Bài giảng Môn Vật lý lớp 12 - Bài thực hành số 4 xác định bước sóng ánh sáng

Bài thực hành số 4
XÁC ĐỊNH BƯỚC SÓNG ÁNH SÁNG
I. MỤC ĐÍCH
- Quan sát hiện tượng giao thoa của ánh sáng trắng qua khe Y-âng. Hiểu được hai phương án xác định bước sóng ánh sáng
- Xác định bước sóng của ánh sáng đơn sắc dựa vào hiện tượng giao thoa của ánh sáng đơn sắc qua khe Y-âng
- Rèn luyện kỹ năng lựa chọn và sử dụng các dụng cụ thí nghiệm để tạo ra hệ vân giao thoa
II. CƠ SỞ LÍ THUYẾT.
 Hình 1a Hình 1b
Sơ đồ thí nghiệm giao thoa khe Y-âng (H.1a);
Hệ vân giao thoa trên màn (H. 1b)
- Khi hai sóng ánh sáng đơn sắc phát ra từ hai nguồn kết hợp giao nhau thì có hiện tượng giao thoa. Khoảng vân ( khoảng cách giữa hai vân sáng hoặc hai vân tối cạnh nhau ) , trong đó là bước sóng của ánh sáng đơn sắc, D là khoảng cách từ khe Y-âng đến màn quan sát và a là khoảng cách giữa hai khe
Nếu đo được i, D và a thì bước sóng của ánh sáng đơn sắc được xác định theo công thức 
- Vì ánh sáng trắng là tập hợp của vô số ánh sáng đơn sắc khác nhau và khoảng vân phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, nên khi hai chùm ánh sáng trắng giao nhau, ta sẽ quan sát thấy trên màn có nhiều hệ vân giao thoa của các sóng ánh sáng đơn sắc và chúng không trùng khít nhau
III. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 
Hình 2:
Bộ thí nghiệm xác định bước sóng
 ánh sáng laze bán dẫn
 Bài thực hành này được đưa ra hai phương án thí nghiệm để lựa chọn. Nhiều trường phổ thông có các thiết bị thí nghiệm phù hợp với phương án 1 (sử đèn laze bán dẫn), do đó yêu cầu học sinh thực hành theo phương án này. Phương án thí nghiệm 2 được đưa vào phần đọc thêm. Tuy nhiên, nếu các trường có bộ thí nghiệm kính giao thoa là một hệ đồng trục dùng nguồn ánh sáng trắng, thì có thể thực hành theo phương án 2 (được trình bày trong mục IV)
 Phương án 1: dùng đèn laze bán dẫn
* Dụng cụ thí nghiệm
- Đèn laze bán dẫn 1 5 mW
- Tấm chứa khe Y-âng gồm 2 khe hẹp, song song, cách nhau a = 0,4 mm
- Màn hứng vân giao thoa
- Các đế để đặt đèn, tấm chứa khe Y-âng và màn hứng vân giao thoa
- Thước cuộn chia đến milimet
IV. CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 
1) Phương án 1: dùng đèn laze bán dẫn
 Tìm hiểu kĩ cấu tạo của hệ đồng trục này.
a. Bước 1. Cố định đèn laze và tấm chứa khe Y-âng lên giá đỡ
- Nối đèn vào nguồn điện xoay chiều 220V và điều chỉnh tấm chứa khe Y-âng sao cho chùm tia laze phát ra từ đèn chiếu đều vào khe Y-âng kép.
- Đặt màn hứng vân song song và cách tấm chứa khe Y-âng kép khoảng 1m để làm xuất hiện trên màn hệ vân giao thoa rõ nét.
- Dùng thước đo khoảng cách D1 từ khe Y-âng tới màn và khoảng cách l1 giữa 6 vân sáng hoặc 6 vân tối liên tiếp. Điền các giá trị D1, l1 vào bảng số liệu 1.
