Bài 42: Thực hành: Xác định bước sóng ánh sáng - Giải BT Vật Lí 12 nâng cao

Báo cáo thực hành: Xác định bước sóng ánh sáng

I - MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

+ Xác định bước sóng của ánh sáng đơn sắc dựa vào hiện tượng giao thoa của ánh sáng quan khe kép Y-âng.

+ Quan sát hiện tượng giao thoa của ánh sáng trắng qua khe kép Y-âng.

+ Rèn luyện kĩ năng sử dụng các dụng cụ thí nghiệm để tạo ra hệ vân giao thoa, nhất là kỹ năng phối hợp việc điều chỉnh ống quan sát với việc quan sát hệ vận giao thoa

II – CƠ SỞ LÍ THUYẾT

* Khi hai sóng ánh sáng đơn sắc phát ra từ hai nguồn kết hợp giao nhau thì có hiện tượng giao thoa.

Hiện tượng trong vùng hai chùm sáng gặp nhau lại có những vạch sáng tối nằm so le nhau, chỗ 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.

Điều kiện giao thoa của hai sóng ánh sáng là hai nguồn đó phải là hai nguồn kết hợp:

+ 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.

* Khoảng vân là khoảng cách giữa hai vân sáng hoặc hai vân tối cạnh nhau. Công thức tính khoảng vân: trong đó: 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, a thì ta xác định được bước sóng của ánh sáng đơn sắc theo công thức:

III - TIẾN TRÌNH THÍ NGHIỆM

1. Phương án 1:

Sử dụng kính giao thoa.

* Xác định bước sóng của ánh sánh đỏ và ánh sáng xanh.

+ Đặt kính lọc sắc màu đỏ vào khe L và bật công tắc đèn pin.

+ Đặt mắt nhìn hẹ 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 của tất cả vân tối trùng với các vạch chia trên thước. Khi đó khoảng vân i = 0,1mm.

+ Dùng thước đo khoảng cách từ khe Y-âng tới màn D₁ = KM và ghi vào bảng số liệu.

+ Xe 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 của các vân tối. Dùng thước đo D₂, D₃ tương ứng và ghi vào bảng số liệu.

+ Lặp lại các bước thí nghiệm trên ứng với kính lọc sắc màu xanh.

* 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.

+ Nếu thay đổi D, hệ vân giao thoa sẽ thay đổi như thế nào? Kiểm tra dự đoán bằng thí nghiệm.

2. Phương án 2.

- Cố định lên giá đèn laze và tấm chứa khe Y-âng.

- Nối đèn vào nguồn điện xoay chiều 220V và điều chỉnh tám chứa khe Y-âng sao cho chùm tia laze phát ra từ đèn chiếu đều vào Y-âng kép.

- Đặt màn hứng vân song song và cách tấm chứa 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.

- Lặp lại bước thí nghiệm trên ứng với hai giá trị D lớn hơn D₁ bằng cách dịch chuyển màn hứng vân.

- Tính λ− và Δ λ.

IV- KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

a. Phương án 1:

* Xác định bước sóng của ánh sáng đỏ và bước sóng của ánh sáng xanh.

a = 0,250 mm ± 0,0005 mm; i = 0,100 mm ± 0,005 mm

Bảng 42.1

Lần thí nghiệm	D1 (mm)	D2 (mm)	D3 (mm)	D− (mm)	Δ D (mm)	(mm)	Δ λ (mm)	λ = λ− ± Δ λ (mm)
Ứng với kính lọc sắc màu đỏ	36,0	35,0	36,0	35,7	0,5	7,003.10-4	0,600.10-4	7,003.10-4 ± 0,600.10-4
Ứng với kính lọc sắc màu xanh	48,0	47,0	49,0	48,0	1,0	5,208.10-4	0,473.10-4	5,208.10-4 ± 0,473.10-4

* Mô tả hệ vân giao thoa của hai chùm ánh sáng trắng quan sát được:

Hệ vân giao thoa của hai chùm ánh sáng trắng quan sát được có một vạch sáng trắng ở chính giữa, hai bên có những dải màu như cầu vồng, tím ở trong, đỏ ở ngoài.

Giải thích:

+ Ánh sáng giao thoa là ánh sáng trắng nên có vô số sóng ánh sáng đơn sắc có màu biến thiên từ đỏ đến tím giao thoa nhau trên màn quan sát.

+ Vân sáng chính giữa của mọi hệ vân đều trùng nhau nên vân sáng chính giữa có màu trắng.

+ Từ vân sáng bậc 1 trở đi, các vân không trùng nhau mà ở sát cạnh nhau, tạo thành các quang phổ liên tục bậc 1, bậc 2, bậc 3,.... có màu cầu vồng với tím trong, đỏ ngoài. Quang phổ bậc 2 trùng một phần với quang phổ bậc 3, bậc quang phổ càng lớn thì vùng chồng lên nhau càng rộng.

+ Nếu thay đổi D, hệ vân giao thoa sẽ thay đổi như thế nào?

