞ c¶n l¹i (H×nh 2). DÔ dµng nhËn thÊy : E1 = E . cos α . V× c−êng ®é s¸ng tû lÖ thuËn víi b×nh ph−¬ng biªn ®é vect¬ sãng s¸ng, nªn nÕu E0 lµ biªn ®é

Dông cô : 1. Nguån ph¸t tia laser b¸n dÉn. 2. B¶n kÝnh ph©n cùc ; 3. Th−íc ®o gãc 0 - 3600 , chÝnh x¸c 10 4. C¶m biÕn photodiode silicon + èng che s¸ng ; 5. Bé khuÕch ®¹i vµ chØ thÞ c−êng ®é s¸ng 6. Gi¸ quang häc .

cña vect¬ sãng s¸ng E vµ I0

= (E 0 ) lµ c−êng 2

®é s¸ng cña ¸nh s¸ng ph©n cùc ph¼ng truyÒn tíi b¶n ph©n cùc, th× biªn ®é cña thµnh phÇn vect¬ sãng s¸ng E1 truyÒn qua b¶n ph©n cùc sÏ lµ

E 01 = E 0 . cos α vµ c−êng ®é s¸ng I1 ë phÝa

I. C¬ së lý thuyÕt

sau b¶n ph©n cùc b»ng :

1. Sù ph©n cùc ¸nh s¸ng : Theo thuyÕt ®iÖn tõ cña Maxwell, ¸nh s¸ng lµ sãng ®iÖn tõ tøc lµ lo¹i sãng ngang, trong ®ã vect¬ ®iÖn tr−êng E hay cßn gäi lµ vect¬ sãng s¸ng lu«n dao ®éng theo ph−¬ng vu«ng gãc víi ph−¬ng truyÒn v cña sãng s¸ng (tia s¸ng).

I1 = hay

(E 01 ) 2 = (E 0 .cos α ) 2

I1 = I0 . cos2 α

(1)

§©y lµ c«ng thøc cña ®Þnh luËt Malus vÒ ph©n cùc ¸nh s¸ng. Râ rµng, khi α = 0 th× cos α = 1 : c−êng ®é s¸ng sau b¶n kÝnh ph©n cùc ®¹t cùc

Nh− ®· biÕt, ¸nh s¸ng tù nhiªn lµ tËp hîp v« sè c¸c ®oµn sãng do nh÷ng nguyªn tö riªng biÖt trong nguån s¸ng ph¸t ra, nªn vect¬ sãng s¸ng E cña mçi ®oµn sãng cã ph−¬ng dao ®éng rÊt kh¸c nhau vµ mang tÝnh ngÉu nhiªn. V× vËy theo ®Þnh nghÜa, ¸nh s¸ng trong ®ã vect¬ sãng s¸ng E dao ®éng ®Òu ®Æn (víi cïng x¸c suÊt) theo mäi ph−¬ng vu«ng gãc víi tia s¸ng ®−îc gäi lµ ¸nh s¸ng tù nhiªn (H×nh 1). NÕu ¸nh s¸ng cã vect¬ sãng s¸ng E chØ dao ®éng theo mét ph−¬ng x¸c ®Þnh vu«ng gãc víi tia s¸ng gäi lµ ¸nh s¸ng ph©n cùc ph¼ng (hoÆc th¼ng). MÆt ph¼ng chøa tia s¸ng vµ ph−¬ng dao ®éng cña vect¬ sãng s¸ng E gäi lµ mÆt ph¼ng dao ®éng. MÆt ph¼ng chøa tia s¸ng vµ vu«ng gãc víi mÆt ph¼ng dao ®éng gäi lµ mÆt ph¼ng ph©n cùc .

®¹i I1max= I0 ; cßn khi

α=

900 th× cos α = 0 :

c−êng ®é s¸ng sau b¶n kÝnh ph©n cùc sÏ cùc tiÓu I1min= 0 . Trong thÝ nghiÖm nµy, ta sÏ kh¶o s¸t sù ph©n cùc ¸nh s¸ng cña chïm tia laser ®Ó x¸c ®Þnh mÆt ph¼ng ph©n cùc cña chïm tia laser vµ nghiÖm l¹i ®Þnh luËt Malus vÒ ph©n cùc ¸nh s¸ng.

