Giáo trình thực hành vật lý đại cương 2 phần 2: Đo vận tốc ánh sáng

Giáo trình nghiên cứu thực hành vật lý đại cương 2 phần 2 ts lưu thế vinh, trình bày lý thuyết rõ ràng, minh họa ví dụ thực tế, phù hợp sinh viên vật lý.

• Trường học: Trường Đại Học
• Chuyên ngành: Vật Lý Đại Cương
• Đề tài: Đo Vận Tốc Ánh Sáng
• Loại tài liệu: Giáo Trình
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 5. BÀI 5: ĐO VẬN TOÁC ÁNH SÁNG
• 5.1. MỤC ĐÍCH
• 5.2. TÓM TẮT LÝ THUYẾT
• 5.3. THỰC NGHIỆM
• 5.3.1. Mô tả dụng cụ
• 5.3.2. I. Đo quãng đường và thời gian truyền của chùm tia sáng
• 5.3.3. II- Thay đổi quãng đường và đo sự biến thiên của thời gian truyền (∆s, ∆t)
• 5.4. CÂU HỎI THẢO LUẬN
• 6. BÀI 6. GIAO THOA ÁNH SÁNG
• 6.1. I. Khảo sát hiện tượng giao thoa ánh sáng gây bởi gương Fresnel
• 6.2. TÓM TẮT LÝ THUYẾT
• 6.2.1. Sòng kết hợp, nguồn kết hợp
• 6.2.2. a) Hiện tượng giao thoa ánh sáng
• 6.2.3. b) Vị trí cực đại, cực tiểu giao thoa
• 6.3. THỰC HÀNH
• 6.3.1. Mô tả dụng cụ
• 6.3.2. THỰC HÀNH

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình thực hành vật lý đại cương 2

Giáo trình thực hành vật lý đại cương 2 cung cấp những kiến thức cơ bản và thực tiễn về các hiện tượng vật lý. Phần 2 của giáo trình tập trung vào việc đo vận tốc ánh sáng, một trong những thí nghiệm quan trọng trong vật lý. Thí nghiệm này không chỉ giúp sinh viên hiểu rõ hơn về bản chất của ánh sáng mà còn rèn luyện kỹ năng thực hành và phân tích số liệu.

1.1. Mục đích của thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng

Mục đích chính của thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng là khảo sát và kiểm tra phương pháp đo vận tốc ánh sáng bằng thiết bị biến đổi điện và oscilloscope. Thí nghiệm này giúp sinh viên nắm vững các khái niệm cơ bản về ánh sáng và các phương pháp đo lường trong vật lý.

1.2. Các đặc tính quan trọng của ánh sáng

Ánh sáng có những đặc tính quan trọng như tính chất sóng và tính chất hạt. Tính chất sóng của ánh sáng thể hiện qua các hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ, và phân cực. Tính chất hạt của ánh sáng được thể hiện qua hiệu ứng quang điện và hiệu ứng Compton.

II. Thách thức trong việc đo vận tốc ánh sáng

Việc đo vận tốc ánh sáng gặp nhiều thách thức do sự phức tạp trong việc thiết lập thí nghiệm và độ chính xác của các thiết bị đo. Các yếu tố như độ chính xác của thiết bị, điều kiện môi trường và kỹ thuật thực hiện đều ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm.

2.1. Độ chính xác của thiết bị đo

Độ chính xác của thiết bị đo là yếu tố quyết định đến kết quả thí nghiệm. Các thiết bị như oscilloscope và các cảm biến quang học cần được hiệu chỉnh và kiểm tra định kỳ để đảm bảo độ chính xác cao nhất.

2.2. Ảnh hưởng của môi trường đến kết quả đo

Môi trường xung quanh như nhiệt độ, độ ẩm và áp suất có thể ảnh hưởng đến tốc độ truyền ánh sáng. Do đó, việc thực hiện thí nghiệm trong điều kiện ổn định là rất quan trọng để có được kết quả chính xác.

III. Phương pháp đo vận tốc ánh sáng hiệu quả

Có nhiều phương pháp khác nhau để đo vận tốc ánh sáng, mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa kết quả thí nghiệm.

3.1. Phương pháp Fizeau

Phương pháp Fizeau sử dụng một chùm ánh sáng đi qua một bánh răng quay để đo thời gian ánh sáng đi và về. Phương pháp này đã được sử dụng từ thế kỷ 19 và cho kết quả khá chính xác.