- Nếu thay đổi D, hệ vân giao thoa vẫn có một vạch sáng trắng ở chính giữa màn quan sát, hai bên vẫn là các dải màu cầu vồng, tím trong đỏ ngoài. Tuy nhiên độ rộng các dải màu thay đổi khi D thay đổi, D tăng thì độ rộng các dải màu tăng theo.

b. Phương án 2: Xác định bước sóng ánh sáng laze.

Bảng 42.2

Lần thí nghiệm	D (mm)	l (mm)	(mm)	(mm)
1	1201	10,5	2,1	6,994.10-4
2	1300	11,5	2,3	7,077.10-4
3	1500	13,0	2,6	6,933.10-4

Kết quả đo của bước sóng λ: λ = 0,7001 ± 0,0072 μm

Nhận xét: Bước sóng thu được nằm trong dải ánh sáng màu đỏ, giống với màu ánh sáng đỏ phát ra từ nguồn laze.

Câu 1 (trang 219 sgk Vật Lí 12 nâng cao): Trong phương án 1, tại sao phải điều chỉnh dây tóc bóng đèn nằm song song với các khe? Nếu đặt vuông góc thì sao?

Bài giải:

Khi đặt dây tóc bóng đèn nằm song song với các khe, thì lúc đó nguồn sáng coi như các nguồn điểm, đồng thời sóng tạo ra tai hai khe S₁ và S₂ sẽ đồng pha với nhau. Khi đặt dây tóc bóng đèn nằm vuông góc với các khe, thì lúc đó nguồn sáng coi như các nguồn rộng, có kích thước lớn.

Câu 2 (trang 219): Trong phương án 2, tại sao phải đặt màn hứng vân giao thoa song song với tấm chứa khe Y-âng? Nếu đặt nghiêng một góc 45º thì có ảnh hưởng gì đến thí nghiệm?

Bài giải:

Trong phương án 2, phải đặt màn hứng vân giao thoa song song với tấm chứa khe Y-âng vì đặt như vậy thì các quang trình từ nguồn sáng đến màn phù hợp với việc xây dựng các công thức đã học trong phần lý thuyết. Nếu đặt nghiêng một góc 45º thì các giá trị đo được sẽ không phù hợp chính xác với lí thuyết do hai nguồn S₁ S₂ lúc này không đồng pha nhau.

Bài 1 (trang 219 sgk Vật Lí 12 nâng cao): Vì sao ở phương án 1, bằng cách dịch chuyển ống quan sát, ta có thể làm cho khoảng vân đạt giá trị i = 0,1mm. Khi nào thì phải kéo ống quan sát ra và khi nào thì phải đẩy ống quan sát ngược lại?

Bài giải:

+ Vân giao thoa tạo bởi hai khe Y–âng nên khi đặt màn quan sát tại bất cứ chỗ nào trong khoảng giao nhau của hai chùm sáng kết hợp, ta đều có được các vân giao thoa.

+ Trong thí nghiệm phương án 1, ta cần điều chỉnh sao cho khoảng vân i luôn có giá trị i = 0,1 (mm) nên cần di chuyển ống quan sát sao cho phù hợp với loại ánh sáng đơn sắc trong thí nghiệm.

Do đó:

- Nếu i < 0,1 (mm) thì cần điều chỉnh để tăng D (kéo ống quan sát ra khỏi ống định hướng).

- Nếu i > 0,1 (mm) thì cần điều chỉnh để giảm D (đẩy ống quan sát vào ống định hướng).

Bài 2 (trang 219): Ở phương án 2:

– Nếu thay đèn laze phát ánh sáng màu đỏ bằng đèn laze phát ánh sáng màu xanh thì hệ vân giao thoa thu được trên màn sẽ thay đổi như thế nào?

– Nếu mỗi khe trong khe Y-âng được chiếu sáng nhờ một đèn laze riêng biệt phát ánh sáng cùng bước sóng thì hiện tượng trên màn quan sát được sẽ như thế nào?

Bài giải:

Trong phương án thí nghiệm dùng đèn Laze

- Nếu thay đèn Laze phát ánh sáng đỏ (λ₁ = 0,76μm) có khoảng vân i₁ = λ₁D/a, bằng đèn laze phát ánh sáng màu xanh (λ₂ < λ₁) có khoảng vân i₂ = λ₂D/a thì trên màn ảnh ta thấy hệ vân sít lại gần nhau hơn, tuy nhiên vân chính giữa vẫn ở tại 0 không thay đổi.

- Nếu mỗi khe Y-âng được chiếu sáng bởi một đèn laze riêng biệt phát ánh sáng cùng bước sóng thì hai khe Y-âng cũng không phải là hai nguồn kết hợp. Do đó trên màn ảnh ta không thu được hệ vân giao thoa mà thay vào đó là sự chồng chập của 2 hệ vân nhiễu xạ qua 2 khe S₁ và S₂.

Bài trước: Bài 41: Tia X. Thuyết điện từ ánh sáng. Thang sóng điện từ - Giải BT Vật Lí 12 nâng cao Bài tiếp: Bài 43: Hiện tượng quang điện ngoài. Các định luật quang điện - Giải BT Vật Lí 12 nâng cao