Tính, ghi vào bảng số liệu khoảng vân và bước sóng ánh sáng laze theo công thức 
b. Bước 2. Lặp lại bước thí nghiệm trên ứng với hai giá trị D lớn hơn D1 bằng cách dịch chuyển màn hứng vân giao thoa
- Tính , ghi các kết quả thu được vào bảng số liệu 1
Bảng 1: Xác định bước sóng ánh sáng laze
Lần thí nghiệm
D (mm)
l (mm)
1
2
3
Tính dùng các công thức:
; , trong đó chỉ số k biểu diễn lần đo thứ k, N là số lần đo (lấy N = 3) 
- Đưa ra nhận xét 
2) Phần đọc thêm: phương án 2: Sử dụng kính giao thoa là một hệ đồng trục, nguồn ánh sáng trắng (THAM KHẢO KHÔNG LÀM)
Hình 3: Sơ đồ kính giao thoa
2.1. Dụng cụ thí nghiệm: Kính giao thoa là một hệ đồng trục gồm các bộ phận sau:
- Nguồn sáng: Đèn pin 3V – 1,5W (1) 
- Ống hình trụ L1 chứa các khe gồm 
	+ Đĩa tròn (2) có khe hẹp S dọc theo đường kính đĩa và được gắn cố định ở đầu ống
	+ Đĩa tròn (3) nằm ở đầu kia của ống, có hai khe S1, S2 rộng mm, song song với khe S, cách nhau 0,25 mm. Đĩa (3) được gắn vào mặt phẳng của một thấu kính hội tụ có tiêu cự bằng khoảng cách từ đĩa (2) tới đĩa (3)
- Ống quan sát hình trụ L2 có đường kính bằng đường kính ống L1, gồm:
	+ Kính lúp (5) nằm ở đầu ống, đóng vai trò là một thị kính
	+ Màn hứng vân giao thoa (4) là một đĩa trong suốt, có thước chia đến mm để đo khoảng vân, nằm ở gần tiêu diện của kính lúp. Vị trí của màn hứng vân được đánh dấu bằng vạch M ở bên ngoài ống L2
Đèn và ống L1 được gắn khít đồng trục trong ống định hướng L3 sao cho dây tóc bóng đèn nằm song song với các khe. Ở thành ống L3 có khe L nằm trước đĩa tròn (2) để lắp kính lọc sắc và có vạch đánh dấu vị trí K của hai khe S1, S2. Ống quan sát L2 lồng khít trong ống định hướng L3 và có thể dịch chuyển được dọc theo ống L3 để thay đổi khoảng cách từ hai khe (3) tới màn (4) 
- Kính lọc sắc màu đỏ và kính lọc sắc màu xanh
- Thước chia đến milimet
 2.2. Các bước tiến hành thí nghiệm
 Tìm hiểu kĩ cấu tạo của hệ đồng trục này
 Bước 1. Xác định bước sóng của ánh sáng đỏ 
 - Đặt kính lọc sắc màu đỏ vào khe L và bật công tắc đèn pin
 - Đặt mắt nhìn hệ vân giao thoa qua kính lúp (5) và xoay nhẹ ống quan sát L2 sao cho các vạch chia trên thước ở màn (4) song song với các vân giao thoa.
 - Dịch chuyển ống L2 ( kéo ra hoặc đẩy vào ) tới khi điểm giữa của tất cả các vân sáng hoặc tất cả các vân tối trùng với các vạch chia trên thước. Khi đó khoảng vân i = 0,1mm
 - Dùng thước đo khoảng cách D1 = KM từ khe Y-âng tới màn và ghi vào bảng số liệu 2
 - Xê dịch ống quan sát L2 hai lần để tìm vị trí của màn mà ta cho rằng các vạch chia trên thước ở màn trùng với điểm giữa của các vân sáng hoặc các vân tối. Dùng thước đo D2, D3 tương ứng và ghi vào bảng số liệu 2.
 Bước 2. Xác định bước sóng của ánh sáng xanh.
- Lặp lại các bước thí nghiệm trên với kính lọc sắc màu xanh
- Các số liệu thí nghiệm xác định bước sóng của ánh sáng đỏ và bước sóng của ánh sáng xanh đều đưa vào bảng số liệu 2
Lấy a = 0,250mm 0,005mm; i = 0,100mm 0,005mm
Bảng 2: Số liệu thí nghiệm dùng kính giao thoa là một hệ đồng trục
Lần thí nghiệm
D1
(mm)
D2
(mm)
D3
(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
Ứng với kính lọc sắc đỏ
Ứng với kính lọc sắc xanh
- Tính theo các công thức:
; trong đó Dk là giá trị lần đo thứ k; N là số lần thí nghiệm (thực hiện thí nghiệm 3 lần cho mỗi loại kính lọc sắc) 
; 
- Mô tả hệ vân giao thoa của hai chùm ánh sáng trắng và giải thích kết quả quan sát được
- Mô tả sự thay đổi của hệ vân sau khi thay đổi D
V. CÁC VẤN ĐỀ CẦN CHÚ Ý
1. Chú ý dùng đèn laze bán dẫn
 - Không được nhìn trực tiếp vào đèn laze vì dễ hỏng mắt
 - Hệ vân giao thoa được quan sát trực tiếp trên màn hình mà không cần phải quan sát qua thị kính. 
