Xác định bước sóng ánh sáng

VLKT-
Viện Vật lý Kỹ thuật- ĐHBK Hà nội

thí nghiệm vật lý BKO-050
Xác định bớc sóng ánh sáng bằng
giao thoa cho hệ vân tròn Newton


Dụng cụ : 1. Kính hiển vi ; 2. Vật kính x8;
3. Thị kính x7; 4. Thớc trắc vi thị kính x15;
5. Giá cặp vật có vít điều chỉnh trợt ngang
và trợt dọc; 6. Kính nghiêng 45
0
vừa phản
xạ vừa truyền qua; 7. Hệ thấu kính phẳng-lồi
cho vân tròn Newton; 8. Kính lọc sắc (đỏ
hoặc xanh); 9. Đèn chiếu sáng 8V-20W;
10. Biến thế điện 220V/ 6 - 8V.

I. Cơ sở lý thuyết
1. Giao thoa cho hệ vân tròn Newton
Giao thoa cho hệ vân tròn Newton là hiện
tợng giao thoa của các sóng sáng tạo bởi
bản nêm không khí nằm giới hạn giữa mặt
lồi của một thấu kính phẳng-lồi L đặt tiếp
xúc với một bản thuỷ tinh phẳng P (H. 1).
Nếu chiếu chùm sáng song song đơn sắc
có bớc sóng

vuông góc với mặt phẳng của

bản phẳng thuỷ tinh P thì các tia sáng phản xạ
từ mặt trên và mặt dới của bản nêm không
khí sẽ giao thoa với nhau, tạo thành một hệ
các vân sáng và vân tối hình tròn đồng tâm
nằm xen kẽ nhau - gọi là hệ vân tròn Newton.
















Trong trờng hợp này, hiệu đờng đi của
các tia sáng phản xạ trên hai mặt của bản
nêm không khí tại vị trí ứng với độ dày d
k

của bản bằng :


= 2.d

k
+

2
(1)
Đại lợng / 2 xuất hiện là do ánh sáng
truyền từ bản nêm không khí tới mặt dới
của bản, bị phản xạ trên mặt bản thuỷ tinh P
chiết quang hơn không khí.
Khi

= (2k+1).

2
, với k = 0, 1, 2, 3, ...,
ta có cực tiểu giao thoa ứng với độ dày :
d
k
= k .

2
(2)
Gọi R là bán kính mặt lồi của thấu kính L.
Vì d
k
<< R , nên áp dụng hệ thức lợng trong
tam giác vuông trên hình 1, ta tính đợc bán
kính r
k
của vân tối thứ k :

r
k
2
= ( 2R - d
k
) . d
k


2R . d
k
(3)
Thay (2) vào (3), ta suy ra :


=
r
k R
k
2
.
(4)
Thực tế không thể đạt đợc sự tiếp xúc
điểm giữa mặt thấu kính phẳng-lồi L và mặt
bản phẳng thuỷ tinh P, nên vân tối chính
giữa của hệ vân tròn Newton không phải là
một điểm mà là một hình tròn. Vì thế, để
xác định chính xác bớc sóng

của ánh sáng

đơn sắc, ta phải áp dụng công thức (4) đối
với hai vân tối thứ k và thứ i :
r
k
2
= k.

.R , r
i
2
= i .

.R
Từ đó suy ra :
r
k
2
- r
i
2
= ( k - i ) .

R
hay

=
R).ik(
b.B

(5)

trong đó đại lợng B = r
k
+ r
i
và b = r
k
- r
i

có thể dễ dàng đo đợc bằng thớc trắc vi
thị kính của kính hiển vi .
L
R
r
k

P
d
k

r
i

Hình 1

2. Quan sát vân Newton qua kính hiển vi
Thấu kính phẳng-lồi L đợc ép sát với
bản phẳng thuỷ tinh P và đặt trong trong hộp
nhỏ H bằng kim loại có ba vít điều chỉnh. Để
quan sát và đo bán kính của các vân tròn

Newton, ta dùng kính hiển vi có thớc trắc
vi thị kính (H. 2.a). Thớc trắc vi thị kính là
một thớc nhỏ gồm 100 độ chia, mỗi độ chia
bằng 0,01mm khắc trên một bản thuỷ tinh
mỏng đặt tại mặt phẳng tiêu của thị kính 1.