II. Tr×nh tù thÝ nghiÖm 1. Quan s¸t bé thiÕt bÞ thÝ nghiÖm gåm mét diode laser DL (3,8V - 5 mW) ph¸t ra chïm tia laser mµu ®á chiÕu vu«ng gãc vµo t©m cña mÆt b¶n ph©n cùc P. Mét th−íc trßn T (®−îc chia ®é tõ 0 ÷ 3600) g¾n chÆt víi b¶n ph©n cùc P dïng ®o gãc quay α gi÷a ph−¬ng cña vect¬ sãng s¸ng E truyÒn tíi b¶n ph©n cùc P vµ quang trôc Q cña b¶n nµy. §Ó kh¶o s¸t sù thay ®æi c−êng ®é cña ¸nh s¸ng ph©n cùc sau khi truyÒn qua b¶n ph©n cùc P, ta dïng mét c¶m biÕn quang ®iÖn silicon Q§ ®Æt ë bªn trong mét èng che s¸ng. TÝn hiÖu laser truyÒn qua b¶n kÝnh ph©n cùc tíi räi vµo c¶m biÕn quang ®iÖn silicon Q§ ®−îc ®−a vµo bé khuÕch ®¹i vµ chØ thÞ c−êng ®é s¸ng K§ nhê mét chèt c¾m C. Toµn bé thiÕt bÞ thÝ nghiÖm ®Æt trªn cïng mét gi¸ quang häc G (H×nh 5) 2. C¾m phÝch lÊy ®iÖn cña khuÕch ®¹i vµ chØ thÞ c−êng ®é s¸ng K§ vµo nguån ®iÖn ~ 220V. VÆn nóm chän thang ®o N cña micr«ampekÕ ®iÖn-tö µA

Cã thÓ t¹o ra ¸nh s¸ng ph©n cùc ph¼ng b»ng c¸ch cho ¸nh s¸ng tù nhiªn truyÒn qua c¸c b¶n ph©n cùc (p«lar«it hoÆc hªrapatit). Thùc nghiÖm chøng tá ¸nh s¸ng tù nhiªn, sau khi truyÒn qua b¶n ph©n cùc, sÏ trë thµnh ¸nh s¸ng ph©n cùc ph¼ng cã vect¬ sãng s¸ng E dao ®éng theo mét ph−¬ng hoµn toµn x¸c ®Þnh gäi lµ quang trôc Q cña b¶n ph©n cùc. Gi¶ sö nÕu ¸nh s¸ng truyÒn tíi b¶n ph©n cùc lµ ¸nh s¸ng ph©n cùc ph¼ng cã vect¬ sãng s¸ng E nghiªng mét gãc α so víi quang trôc Q cña b¶n nµy, th× chØ cã thµnh phÇn E1 song song víi quang trôc Q míi truyÒn ®−îc qua b¶n, cßn thµnh phÇn E2 vu«ng gãc víi

1

tíi vÞ trÝ 100 vµ vÆn nóm biÕn trë R (ng−îc chiÒu kim ®ång hå) vÒ vÞ trÝ tËn cïng bªn ph¶i øng víi ®é nh¹y nhá nhÊt. BÊm khãa ®ãng ®iÖn K trªn mÆt cña bé khuÕch ®¹i K§ : ®Ìn tÝn hiÖu LED ph¸t s¸ng . Níi láng vÝt h·m V vµ quay èng ch¾n s¸ng cña c¶m biÕn quang ®iÖn Q§ ®Ó trôc cña nã ®i qua t©m cña b¶n ph©n cùc P. Chê kho¶ng 5 phót ®Ó bé khuÕch ®¹i K§ æn ®Þnh, thùc hiÖn viÖc ®iÒu chØnh vÞ trÝ sè 0 cña micr«ampekÕ ®iÖntö µA . NÕu kim cña micr«ampekÕ µA kh«ng chØ

èng ch¾n s¸ng cña c¶m biÕn quang ®iÖn Q§ ®Ó trôc cña nã ®i qua t©m cña b¶n ph©n cùc P. Chê kho¶ng 5 phót ®Ó bé khuÕch ®¹i K§ æn ®Þnh, thùc hiÖn viÖc ®iÒu chØnh vÞ trÝ sè 0 cña micr«ampekÕ ®iÖn-tö µA . NÕu kim cña micr«ampekÕ µA kh«ng chØ ®óng sè 0 th× ph¶i vÆn tõ tõ nóm "qui 0" ®Ó cho kim chØ thÞ cña nã quay trë vÒ ®óng sè 0. Chó ý : Sau khi ®iÒu chØnh xong, ph¶i gi÷ nguyªn vÞ trÝ nµy cña nóm "qui 0" trong suèt thêi gian lµm thÝ nghiÖm. 3. C¾m phÝch lÊy ®iÖn cña bé nguån nu«i diode laser DL vµo nguån ®iÖn xoay chiÒu ~220V. BËt c«ngt¾c K1 cña diode laser DL, ta sÏ nhËn ®−îc chïm tia s¸ng laser mµu ®á. §iÒu chØnh ®Ó chïm tia s¸ng laser ph¸t ra tõ cöa sæ cña diode laser DL ®i qua t©m cña b¶n ph©n cùc P vµ chiÕu vµo t©m cña vÝt V. Khi ®ã gi÷ nguyªn ®é cao cña c¶m biÕn quang ®iÖn Q§ vµ quay nã ®Ó cho chïm tia laser räi th¼ng vµo c¶m biÕn quang ®iÖn Q§ 4. Quay th−íc trßn chia ®é T cho tíi khi kim cña micr«ampekÕ µA ®¹t ®é lÖch lín nhÊt. Sau ®ã, vÆn