2. Chú ý dùng kính giao thoa là một hệ đồng trục, nguồn ánh sáng trắng: 
 (Đối với phần đọc thêm thuộc phương án 2) 
 Đèn và ống L1 được gắn khít đồng trục trong ống định hướng L3 sao cho dây tóc bóng đèn nằm song song với các khe. Ở thành ống L3 có khe L nằm trước đĩa tròn (2) để lắp kính lọc sắc và có vạch đánh dấu vị trí K của hai khe S1, S2. Ống quan sát L2 lồng khít trong ống định hướng L3 và có thể dịch chuyển được dọc theo ống L3 để thay đổi khoảng cách từ hai khe (3) tới màn (4). Để đảm bảo sự đồng trục trong quá trình làm thí nghiệm, ống định hướng L3 cần được giữ cố định, điều chỉnh ống L2 sao cho các vạch chia của thước trên màn (4) có phương thẳng đứng (mặt phẳng của màn (4) song song với mặt phẳng của hai khe S1, S2).
 - Sai số của kết quả thí nghiệm phụ thuộc rất nhiều vào kĩ năng thí nghiệm, vào thị lực khi quan sát vân giao thoa. Hãy điều chỉnh sao cho hệ vân to và rõ tới khi điểm giữa của tất cả các vân sáng hoặc tất cả các vân tối trùng với các vạch chia trên thước. Khi đó khoảng vân i = 0,1mm thì hãy đo khoảng cách D 
VI. CÂU HỎI MỞ RỘNG 
Trong phương án 1, vì sao phải đặt màn hứng vân giao thoa song song với tấm chứa khe Y-âng ? Nếu đặt nghiêng một góc 450 thì có ảnh hưởng gì đến thí nghiệm ?
Trong phương án 2, vì sao phải điều chỉnh dây tóc bóng đèn nằm song song với các khe? Nếu đặt vuông góc thì sao ?
 Quan sát hiện tượng giao thoa của hai chùm ánh sáng trắng
+ Bỏ kính lọc sắc ra khỏi khe L
+ Đặt mắt nhìn hệ vân giao thoa qua kính lúp (5). Mô tả hệ vân giao thoa quan sát được và giải thích kết quả quan sát này
+ Nếu thay đổi D, hệ vân sẽ thay đổi như thế nào? Tiến hành thí nghiệm kiểm tra dự đoán
+ Tại sao thấu kính hội tụ được gắn ở đĩa (3) người ta chọn tiêu cự của nó bằng khoảng cách từ đĩa (2) tới đĩa (3) ?
VII. BÁO CÁO THỰC HÀNH
THỰC HÀNH XÁC ĐỊNH BƯỚC SÓNG ÁNH SÁNG
	Họ và tên:................................................Lớp:..............Nhóm:....................
	Ngày làm thực hành:....................................................................................
	Viết báo cáo theo các nội dung sau:
I. MỤC ĐÍCH
II. TÓM TẮT LÍ THUYẾT 
Phương án 1: dùng đèn laze bán dẫn
 Hình vẽ 1
Công thức tính
III. KẾT QUẢ
Bảng 1: Xác định bước sóng ánh sáng laze
-Khoảng cách giữa hai khe: a=………….……….(mm)
-Độ chính xác của thước mm: =…………………..(mm)
-Số khoảng vân đánh dấu: n = ………………………
Lần thí nghiệm
D (mm)
L (mm)
1
2
3
Trung bình
Tính dùng các công thức:
	 (dùng quy tắc làm tròn số liệu)
* Nhận xét 
IV. TRẢ LỜI CÁC CÂU HỎI
Lưu ý: Học sinh vẫn phải trả lời các câu hỏi mở rộng 2 và 3 mặc dù không trực tiếp làm thí nghiệm theo phương án 2