Sơ đồ quang học quan sát hệ vân tròn
Newton bố trí nh trên hình 2.b : một hệ
thống chiếu sáng phản xạ-truyền qua gồm
một bóng đèn Đ phát ra ánh sáng truyền qua
một thấu kính tụ quang Q và kính lọc sắc S
(màu đỏ hoặc xanh), rồi chiếu vào mặt tấm
kính G đặt nghiêng một góc 45
0
.
Sau khi vừa phản xạ vừa truyền qua tấm
kính G, các tia sáng dọi theo phơng thẳng
đứng vào một nêm không khí giới hạn giữa
thấu kính phẳng-lồi L ép sát với mặt bản

thuỷ tinh P. Khi đó các tia sáng phản xạ trên
hai mặt của bản nêm không khí giao thoa với
nhau tạo thành một hệ vân giao thoa gồm
các vòng tròn sáng và tối nằm xen kẽ nhau ở
mặt trên của nêm không khí. Hệ vân giao
thoa này đợc gọi là hệ vân tròn Newton.
Có thể nhìn thấy rõ hệ vân tròn Newton
khi đặt mắt quan sát chúng qua hệ thống thị
kính T và vật kính V trong ống ngắm của
kính hiển vi.


II. Trình tự thí nghiệm

1. Quan sát ảnh của hệ vân tròn Newton
qua kính hiển vi
a. Lắp thị kính T có thớc trắc vi vào đầu
trên của ống ngắm N (H. 3) và lắp hệ thống
chiếu sáng phản xạ-truyền qua vào vị trí của
vật kính V ở đầu dới của ống ngắm N.
Đặt hộp H chứa thấu kính phẳng-lồi L và
bản phẳng thuỷ tinh P lên mâm cặp vật 1.
Cắm phích lấy điện của biến áp ~ 220V/8V
vào nguồn điện ~ 220V và bật công-tắc để
đèn Đ chiếu sáng qua kính lọc sắc S (màu
đỏ) truyền đến đúng vị trí của chấm đen nhỏ
trên mặt bản nêm không khí trong hộp H.
Chấm đen nhỏ này chính là vân tối nhỏ nhất
của hệ vân tròn Newton (tâm cuỉa nó trùng
với điểm tiếp xúc giữa thấu kính phẳng-lồi L

và bản phẳng thuỷ tinh P).
b. Nhìn từ phía ngoài kính hiển vi và vặn
vít chỉnh nhanh 2 để hạ thấp dần vật kính V
xuống gần sát mặt hộp H. Chú ý : không để
vật kính V chạm vào mặt hộp H .
Đặt mắt sát thị kính T quan sát thị trờng
trong ống ngắm N của kính hiển vi. Vặn từ từ
vít chỉnh nhanh 2 để nâng dần ống ngắm N lên
cho tới khi nhìn thấy hệ vân tròn Newton. Vặn
tiếp vít chỉnh chậm 3 (lên hoặc xuống) cho
tới khi nhìn thấy rõ hệ vân tròn Newton.

V
G
Đ
S
Q
L
Hình 2
(a)
T
P
(b)
Hình

3

V
H
T
N
1
2
3

2 . Đo các đại lợng B và b
a. Dùng tay xoay dần thị kính 1 sao cho
các vạch chia của thớc trắc vi trong thị kính

này nằm tiếp xúc với các vân tối của hệ vân
tròn Newton .
b. Chọn vân thứ i là vân tối có đờng kính
nhỏ nhất ứng với i = 1 và vân thứ k là vân tối
thứ 4 hoặc thứ 5.