®óng sè 0 th× ph¶i vÆn tõ tõ nóm "qui 0" ®Ó cho kim chØ thÞ cña nã quay trë vÒ ®óng sè 0. Chó ý : Sau khi ®iÒu chØnh xong, ph¶i gi÷ nguyªn vÞ trÝ nµy cña nóm "qui 0" trong suèt thêi gian lµm thÝ nghiÖm. 3. C¾m phÝch lÊy ®iÖn cña bé nguån nu«i diode laser DL vµo nguån ®iÖn xoay chiÒu ~220V. BËt c«ngt¾c K1 cña diode laser DL, ta sÏ nhËn ®−îc chïm tia s¸ng laser mµu ®á. §iÒu chØnh ®Ó chïm tia s¸ng laser ph¸t ra tõ cöa sæ cña diode laser DL ®i qua t©m cña b¶n ph©n cùc P vµ chiÕu vµo t©m cña vÝt V. Khi ®ã gi÷ nguyªn ®é cao cña c¶m biÕn quang ®iÖn Q§ vµ quay nã ®Ó cho chïm tia laser räi th¼ng vµo c¶m biÕn quang ®iÖn Q§ 4. Quay th−íc trßn chia ®é T cho tíi khi kim cña micr«ampekÕ µA ®¹t ®é lÖch lín nhÊt. Sau ®ã, vÆn

tõ tõ nóm biÕn trë R (ng−îc chiÒu kim ®ång hå) ®Ó kim cña micr«ampekÕ µA dÞch chuyÓn tíi vÞ trÝ cña v¹ch 100 trªn mÆt thang ®o cña micr«ampekÕ µA . §äc vµ ghi gi¸ trÞ gãc quay ban ®Çu

tõ tõ nóm biÕn trë R (ng−îc chiÒu kim ®ång hå) ®Ó kim cña micr«ampekÕ µA dÞch chuyÓn tíi vÞ

α0

α0

(trªn th−íc trßn chia ®é T) cña b¶n

I1

I1

α

vµ cña c−êng ®é s¸ng

µA ) trong mçi lÇn ®o vµo b¶ng 1 .

6. §äc vµ ghi c¸c sè liÖu sau ®©y vµo b¶ng 1 :

vµ cña c−êng ®é s¸ng

- §é chia nhá nhÊt cña th−íc trßn chia ®é T . - §é chia nhá nhÊt trªn thang ®o 100 cña micr«ampekÕ ®iÖn-tö µA .

(tû lÖ víi c−êng ®é dßng ®iÖn trªn

micr«ampekÕ

α

(tû lÖ víi c−êng ®é dßng ®iÖn trªn

micr«ampekÕ

®Õn gi¸ trÞ α = + 3600 . §äc vµ ghi c¸c gi¸ trÞ

t−¬ng øng cña gãc quay

®Õn gi¸ trÞ α = + 3600 . §äc vµ ghi c¸c gi¸ trÞ

t−¬ng øng cña gãc quay

ph©n cùc P vµo b¶ng 1 . 5. TiÕp tôc quay th−íc trßn chia ®é T ®Ó t¨ng gãc quay α (mçi lÇn t¨ng 50) tõ gi¸ trÞ ban ®Çu

α0

(trªn th−íc trßn chia ®é T) cña b¶n

ph©n cùc P vµo b¶ng 1 . 5. TiÕp tôc quay th−íc trßn chia ®é T ®Ó t¨ng gãc quay α (mçi lÇn t¨ng 50) tõ gi¸ trÞ ban ®Çu

trÝ cña v¹ch 100 trªn mÆt thang ®o cña micr«ampekÕ µA . §äc vµ ghi gi¸ trÞ gãc quay ban ®Çu

α0

µA ) trong mçi lÇn ®o vµo b¶ng 1 .