3.2. Phương pháp Michelson

Phương pháp Michelson sử dụng gương để phản xạ ánh sáng và đo thời gian giữa các xung ánh sáng. Phương pháp này cho phép đo vận tốc ánh sáng với độ chính xác cao hơn so với phương pháp Fizeau.

IV. Ứng dụng thực tiễn của vận tốc ánh sáng

Vận tốc ánh sáng không chỉ là một hằng số vật lý mà còn có nhiều ứng dụng trong thực tiễn. Từ viễn thông đến công nghệ quang học, vận tốc ánh sáng đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực.

4.1. Ứng dụng trong viễn thông

Trong viễn thông, vận tốc ánh sáng được sử dụng để truyền tải dữ liệu qua cáp quang. Tốc độ truyền tải nhanh chóng giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của các hệ thống truyền thông hiện đại.

4.2. Ứng dụng trong công nghệ quang học

Công nghệ quang học sử dụng vận tốc ánh sáng để phát triển các thiết bị như máy chiếu, máy quét và cảm biến quang học. Những thiết bị này đều dựa vào nguyên lý truyền ánh sáng để hoạt động hiệu quả.

V. Kết luận về thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng

Thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng không chỉ giúp sinh viên hiểu rõ hơn về bản chất của ánh sáng mà còn rèn luyện kỹ năng thực hành và phân tích số liệu. Kết quả thí nghiệm có thể được so sánh với các giá trị lý thuyết để đánh giá độ chính xác của phương pháp đo.

5.1. Đánh giá kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm cần được phân tích và so sánh với các giá trị lý thuyết để đánh giá độ chính xác. Việc này giúp sinh viên nhận thức rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo.

5.2. Tương lai của nghiên cứu về ánh sáng

Nghiên cứu về ánh sáng và vận tốc ánh sáng vẫn đang tiếp tục phát triển. Các công nghệ mới và phương pháp đo hiện đại hứa hẹn sẽ mang lại những hiểu biết sâu sắc hơn về bản chất của ánh sáng trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 68 Baøi 5 : ÑO VAÄN TOÁC AÙNH SAÙNG I. MUÏC ÑÍCH: Khaûo saùt vaø nghieäm laïi pheùp ño vaän toác aùnh saùng baèng thieát bò bieán ñoåi xung ñieän vaø oscilloscope. TOÙM TAÉT LYÙ THUYEÁT: 2. Caùc ñaëc tính quan troïng cuûa aùnh saùng.

Vaät lyù hoïc hieän ñaïi ñaõ khaúng ñònh baûn chaát löôïng töû cuûa aùnh saùng: AÙÙnh saùng vöøa coù tính chaát soùng vöøa coù tính chaát haït. Tính chaát soùng cuûa aùnh saùng theå hieän qua caùc hieän töôïng giao thoa, nhieãu xaï, khuùc xaï, taùn saéc, phaân cöïc… Tính chaát haït cuûa aùnh saùng theå hieän qua caùc hieän töôïng nhö hieäu öùng quang ñieän, hieäu öùng compton… Ñieàu ñaëc bieät quan troïng laø söï lan truyeàn cuûa soùng aùnh saùng khoâng phuï thuoäc vaøo heä quy chieáu vaø khoâng caàn moät moâi tröôøng trung gian naøo caû. Naêm 1905 Einstein ñaõ neâu ra tieân ñeà cô baûn cuûa lyù thuyeát töông ñoái: “Toác ñoä cuûa aùnh saùng trong chaân khoâng coù cuøng moät giaù trò nhö nhau ñoái vôùi moïi höôùng vaø ñoái vôùi moïi heä quy chieáu quaùn tính”. Lyù thuyeát töông ñoái cuûa Einstein ñaõ ñöôïc kieåm nghieäm nhieàu laàn vaø cho keát quaû luoân luoân phuø hôïp vôùi nhöõng tieân ñoaùn lyù thuyeát.

Caùc thí nghieäm noåi tieáng trong lòch söû trong Vaät lyù hoïc tieán haønh ño vaän toác aùnh saùng cho thaáy ñoä chính xaùc cuûa pheùp ño vaän toác aùnh saùng ñöôïc hoaøn thieän theo thôøi gian nhö theá naøo (baûng 5-1). Söï ña daïng cuûa phöông phaùp vaø söï coá gaéng cuûa caùc nhaø Vaät lyù ñaõ ñaït ñeán ñoä maø ñoä chính xaùc bò giôùi haïn bôûi khaû naêng thöïc teá trong vieäc thöïc hieän caùc baûn sao chuaån ñôn vò ñoä daøi ñöôïc duøng ôû thôøi ñieåm baáy giôø. Ñieàu naøy daãn ñeán vieäc caùc nhaø Vaät lyù ñaõ quyeát ñònh gaùn moät giaù trò cho vaän toác aùnh saùng chính xaùc baèng ñònh nghóa. Theo ñònh nghóa giaù trò cuûa vaän toác aùnh saùng hieän nay ñöôïc aán ñònh moät giaù trò chính xaùc laø: c = 299792458 m/s (chính xaùc) Ñieàu naøy moät maët cho thaáy raèng vaän toác aùnh saùng ñöôïc xem nhö moät haèng soá vaät lyù.

