Bài 3 khảo sát hiện tượng phân cực ánh sáng định luật malus

Bài 3
KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG PHÂN CỰC ÁNH SÁNG
NGHIỆM ĐỊNH LUẬT MALUS
DỤNG CỤ :

1. Nguồn phát tia laser bán dẫn;
2. Bản kính phân cực;
3. Thước đo góc 0-3600, độ chính xác 10

4. Cảm biến photodiode silicon + ống che sáng;
5. Bộ khuếch đại và chỉ thị cường độ sáng;
6. Giá quang học.

I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Theo thuyết điện từ của Maxwell, ánh sáng là sóng điện từ tức là loại sóng ngang, trong
đó vectơ điện trường E hay còn gọi là vectơ sóng sáng luôn dao động theo phương vuông góc với
phương truyền sáng (tia sáng).
Ánh sáng tự nhiên là tập hợp vô số các đoàn sóng do những nguyên tử riêng biệt trong
nguồn sáng phát ra, nên vectơ sóng sáng E của mỗi đoàn sóng có phương dao động rất khác nhau
và mang tính ngẫu nhiên. Vì vậy theo định nghĩa, ánh sáng trong đó vectơ sóng sáng E dao động
đều đặn theo mọi phương vuông góc với tia sáng được gọi là ánh sáng tự nhiên
Ánh sáng có vectơ sóng sáng E chỉ dao động theo một phương xác định vuông góc với tia
sáng gọi là ánh sáng phân cực toàn phần (hay còn gọi là ánh sang phân cực thẳng). Mặt phẳng
chứa tia sáng và phương dao động của vectơ sóng sáng E gọi là mặt phẳng dao động. Mặt phẳng
chứa tia sáng và vuông góc với mặt phẳng dao động gọi là mặt phẳng phân cực .
Có thể tạo ra ánh sáng phân cực phẳng bằng cách cho ánh sáng tự nhiên truyền qua các
bản phân cực (pôlarôit hoặc hêrapatit). Thực nghiệm chứng tỏ ánh sáng tự nhiên, sau khi truyền
qua bản phân cực, sẽ trở thành ánh sáng phân cực thẳng, có vectơ sóng sáng E dao động theo
phương song song với quang trục Q của bản phân cực. Nếu ánh sáng truyền tới bản phân cực là
ánh sáng phân cực thẳng có vectơ sóng sáng E nghiêng một góc α so với quang trục Q của bản

này, thì chỉ có thành phần E1 song song với quang trục Q mới truyền được qua bản, còn thành
phần E2 vuông góc với quang trục Q sẽ bị cản lại. Dễ dàng nhận thấy :
E1 = E . cos α .
Vì cường độ sáng tỷ lệ thuận với bình phương biên độ vectơ sóng sáng, nên nếu E0 là
biên độ của vectơ sóng sáng E và I0 = ( E0 ) 2 là cường độ sáng của ánh sáng phân cực thẳng
truyền tới bản phân cực, thì biên độ của thành phần vectơ sóng sáng E1 truyền qua bản phân cực
sẽ là E 01 = E 0 . cos α và cường độ sáng I1 ở phía sau bản phân cực bằng :
I1 = ( E01 ) 2 = ( E 0 . cos α ) 2

hay

I1 = I0 . cos2 α

(1)

Đây là công thức của định luật Malus về phân cực ánh sáng. Rõ ràng, khi α =0 thì cos α =1
cường độ sáng sau bản kính phân cực đạt cực đại I1max= I0 ; còn khi α = 900 thì cos α = 0 :
cường độ sáng sau bản kính phân cực sẽ cực tiểu I1min= 0 .
1


II. TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM

1. Quan sát bộ thiết bị thí nghiệm: gồm một diode laser DL (3,8V - 5 mW) phát ra chùm tia laser
màu đỏ chiếu vuông góc vào tâm của mặt bản phân cực P. Một thước tròn T (được chia độ từ 0
÷ 3600) gắn chặt với bản phân cực P dùng đo góc α giữa phương của vectơ sóng sáng E truyền tới
bản phân cực P và quang trục Q của bản này. Để khảo sát sự thay đổi cường độ của ánh sáng
phân cực sau khi truyền qua bản phân cực P, ta dùng một cảm biến quang điện silicon QĐ đặt ở
bên trong một ống che sáng. Tín hiệu laser truyền qua bản kính phân cực tới rọi vào cảm biến quang
điện silicon QĐ được đưa vào bộ khuếch đại và chỉ thị cường độ sáng KĐ nhờ một chốt cắm C.

Toàn bộ thiết bị thí nghiệm đặt trên cùng một giá quang học G.
2. Cắm phích lấy điện của bộ khuếch đại và chỉ thị cường độ sáng KĐ vào nguồn điện ~ 220V.
Chọn thang đo 1,5mV. Vặn núm biến trở R về vị trí tận cùng bên trái. Bấm khóa đóng điện K trên
mặt của bộ khuếch đại KĐ: đèn tín hiệu LED phát sáng. Nới lỏng vít hãm V và quay ống chắn
sáng của cảm biến quang điện QĐ để trục của nó không đi qua tâm của bản phân cực P. Chờ
khoảng 5 phút để bộ khuếch đại KĐ ổn định, thực hiện việc điều chỉnh vị trí số 0 của milivonkế
điện-tử. Nếu kim của điện kế không chỉ đúng số 0 thì phải vặn từ từ núm "qui 0" để cho kim chỉ
thị của nó quay trở về đúng số 0. Chú ý: Sau khi điều chỉnh xong, phải giữ nguyên vị trí này của
núm "qui 0" trong suốt thời gian làm thí nghiệm.
3. Cắm phích lấy điện của bộ nguồn nuôi diode laser DL vào nguồn điện xoay chiều ~220V. Bật
công tắc K của diode laser DL, ta sẽ nhận được chùm tia sáng laser màu đỏ. Điều chỉnh để chùm
tia sáng laser phát ra từ cửa sổ của diode laser DL đi qua tâm của bản phân cực P và chiếu vào
tâm của vít V bằng cách quay ống chắn sáng của cảm biến quang điện QĐ để trục của nó đi qua
tâm của bản phân cực P. Khi đó giữ nguyên độ cao của cảm biến quang điện QĐ và để cho chùm
tia laser rọi thẳng vào cảm biến quang điện QĐ.
4. Quay thước tròn chia độ T cho tới khi kim của điện kế đạt độ lệch lớn nhất. Vặn núm biến trở R
của bộ khuếch đại sao cho độ lệch lớn nhất đó khoảng 100, đó chính là giá trị ứng với góc α = 0
trong bảng 1. Đọc và ghi giá trị góc ban đầu trên thước tròn chia độ T của bản phân cực P.
5. Tiếp tục quay thước tròn chia độ T để tăng góc α (mỗi lần tăng 50) từ giá trị ban đầu đến giá trị α
= 900. Đọc và ghi các giá trị tương ứng của góc α và của cường độ sáng I1 (tỷ lệ với giá trị trên
microvônkế ) trong mỗi lần đo vào bảng 1.
6. Đọc và ghi các số liệu sau đây vào bảng 1:
- Độ chia nhỏ nhất của thước tròn chia độ T.
- Độ chia nhỏ nhất trên thang đo 100 của micrôvônkế điện tử.
2


Da vo nhng giỏ tr o c ca cng sỏng I1 v ca gúc quay tng ng trong bng 1,
v th biu din hm s:
I1 = f ( X ) vi X = cos hoc X = cos2