6. §äc vµ ghi c¸c sè liÖu sau ®©y vµo b¶ng 1 :

7. Dùa vµo nh÷ng gi¸ trÞ ®o ®−îc cña c−êng ®é

- §é chia nhá nhÊt cña th−íc trßn chia

s¸ng I1 vµ cña gãc quay

®é T . 2. C¾m phÝch lÊy ®iÖn cña khuÕch ®¹i vµ chØ thÞ c−êng ®é s¸ng K§ vµo nguån ®iÖn ~ 220V. VÆn nóm chän thang ®o N cña micr«ampekÕ ®iÖn-tö µA tíi vÞ trÝ 100 vµ vÆn nóm biÕn trë R

α

t−¬ng øng trong

b¶ng 1, vÏ ®å thÞ biÓu diÔn hµm sè : I1 = f ( X ) víi X = cos2 α

(3)

Chó ý : CÇn kiÓm tra chÝnh x¸c c¸c vÞ trÝ t¹i ®ã c−êng ®é s¸ng ®¹t cùc ®¹i hoÆc cùc tiÓu b»ng c¸ch ë l©n cËn hai phÝa cña mçi vÞ trÝ nµy (trong giíi h¹n ± 50) chØ thay ®æi mçi lÇn 10 ®èi víi gãc quay

(ng−îc chiÒu kim ®ång hå) vÒ vÞ trÝ tËn cïng bªn ph¶i øng víi ®é nh¹y nhá nhÊt. BÊm khãa ®ãng ®iÖn K trªn mÆt cña bé khuÕch ®¹i K§ : ®Ìn tÝn hiÖu LED ph¸t s¸ng . Níi láng vÝt h·m V vµ quay

α

2

vµ ®äc gi¸ trÞ c−êng ®é s¸ng I1 t−¬ng øng .Tõ

®ã cã thÓ x¸c ®Þnh chÝnh x¸c vÞ trÝ mÆt ph¼ng

ph©n cùc cña chïm tia laser .

µA K1

P

T

Q§ V

DL

R "0" 1 10 100 K N C +

G

−

K§ H×nh 5 4. Gi¶i thÝch t¹i sao khi chïm tia laser truyÒn

III. C©u hái kiÓm tra

qua b¶n ph©n cùc P , th× c−êng ®é s¸ng I ë phÝa sau b¶n ph©n cùc P l¹i thay ®æi phô thuéc vµo gãc α gi÷a vect¬ sãng s¸ng E truyÒn tíi b¶n ph©n cùc P vµ quang trôc Q cña b¶n ®ã . 5. Ph¸t biÓu vµ viÕt biÓu thøc cña ®Þnh luËt Malus vÒ ph©n cùc ¸nh s¸ng . 6. M« t¶ bé thiÕt bÞ thÝ nghiÖm vµ ph−¬ng ph¸p kh¶o s¸t sù ph©n cùc ¸nh s¸ng ®Ó nghiÖm l¹i ®Þnh luËt Malus vÒ ph©n cùc ¸nh s¸ng vµ x¸c ®Þnh mÆt ph¼ng ph©n cùc cña chïm tia laser .

1. Nªu râ thuyÕt ®iÖn tõ cña Maxwell vÒ b¶n chÊt cña ¸nh s¸ng . ¸nh s¸ng lµ sãng ngang hay sãng däc ? 2. Ph©n biÖt ¸nh s¸ng tù nhiªn vµ ¸nh s¸ng ph©n cùc . 3. §Þnh nghÜa laser . Nªu râ nguyªn t¾c t¹o ra tr¹ng th¸i ®¶o mËt ®é h¹t . Ph©n biÖt sù ph¸t x¹ tù ph¸t vµ ph¸t x¹ c¶m øng cña c¸c nguyªn tö . Nªu nguyªn t¾c ccÊu t¹o vµ ho¹t ®éng cña diode laser .

B¸o c¸o thÝ nghiÖm

kh¶o s¸t ph©n cùc ¸nh s¸ng dïng tia laser . NghiÖm §Þnh luËt malus ( maluýt ) X¸c nhËn cña thµy gi¸o Tr−êng ........................................ Líp ...................Tæ ..................... Hä tªn .........................................

I. Môc ®Ých thÝ nghiÖm ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... .....................................................................................................................................................

II. kÕt qu¶ thÝ nghiÖm B¶ng 1 - Gi¸ trÞ ®é chia nhá nhÊt cña th−íc ®o gãc T : ................... - Gi¸ trÞ ®é chia nhá nhÊt trªn micr«ampekÕ µA : ................

3

α

I1

cosα

cos2α

α

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

I1

cosα

cos2α

50 55 60 65 70 75 80 85 90 0

1. VÏ ®å thÞ I1 = f ( X ) víi X = cos2α

2. KÕt luËn §å thÞ I1 = f ( X ) víi X = cos2α cã d¹ng mét ®−êng .........................(th¼ng, cong,.......) tøc lµ c−êng ®é ¸nh s¸ng ph©n cùc I1 phô thuéc X = cos2α theo qui luËt hµm bËc ..................... KÕt qu¶ nµy chøng tá ®Þnh luËt Malus vÒ ph©n cùc ¸nh s¸ng .................................................. (®· nghiÖm hoÆc kh«ng nghiÖm ®óng) .

4