Ñaây laø vaän toác giôùi haïn maø moïi vi haït chuyeån ñoäng coù theå ñaït ñöôïc. Laø vaän toác truyeàn giôùi haïn cuûa moïi töông taùc. Töø chuaån vaän toác aùnh saùng, ñôn vò ñoä daøi ñöôïc ñònh nghóa laïi vaøo naêm 1983 nhö sau : THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 69 “Meùt laø ñoä daøi cuûa quaõng ñöôøng maø aùnh saùng ñi ñöôïc trong chaân khoâng trong thôøi gian 1/299792458 s”. Baûng 5-1 Ñoä Ngöôøi Vaän toác aùnh Phöông phaùp chính Naêm thöïc Nöôùc saùng ño ñöôïc thöïc nghieäm xaùc nghieäm (x 108m/s) (m/s) 1600 Galileo YÙ Ñeøn xaùch vaø laù chaén “nhanh” ? 1676 Roemer Phaùp Veä tinh cuûa sao Thoå 2,14 ? 1729 Bradley Anh Quang sai 3,08 ? 1849 Fizeau Phaùp Baùnh raêng 3,14 ? 1879 Michelson Hoakyø Göông quay 2,88810 75000 Michelson Hoakyø Göông quay 2,99798 22000 1950 Essen Anh Hoác vi soùng 2,997925 1000 1958 Froome Anh Giao thoa keá 2,997925 100 1972 Eveson vaø Hoakyø Phöông phaùp lase 2,997924574 1,1 ñoàng nghieäp 1974 Blaney vaøø Anh Phöông phaùp lase 2,997924590 0,6 ñoàng nghieäp 1976 Woods vaø Anh Phöông phaùp lase 2,997924588 0,2 ñoàng nghieäp Chính 1983 Giaù trò ñònh nghóa ñöôïc quoác teá coâng nhaän 2,99792458 xaùc Nhö vaäy, lòch söû khaù daøi cuûa vaán ñeà ño vaän toác cuûa aùnh saùng ñaõ chaám döùt.

Hieän nay neáu chuùng ta cho moät chuøm saùng truyeàn töø ñieåm naøy ñeán ñieåm khaùc vaø ño khoaûng thôøi gian ñi ñöôïc, thì khoâng phaûi laø chuùng ta coù yù muoán ño toác ñoä aùnh saùng maø laø ño khoaûng caùch giöõa hai ñieåm. Nguyeân taéc ño vaän toác aùnh saùng : Ño quaõng ñöôøng S vaø khoaûng thôøi gian t maø aùnh saùng truyeàn qua treân quaõng ñöôøng ñoù ta coù theå xaùc ñònh ñöôïc vaän toác cuûa aùnh saùng theo bieåu thöùc: S v = (5-1) t THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 70 III. THÖÏC NGHIEÄM. Moâ taû duïng cuï.

1- Giaù quang hoïc. (Hình 5-1) Duøng ñeå ñaët caùc thieát bò quang hoïc vaø thieát bò ño vaän toác aùnh saùng. Treân giaù quang hoïc coù chia thang ñoä ñeå ñònh khoaûng caùch giöõa thieát bò ño vaän toác aùnh saùng vaø thaáu kính. 2- Thaáu kính hoäi tuï.

Duøng ñeå ñònh höôùng chuøm tia tôùi thaønh chuøm tia song song. Thaáu kính hoäi tuï naøy coù tieâu cöï f = 200 mm. 3- Göông quang hoïc. Trong baøi thí nghieäm duøng 2 göông quang hoïc: Göông lôùn ñaët taïi vò trí B caùch nguoàn moät khoaûng caùch s/2; Göông nhoû ñaët taïi cöûa soå phía treân cuûa hoäp thieát bò ño vaän toác.