(3)
Chỳ ý : Cn kim tra chớnh xỏc cỏc v trớ m ti ú cng sỏng t cc i hoc cc tiu bng
cỏch lõn cn hai phớa ca mi v trớ ny (trong gii hn 50) ch thay i mi ln 10 i vi gúc
quay v c giỏ tr cng sỏng I1 tng ng. T ú cú th xỏc nh chớnh xỏc v trớ mt
phng phõn cc ca chựm tia laser.
Chọn formula điền công thức
Khởi động chơng trình máy
chỉ mối liên hệ đại lợng mới với
tính:
các đại lợng cũ:
Trong thanh Start chọn
UA1/0.45*150
Program và chọn Cassy Lab,
in trong symbol: I Unit: Cd
nhấp đúp chuột vào UA1, chọn
From: 0 To: 150
0 -10V
*Khai báo cosx
Cửa sổ input setting chọn
Chọn new quantity
Averagd Valuse, left.
Trong hộp select quantity
Cửa sổ Measing parametes chọn
điền vào tên đại lợng mới cosx
Manual.
Chọn formula điền công thức
Nhấp đúp chuột vào UB1, chọn
chỉ mối liên hệ đại lợng mới với
0 -10V
các đại lợng cũ:

Cửa sổ input setting chọn
cos((n-1)*5)
Averagd Valuse, left.
in trong symbol: cosx
Unit:
Cửa sổ Measing parametes chọn
From: 0 To: 1.5
Manual.
*Chọn hiển thị đồ thị I
Cài đặt các trục tọa độ, ở đây
cosx
hoành độ biểu thị cos , tung độ
Trong setting chọn display
biểu thị cng sỏng I .
Chọn new display
Muốn cài đặt trục tọa độ thì
Trong hộp select display ghi
trong của sổ setting chọn
tên đồ thị I cosx
parameter Formula FFT
Trong X Axis chọn cosx và Y
* Khai báo cờng độ sỏng I:
Axis chọn I
Chọn new quantity
Trong hộp select quantity điền
vào tên đại lợng mới I
Sau đó bấm F9 để bắt đầu đo, với mỗi lần dịch chuyển thc o 5 , bấm
F9. mỏy tớnh v th cng sỏng t l vi cos 2x thì chn trc X Axis l cos2x, mỏy
tớnh s v th cng sỏng t l vi cos2x.
III. CU HI KIM TRA

1. Phõn bit ỏnh sỏng t nhiờn v ỏnh sỏng phõn cc mt phn, ton phn. Hin tng phõn cc
chỳng t bn cht gỡ ca ỏnh sỏng? nh sỏng l súng ngang hay súng dc? Ti sao?
3


2. Định nghĩa kính phân cực. Giải thích tại sao khi chùm tia laser truyền qua bản phân cực P thì
cường độ sáng I ở phía sau bản phân cực P lại thay đổi phụ thuộc vào góc α giữa vectơ sóng sáng
E truyền tới bản phân cực P và quang trục Q của bản đó.
3. Viết biểu thức của định luật Malus về phân cực ánh sáng và giải thích các đại lượng trong biểu
thức. Hãy dùng vecto sóng sáng E để dẫn đến biểu thức này. Nêu nguyên lý đo cường độ sáng
trong bài thí nghiệm? Thí nghiệm rút ra điều gì về ánh sáng laser?
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM
KHẢO SÁT SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG
NGHIỆM ĐỊNH LUẬT MALUS
Xác nhận của thày giáo
Trường ........................................
Lớp ...................Tổ .....................
Họ tên .........................................

I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM
...........................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................

II. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
- Giá trị độ chia nhỏ nhất của thước đo góc T : ...................
- Giá trị độ chia nhỏ nhất trên milivônkế mV : ................

α
0

5
10
15
20
25
30
35
40
45

I

cosα

cos2α

α
50
55
60
65
70
75
80
85
90
0

I

cosα

cos2α

Vẽ đồ thị I = f ( X ) với X = cosα hoặc X = cos2α và rút ra kết luận:

4