Phan cuc anh sang

Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực
1
BÀI BÁO CÁO CHƯƠNG V
SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG
SV : Nguyễn Hữu Cường
SV : Thái Thị Thủy Tiên
Bộ môn sư phạm vật lý - ĐHCT
Tóm lược lịch sử
Hiện tượng phân cực đã bắt đầu được chú ý và nghiên cứu từ năm 1669, sau đó liên tục thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học.
Các thủy thủ sau chuyến đi đến Iceland, khi quay về Copenhagen đã đem theo các tinh thể trong suốt và xinh đẹp, có những đặc tính lý thú: hình ảnh của một vật khi được nhìn qua những tinh thể này sẽ được nhân đôi.
Tóm lược lịch sử
 Năm 1669, nhà toán học, vật lý học người Đan Mạch Erasmus Bartholinus nghiên cứu hiện tượng trên, thực hiện các thí nghiệm và cho xuất bản một tập khảo cứu dày 60 trang mô tả đầy đủ về hiện tượng nhân đôi hình ảnh của một vật khi nhìn vật qua tinh thể
 Đây là tài liệu khoa học đầu tiên về vấn đề phân cực ánh sáng.
Lịch sử nghiên cứu hiện tượng phân cực của ánh sáng
Tóm lược lịch sử
Christiaan Huygens
(1690)
Sir Isaac Newton
(1717)
Thomas Young
(1801)
Etienne-Louis Malus
(1809)
Lịch sử nghiên cứu hiện tượng phân cực của ánh sáng
Tóm lược lịch sử
Dominique Francois
Jean Arago
(1811)
David Brewster
(1812)
Jean-Baptiste Biot
(1812)
AS TỰ NHIÊN – AS PHÂN CỰC
Ánh sáng tự nhiên:
+ Có vectơ E dao động đều đặn theo mọi phương vuông góc với tia sáng.

 Ánh sáng phân cực:
+ ASPC toàn phần : Có vectơ E dao động theo một phương nhất định vuông góc với tia sáng.

+ ASPC một phần : Có E giống ASTN nhưng có phương dao động mạnh, có phương lại dao động yếu.
Hình ảnh minh họa
mp dao động – mp phân cực
Mặt phẳng P chứa và tia sáng gọi là mặt phẳng dao động.
Mặt phẳng Q chứa tia sáng và vuông góc với mp dao động gọi là mặt phẳng phân cực.
Tạo ánh sáng phân cực thẳng
Dụng cụ: bản Tuamalin T1 và T2
Sơ đồ thí nghiệm:
Quan sát hiện tượng:
+ Quay T1 quanh tia sáng thì cường độ AS ra khỏi T1 không đổi
+ Khi giữ nguyên T1, quay T2 quanh tia sáng thì cường độ AS ra khỏi T2 thay đổi tuần hoàn theo góc α giữa O1O1’ & O2O2’ – là 2 quang trục của T1 & T2
+ Khi O1O1’ // O2O2’ thì cường độ AS cực đại
+ Khi O1O1’ vuông góc O2O2’ thì cường độ AS bằng 0
Tạo ánh sáng phân cực thẳng
Giải thích hiện tượng


 AS là sóng ngang, nằm trong mp vuông góc phương truyền
 Bản Tuamalin làm AS bị phân cực thẳng, nó chỉ cho những AS có // quang trục truyền qua, còn AS có vuông góc quang trục thì bị giữ lại.
Cơ sở cần thừa nhận:
GIẢI THÍCH HIỆN TƯỢNG
Giải thích:
 ASTN qua T1 trở thành AS phân cực thẳng, // O1O1’. Ta có AS tới T2 là AS phân cực thẳng.
 Do O1O1’ // O2O2’ nên // O2O2’ : AS này được truyền qua T2 hoàn toàn, ta có cường độ AS cực đại
 Khi đặt T2 vuông góc T1 thì cũng vuông góc T1 : AS này bị giữ lại hoàn toàn, ta có cường độ AS cực tiểu
 Khi O1O1’ tạo với O2O2’ góc α bất kỳ thì chỉ có thành phần của // O2O2’ mới truyền qua được T2, ta có cường độ AS ở khoảng giữa max và min
Định luật Maluýt
- Sau đây, ta sẽ xét định lượng về cường độ AS sau 2 bản.
- Khi qua T1 ASTN thành AS phân cực thẳng có E1 // O1O1’
và đi vào T2
Do O2O2’ tạo với O1O1’ một góc α nên thành phần có biên độ dao động E’2 = E1sinα vuông góc O2O2’ bị giữ lại, còn
thành phần E’’2 = E1cosα song song O2O2’ mới truyền qua được T2. và E’’2 chính là biên độ của vectơ cường độ điện trường sau bản T2
Định luật Maluýt
 Cường độ sáng sau bản T2:
+ Với: I1 = E12 là cường độ sáng sau bản T1
Hay:
Định luật Maluýt
Phát biểu định luật:

“ Khi cho một chùm ánh sáng tự nhiên qua hai bản Tuamalin có quang trục hợp với nhau một góc α thì cường độ sáng nhận được tỉ lệ với cos2 α ”.

Công thức toán học của định luật Maluýt:
Sự phân cực do phản xạ & khúc xạ
- Chiếu một chùm ASTN, song song, đơn sắc lên mặt phân cách giữa 2 môi trường với góc tới θ.

- Sử dụng bản Tuamalin T1 khảo sát AS phản xạ cho thấy nó là AS phân cực một phần, và mức độ phân cực của nó phụ thuộc góc tới θ.

+ Đặc biệt, khi θ = θB thì tia phản xạ là AS phân cực toàn phần. θB gọi là góc Briuxtơ với:




n21 : chiết suất tỉ đối của MT2 đối với MT1
Sự phân cực do phản xạ & khúc xạ
Sự phân cực do phản xạ & khúc xạ
+ Dùng bản Tuamalin T2 khảo sát tương tự với tia khúc xạ người ta thấy rằng tia khúc xạ luôn luôn chỉ là tia phân cực một phần.

Nó có cường độ cực đại khi quang trục của bản T2 song song mp tới.

- Đối với nước (chiết suất 1,333), thủy tinh (chiết suất 1,515) và kim cương (chiết suất 2,417), góc tới hạn (Brewster) tương ứng là 53, 57 và 67,5 độ
- Khi θ = θB thì tia khúc xạ bị phân cực mạnh nhất và vuông góc với tia phản xạ
Sự phân cực do phản xạ & khúc xạ
Sự phân cực AS do lưỡng chiết
 Định nghĩa:

+ Hiện tượng khúc xạ kép.
+ Biểu hiện khi chiếu một tia sáng vào một số tinh thể như thạch anh, đá băng lan,.. Tia sáng đó sẽ bị tách thành 2 tia.
1. Hiện tượng lưỡng chiết
Sự phân cực AS do lưỡng chiết
- Để nghiên cứu hiện tượng lưỡng chiết, người ta xét tinh thể đá băng lan.

Tinh thể đá băng lan: Iceland spar, calcite spath
Hợp chất: CaCO3
Sự phân cực AS do lưỡng chiết
- Thực nghiệm cho thấy tia sáng sau khi qua tinh thể bị tách thành hai tia: tia thường & tia bất thường, cả hai đều là AS phân cực toàn phần.
+ Tia thường & tia bất thường đều là AS phân cực toàn phần.
Sự phân cực AS do lưỡng chiết
 Thay đổi góc tới θ, đo các góc khúc xạ ro, re của tia thường & tia bất thường, ta có:
+ Với tia thường:



+ Với tia bất thường:
Sự phân cực AS do lưỡng chiết
Ta có:
Từ 2 biểu thức trên cho thấy: vận tốc của tia thường không thay đổi theo phương, còn vận tốc của tia bất thường thì thay đổi theo phương.
 Tinh thể dương: ve < v0 hay ne > n0
 Tinh thể âm: ve > v0 hay ne < n0
 Tinh thể đơn trục: tinh thể chỉ có một quang trục
VD: thạch anh, đá băng lan,…
 Tinh thể lưỡng trục: tinh thể có hai quang trục theo 2 hướng khác nhau.
VD: mica, gipxơ,…
 Lưu ý: Tia sáng qua tinh thể lưỡng trục cũng bị tách thành hai tia phân cực toàn phần, tuy nhiên cả hai tia đều là tia bất thường.
Sự phân cực AS do lưỡng chiết
Sự phân cực AS do lưỡng chiết
2. Mặt sóng trong tinh thể đơn trục:
+ Tia thường có bề mặt sóng là hình cầu.
+ Tia bất thường có bề mặt sóng là hình ellipsoid tròn xoay có trục quay song song với quang trục của tinh thể.
Sự phân cực AS do lưỡng chiết
3. Cách xác định tia thường & tia bất thường:

- AD nguyên lý Huyghen vẽ các mặt sóng thực ứng với tia thường & tia bất thường tại cùng một thời điểm.
- Phương truyền của tia thường chính là đường nối điểm nguồn thứ cấp với tiếp điểm giữa mặt sóng thứ cấp & mặt sóng thực ứng với tia o.
- Phương truyền của tia bất thường chính là đường nối điểm nguồn thứ cấp với tiếp điểm giữa mặt sóng thứ cấp & mặt sóng thực ứng với tia e.
Sự phân cực AS do lưỡng chiết
 Trường hợp 1: quang trục nghiêng một góc so với mặt tinh thể



Sự phân cực AS do lưỡng chiết
 Trường hợp 2: chùm sáng & quang trục đều vuông góc với mặt AB của tinh thể
Sự phân cực AS do lưỡng chiết
 Trường hợp 3: chùm sáng vuông góc với mặt tinh thể còn quang trục song song với mặt đó
Các loại kính phân cực
 Định nghĩa:
+ Kính phân cực là dụng cụ biến ASTN thành AS phân cực
 Kính phân cực ( trong chương trình ) gồm:
1. Bản thủy tinh hấp thụ không đều
3. Lăng kính ghép đá băng lan & thủy tinh
2. Lăng kính Nicôn
4. Lăng kính ghép từ hai lăng kính đá băng lan
AS phân cực Elip & phân cực tròn
1. Định nghĩa:
- AS có mút vectơ chuyển động trên 1 elíp (hay đường tròn) được gọi là AS phân cực elíp (hay phân cực tròn).

2. Cách tạo ra AS phân cực elíp hay phân cực tròn:
- Xét 1 bản tinh thể bề dày d & quang trục như hình bên.
AS phân cực Elip & phân cực tròn
α
o
- Tia sáng chiếu vào tinh thể có vectơ CĐĐT hợp với quang trục góc α, khi vào bản tia sáng bị tách thành tia thường & tia bất thường.
AS phân cực Elip & phân cực tròn
+ Tại điểm M sau bản, hiệu quang trình của 2 tia là:
Lo – Le = (no – ne)d
+ Dao động sáng của 2 tia có hiệu số pha là:



Với λ là bước sóng AS trong chân không.
+ Dao động sáng tổng hợp sau bản có vectơ CĐĐT là:

AS phân cực Elip & phân cực tròn
+ Do & vuông góc nhau nên ta có dao động tổng hợp sẽ có dạng elip, nghĩa là mút chuyển động trên 1 elip có pt:
 x,y: độ dời dao động của &
 a1, a2: biên độ tương ứng của chúng.
a1=Acosαt ; a2=Asinαt
 A: biên độ của vectơ trước khi vào bản.
AS phân cực Elip & phân cực tròn
Xét các trường hợp đặc biệt:

 Trường hợp bản một phần tư bước sóng
 Trường hợp bản nửa bước sóng
 Trường hợp bản một bước sóng
ÁS phân cực trên động vật
 Ánh sáng phân cực gần như vô hình trước mắt người nhưng đối với một số loài bướm thì không như vậy!
 Bướm Heliconius cái ở trung và Nam Mỹ có khả năng làm phân cực ánh sáng.
 Ánh sáng bị phân cực phát ra từ loài bướm này có khả năng hấp dẫn “bạn tình”_những con bướm H.c. đực.
Bướm Heliconius cydno
Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực
38
Ứng dụng
Hiện tượng phân cực hiện diện rộng khắp trong tự nhiên: cầu vồng, ánh sáng phản xạ trên mặt hồ, trên mặt đường,...
Được các sinh vật sử dụng: bạch tuộc, ong,...
Được con người sử dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày: kính mát, màn hình tinh thể lỏng, kính hiển vi phân cực,...
Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực
39
Môi trường dị hướng - Tinh thể
Môi trường dị hướng: môi trường có tính chất thay đổi theo phương. VD: tính đàn hồi, biến dạng trượt, độ cứng, tính dẫn nhiệt, từ tính, quang tính,...
Vật chất tồn tại dưới các trạng thái rắn, lỏng, khí, plasma.
Vật chất ở trạng thái rắn có thể thuộc:
Trạng thái vô định hình:
Trạng thái kết tinh (tinh thể): các phân tử, nguyên tử cấu tạo nên vật chất được sắp xếp theo những trật tự xác định, đồng nhất trong không gian.
Phần lớn tinh thể có tính dị hướng.
Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực
40
Vài cấu trúc tinh thể
Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực
41
Tinh thể thạch anh
Tinh thể thạch anh: Quartz
Hợp chất: SiO2
Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực
42
Tinh thể đá băng lan
Tinh thể đá băng lan: Iceland spar, calcite spath
Hợp chất: CaCO3
Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực
43
Hiện tượng lưỡng chiết
Hiện tượng lưỡng chiết: double refraction, birefringence.
Nguyên nhân: do tương tác giữa sóng điện từ và môi trường dị hướng. Một tia sáng truyền qua tinh thể thì trở thành hai tia phân biệt.
Kết quả: có hai ảnh của cùng một vật.
Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực
44
Một số hình ảnh
Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực
45
Hình ảnh (tt)
Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực
46
Bề mặt sóng trong môi trường dị hướng
Khi ánh sáng truyền trong môi trường dị hướng, chúng sẽ truyền với các vận tốc khác nhau theo các phương khác nhau.
Quang trục: những phương đặc biệt trong tinh thể mà ánh sáng khi truyền theo phương này thì giống như khi truyền trong môi trường đẳng hướng.
Tia thường có bề mặt sóng là hình cầu.
Tia bất thường có bề mặt sóng là hình ellipsoid tròn xoay, trục đối xứng tròn xoay là trục quang học.
Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực
47
Công thức của ellipsoid tròn xoay
Hình cầu trong hệ toạ độ Oxyz có dạng:



Ellipsoid tròn xoay trong hệ Oxyz có dạng:
Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực
48
Hình ảnh của các bề mặt sóng
Tia thường: sóng cầu
Tia bất thường: ellipsoid tròn xoay
Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực
49
Bề mặt sóng trong tinh thể dương
Trong tinh thể dương: (thạch anh,...)
no< ne
nên vo > ve
Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực
50
Bề mặt sóng trong tinh thể âm
Trong tinh thể âm: (đá băng lan,...)
no> ne
nên vo < ve
Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực
51
Một vài ví dụ
Vẽ bề mặt sóng của tia thường và tia bất thường trong tinh thể đá băng lan.
Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực
52
Một vài ví dụ
Vẽ bề mặt sóng của tia thường và tia bất thường trong tinh thể đá băng lan.
Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực
53
Củng cố
Khi nhìn một vật qua tinh thể dị hướng, tuỳ theo góc độ ta sẽ thấy hai ảnh của vật. Vậy ta có thể xoay tinh thể để chỉ nhìn thấy một ảnh của vật hay không?
Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực
54
Củng cố
Khi ánh sáng phản xạ trên một bề mặt điện môi như thủy tinh, mặt nước, mặt đường, tuyết,... Ánh sáng sẽ bị phân cực theo hướng .......(song song, vuông góc) với bề mặt phản xạ?
Cặp kính mát nào phù hợp để nhìn thấy rõ các vật trong các ánh sáng phản xạ ấy? (Trục phân cực được biểu diễn bằng các đường sọc)
Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực
55
Tài liệu tham khảo
Microsoft Encarta 2004
www.physicsclassroom.com
http://polarization.com
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hph.html
Tìm kiếm trên www.google.com.vn với từ khóa polarization, iceland spath, quartz, crystal, double refraction, birefringence,...

Một số dụng cụ phân cực ánh sáng