4- Thieát bò ño vaän toác aùnh saùng. Duøng ñeå phaùt ra vaø nhaän laïi caùc chuøm tia saùng caàn ño vaän toác. Bieán ñoåi chuøm tia saùng thaønh caùc xung ñieän theá vaø ñöa ra caùc thieát bò ghi nhaän ( Oscilloscope ). Hình 5-1 5- OSCILLOSCOPE HM 303-6 : (hình 5-2) Duøng ñeå hieån thò caùc xung nhaän ñöôïc töø thieát bò ño vaän toác aùnh saùng.

Ñaët vaø ñeám thôøi gian giöõa caùc xung. THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 71 Hình 5-2 Sô ñoà caùc nuùm chöùc naêng maët tröôùc cuûa OSCILLOSCOPE HM 303- 6 ñöôïc chæ ra treân hình 5-3. Chuù thích caùc nuùm chöùc naêng chính caàn söû duïng trong thí nghieäm : (1) POWER – Coâng taéc nguoàn coù ñeøn baùo. (2) INTENS, (3)FOCUS – Caùc nuùm ñieàu chænh cöôøng ñoä saùng vaø ñoä saéc neùt cuûa hình.

(5) Y-POS-I, (8) Y-POS-II – Ñieàu chænh vò trí hieån thò doïc cuûa xung ôû keânh I vaø keânh II. (6),(7)Y-MAG x5 – Caùc nuùt nhaán ñeå khueách ñaïi tín hieäu ñieän theá ôû keânh I vaø keânh II leân 5 laàn. (10) LEVEL – Nuùm ñieàu chænh möùc ñoàng boä.– Ñieàu chænh vò trí hieån thò ngang cuûa xung. x10 – Nhaân 10 laàn thôøi gian queùt tín hieäu.

(13),(14) VOLT/DIV - Ñaët thang ñoä volt cho moãi oâ toïa ñoä y ôû keânh I. (18),(19) VOLT/DIV- Ñaët thang ñoä volt cho moãi oâ toïa ñoä y ôû keânh II. Chuù yù : Khi ño phaûi xoay nuùm caùc nuùm 14 vaø 19 (CAL) sang heát beân phaûi theo chieàu kim ñoàng hoà. I/II – Hieån thò tín hieäu ôû keânh I hoaëc keânh II.

MODE – Ñaët caùc cheá ñoä ñoàng boä. (24), (25) TIME/DIV - Ñaët thang ñoä thôøi gian cho moãi oâ toïa ñoä truïc x. Khi ño thôøi gian thì xoay nuùm 25 (CAL)sang heát beân phaûi.– Duøng ñeå ñoàng boä baèng tín hieäu ngoaøi ñöa vaøo chaân (36). THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 72 Hình 5-3 THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 73 (28) INPUT CH.

I – Noái ñaàu ño keânh I (32) INPUT CH. II – Noái ñaàu ño keânh II. 6- Nguoàn ñieän theá DC 12V : Duøng ñeå cung caáp nguoàn cho thieát bò ño vaän toác aùnh saùng hoaït ñoäng. THÖÏC HAØNH : I.

Ño quaõng ñöôøng vaø thôøi gian truyeàn cuûa chuøm tia saùng Nguyeân taéc. Sô ñoà thí nghieäm moâ taû treân hình 5-4 Khi môû nguoàn, Diode phaùt quang (a) phaùt ra chuøm aùnh saùng ñoû. Chuøm tia saùng naøy ñeán göông baùn phaûn xaï (b) vaø ñöôïc chia thaønh hai chuøm tia : + Chuøm tia thöù nhaát phaûn xaï ôû (b) veà cöûa soå (c0). ÔÛ cöûa soå (c0) boá trí moät göông phaûn xaï neân chuøm tia naøy seõ phaûn xaï veà Diode nhaän (e) vaø ñöôïc bieán thaønh moät xung ñieän theá U0.

Xung naøy ñöôïc hieån thò treân Oscilloscope. + Chuøm tia thöù hai laø chuøm tia saùng caàn ño vaän toác seõ truyeàn qua göông baùn phaûn xaï (b) ñeán cöûa soå (c1) vaø xuyeân qua kính luùp L. Kính luùp L ñöôïc ñaët caùch nguoàn saùng (a) moät khoaûng baèng tieâu cöï cuûa noù neân chuøm tia saùng qua noù seõ bieán thaønh chuøm tia song song. Chuøm tia naøy ñeán göông phaûn xaï (d1) ñöôïc boá trí caùch cöûa soå (c1) moät ñoaïn S/2.