Từ hình (4), ta nhận thấy :
B = r
k
+ r
i
= KO + OI = KI = n
i
- n
k
b = r
k
- r
i
= OK

/
- OI = IK
/
= n
/
k
- n
k
trong đó n
i
, n
k
, n
/
k
là số thứ tự của các vạch
trên thớc trắc vi trong thị kính 1 ứng với
các điểm I , K và K
/
. Đọc và ghi giá trị của
n
i
, n
k
, n
/
k
vào bảng 1.
Vì kích thớc ảnh của hệ vân tròn Newton
đ đợc phóng đại lên

lần qua kính hiển vi,
nên giá trị thực (tính ra milimét) của các đại
lợng B và b phải tính theo công thức :
B =
n n
I K


; b =
n n
K I
/


(6)
c. Thực hiện lại các động tác trên 5 lần để
tìm giá trị trung bình của B và b .
d. Ghi các số liệu sau đây vào bảng 1 :
- Bán kính R của mặt lồi thấu kính L .
- Độ phóng đại

của kính hiển vi .

III. Câu hỏi kiểm tra
1. Định nghĩa và nêu rõ điều kiện để có giao thoa ánh sáng .
2. Giải thích hiện tợng giao thoa cho bởi bản nêm không khí, tạo thành hệ vân tròn Newton. Tại
sao trong thí nghiệm này, ảnh giao thoa lại là một hệ vân tròn đồng tâm ?
3. Tại sao phải xác định bớc sóng

của ánh sáng theo công thức (5), mà không xác định trực
tiếp theo công thức (4) ?
4. Hy chứng tỏ công thức tính sai số tơng đối của phép đo bớc sóng ánh sáng bằng phơng
pháp giao thoa cho vân tròn Newton có dạng :


=


=
R
R
b
b
B
B
+

+


trong đó B =

1
(
n
i
+

n

k
)

và
b =

1
(
n
/
k

+


n
k
) , với
n
i
=

n
k

=
n
/
k
= 1

Từ đó suy ra cách chọn các vân thứ
k
và thứ
i
nên nh thế nào để phép đo bớc sóng theo
phơng pháp này đạt độ chính xác cao ?








0 1 2 3 4 5 6 7 8
b
B
K 0 I K
/


Hình
4


Báo cáo thí nghiệm
xác định bớc sóng ánh sáng bằng
giao thoa cho vân tròn NeWton

Xác nhận của thày giáo
Trờng .........................................
Lớp ...................Tổ .....................
Họ tên .........................................


I. Mục đích thí nghiệm
.........................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................

II. kết quả thí nghiệm
1. Bảng 1
R = ........................ (m) ;

= .....................

Lần đo


n
K


n
I


n

k
/


B

B

b

b
1
2
3
4
5


Trung
bình


=B
.......
B
=.......
=b
.........
b
=.......

2. Tính giá trị trung bình và sai số tuyệt đối của B và b :
- Giá trị trung bình của B :

=B
................................ = ..................... (10
-3
m)
- Sai số tuyệt đối của B :
B =
B
+

1
(
n
i
+

n
k
)

= ................................ .........= ..................... (10
-3
m
)
- Giá trị trung bình của
b
:

=b
................................ = ..................... (10
-3
m
)

- Sai số tuyệt đối của b :


b =
b
+ b =

1
(
n
/
k

+


n
k
) = ....................................... = ................. (10
-3
m
)
3. Tính sai số và giá trị trung bình của bớc sóng

:

- Sai số tơng đối trung bình của

:

=

+

+

=


=
R
R
b
b
B
B
......................................................................=.............
- Giá trị trung bình của

:


=

R).ik(
b.B

= ............................................................... = .................... (m)
- Sai số tuyệt đối của

:


=

.

= ......................................=........................ (m)
4 . Viết kết quả của phép đo :



=

= ........................... ......................... ( m )