Göông naøy phaûn xaï laïi tia tôùi hoaøn toaøn theo ñöôøng cuõ veà cöûa soå (c1) sau ñoù phaûn xaï ôû göông (b) ñeán Diode nhaän (e), vaø ñöôïc bieán thaønh moät xung ñieän theá U1 hieån thò treân Oscilloscope. Hình 5-4 Vì khoaûng caùch maø chuøm tia saùng ñi töø nguoàn (a) ñeán hai cöûa soå (c0, c1) vaø veà Diode nhaän (e) laø baèng nhau neân quaõng ñöôøng chuøm tia saùng thöù hai ñaõ ñi daøi hôn quaõng ñöôøng chuøm tia saùng thöù nhaát moät khoaûng laø S. Do THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 74 ñoù, tín hieäu xung ñieän theá U1 seõ chaäm hôn xung ñieän theá U0 moät khoaûng thôøi gian laø t. Khoaûng thôøi gian t naøy ñöôïc xaùc ñònh treân Oscilloscope laø khoaûng caùch giöõa hai xung U1 vaø U0.

Hình 5-5 Töø ñoù, ta xaùc ñònh ñöôïc vaän toác aùnh saùng baèng coâng thöùc : S v= t Caùc böôùc thöïc nghieäm. 1/ Quan saùt caùc thieát bò thí nghieäm ôû traïng thaùi khoâng baät ñieän. 2/ Ñaët göông quang hoïc lôùn vaøo vò trí chuaån. Chuù yù : + Duøng daây treo göông leân ñinh moùc phía treân.

Ñaët cho ñeá göông töïa vaøo hai ñinh moùc phía döôùi, maët göông höôùng vuoâng goùc veà phía thieát bò ño vaän toác vaän toác aùnh saùng. + Caån thaän khi söû duïng caùc göông quang hoïc vì noù raát deã vôõ. 3/ Ñaët thieát bò ño vaän toác aùnh saùng ôû vò trí caùch göông quang hoïc laø 12m (maët tröôùc cuûa thieát bò ño vaän toác aùnh saùng song song vôùi vaïch moùc 12m). 4/ Laép ñaët thí nghieäm theo sô ñoà hình 5-6 : η Chuù yù : noái daây caém cho khôùp vôùi caùc chaân caém : + Chaân caém PULSES cuûa thieát bò ño vaän toác aùnh saùng ñöôïc noái vôùi INPUT CH I cuûa Oscilloscope.

+ Chaân caém TRIGGER cuûa thieát bò ño vaän toác aùnh saùng ñöôïc noái vôùi chaân caém TRIG. EXT cuûa Oscilloscope. THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 75 Hình 5-6 5/ Ñieàu chænh vò trí kính luùp caùch nguoàn saùng cuûa thieát bò ño vaän toác aùnh saùng 200 mm. 6/ Ñaët taát caû caùc nuùt nhaán cuûa Oscilloscope ôû traïng thaùi môû.

7/ Caém nguoàn ñieän cho thieát bò ño vaän toác aùnh saùng vaø Oscilloscope. Chuù yù : laép ñaët xong thí nghieäm môùi ñöôïc caém caùc nguoàn ñieän. 8/ Môû coâng taéc nguoàn cuûa Oscilloscope. 9/ Chænh nuùm Y-POS.I vaø X-POS cho ñöôøng tín hieäu xuaát hieän ngang treân maøn hình cuûa Oscilloscope.

10/ Ñaët göông quang hoïc nhoû leân cöûa soå (c0) cuûa thieát bò ño vaän toác aùnh saùng. 11/ Ñaët nuùm VOLT/DIV cuûa keânh I sang vò trí 10mV. Xoay nuùm giöõa cuûa nuùm naøy sang heát beân phaûi theo chieàu kim ñoàng hoà. 12/ Ñaët nuùm TIME/DIV cuûa Oscilloscope sang vò trí 0,5µs.

Xoay nuùm giöõa cuûa nuùm naøy sang heát beân phaûi theo chieàu kim ñoàng hoà. 13/ Nhaán nuùt X-MAG cuûa Oscilloscope ñeå nhaân 10 laàn thôøi gian queùt xung cho deã quan saùt. 14/ Ñieàu chænh nuùm X-POS cuûa Oscilloscope sang heát beân phaûi theo chieàu kim ñoàng hoà. 15/ Ñieàu chænh giaù quang hoïc sao cho göông quang hoïc lôùn naèm thaúng goùc vôùi ñöôøng ñi cuûa chuøm tia saùng phaùt ra töø thieát bò ño vaän toác aùnh saùng.

Khi ñoù seõ xuaát hieän moät xung ñieän theá nöõa treân maøn hình cuûa Oscilloscope.