Ánh sáng truyền qua một tấm phẳng song song

36

Ánh sáng truyền qua một tấm phẳng song song

Có vẻ như điều gì có thể đơn giản hơn thiết kế mặt phẳng của chiếc đĩa? Trong sách giáo khoa vật lý tiểu học, một số từ được dành cho nó: một tia sáng truyền qua một tấm song song với vật tới và chỉ dịch chuyển một chút so với nó. Trong khi đó, những hiện tượng có thể quan sát được khi ánh sáng truyền qua một tấm kim loại lại vô cùng thú vị. Chúng đã được các nhà nghiên cứu nghiên cứu trong nhiều thế kỷ và hiện được sử dụng rộng rãi trong khoa học và công nghệ. Ví dụ, các tấm parella phẳng mỏng (con voi) được sử dụng trong các bộ lọc giao thoa và gương. Giao thoa kế, một trong những dụng cụ quang học chính xác nhất, không thể chế tạo được nếu không có các tấm kim loại.

Để hiểu được sự đa dạng và vẻ đẹp của các hiện tượng quang học xảy ra trong một tấm parella phẳng, chúng ta hãy xem xét thí nghiệm sau*). Giả sử tấm kim loại được chiếu sáng bởi một chùm tia phân kỳ. Bề mặt dưới của tấm mờ và nguồn sáng chính xác tạo ra chùm tia phân kỳ nằm bên trong tấm trên bề mặt này (Hình 1). Rõ ràng là một chùm ánh sáng từ một nguồn không thể thoát ra khỏi tấm hoàn toàn: các tia tới trên mặt phân cách thủy tinh-không khí ở một góc bằng hoặc lớn hơn giới hạn sẽ bị phản xạ hoàn toàn ở mặt trên của tấm và quay trở lại mặt dưới. Vì bề mặt của tấm mờ nên ánh sáng chiếu vào nó sẽ bị tán xạ - bề mặt sẽ được chiếu sáng. Nếu, trong những điều kiện này, người ta nhìn vào tấm phẳng-parella trong ánh sáng, người ta sẽ thấy một điểm sáng—nguồn sáng S—được bao quanh bởi một vòng ánh sáng yếu bằng cách cắt đứt ranh giới bên trong.

Hãy tính đường kính trong D của vòng sáng (hoặc đường kính ngoài của vòng tối). Theo định luật khúc xạ (xem Hình 1) sinα/sinβ=n2/n1, trong đó n1, n2 là sự tương ứng giữa chiết suất abscid của tấm và môi trường phía trên bề mặt trên của nó. Góc tới α được gọi là giới hạn nếu góc khúc xạ β bằng π/2. Do đó, góc tới giới hạn có thể được tìm thấy từ sự tương ứng sinαpr=n2/n1. Từ tam giác SAB sinαpr=SB/SA=D/4/√h²+D²/16. Loại trừ góc αpr khỏi hai công thức cuối cùng, chúng ta thu được

$$\frac{n_1}{n_2} = \frac{\sqrt{D^2 + 16 h^2}}{D} = \sqrt{1 + 16 \frac{h^2}{D^2}}.$$

Cơm. 1.

37

thì $n_2 = 1$. Khi đó đường kính trong của bóng đèn lần lượt liên hệ với chiết suất của tấm $n = n_1$ và độ dày của nó $h$

$$D = \frac{4h}{\sqrt{n^2 - 1}}.$$

Sử dụng công thức thu được, bạn có thể xác định một trong ba đại lượng có trong đó bằng cách đo hai đại lượng còn lại. Tất nhiên, tầm quan trọng thực tế là việc xác định chiết suất của vật liệu tấm.

Bây giờ hãy kiểm chứng bằng thực nghiệm sự tồn tại của hiện tượng dự đoán và kiểm tra công thức (*). Để bán buôn, bạn có thể sử dụng các tấm phẳng song song làm bằng thủy tinh hoặc tấm mica có độ dày ít nhất 2 mm. Một bề mặt của tấm cần được làm mờ, tạo thành

Cơm. 2. Chi tiết bố trí thí nghiệm: 1 - một cái đĩa có bề mặt mờ, 2 - một bóng đèn gắn trong hộp diêm, 3 - một nắp hộp (để ánh sáng chiếu qua khe của hộp diêm không cản trở việc quan sát, người ta dán một mảnh giấy đen vào nắp).

Cơm. 3.

chà nhám bằng giấy hoặc sơn một lớp sơn trắng mỏng. Tất cả những gì còn lại là bằng cách nào đó “đưa” nguồn sáng chính xác vào bên trong tấm. Nó không khó để làm điều đó. Thật vậy, nếu một chùm ánh sáng hẹp được chiếu vào bề mặt mờ của tấm hoặc từ phía trên, thì một vùng được chiếu sáng nhỏ của bề mặt này sẽ khuếch tán ánh sáng bên trong tấm theo mọi hướng, tức là hoạt động như một nguồn sáng chính xác.

Hãy lắp ráp thiết lập thử nghiệm (Hình 2). Đặt một bóng đèn làm đèn pin bên trong hộp diêm và cố định nó ở vị trí thẳng đứng bằng nhựa dẻo. Chúng tôi nối các dây từ bóng đèn xuyên qua các lỗ trên thành hộp với pin. Hãy đóng nắp hộp lại và dùng kim chọc một lỗ tròn nhỏ phía trên dây tóc bóng đèn. Otgularium là vị trí của đèn trong hộp diêm sao cho thu được nguồn sáng “chính xác” (không chắc có thể chọc thủng lỗ chính xác phía trên sợi chỉ nên cần có bộ điều chỉnh). Đặt tấm nhựa phẳng song song lên hộp với mặt mờ hướng xuống dưới.

Nếu bạn nhìn tấm đĩa từ trên cao trong bóng tối hoàn toàn, bạn sẽ thấy bóng đèn sáng (xung quanh chính xác nguồn sáng) mà lý thuyết dự đoán.

Trải nghiệm có thể được thay đổi một chút. Chúng ta hãy làm các cạnh của đĩa cao khoảng 5 mm dọc theo chu vi của đĩa và đổ một lớp nước mỏng lên bề mặt đĩa. (Đĩa phải sạch để nước phủ đều toàn bộ bề mặt của nó.) Đồng thời, xung quanh điểm phát sáng xuất hiện một bóng đèn thứ hai, có đường kính lớn hơn bóng đèn thu được khi không có nước. Bình thứ nhất nếu lớp nước mỏng thì có cùng đường kính như trường hợp không có nước.

Không khó để giải thích sự xuất hiện của chiếc bình thứ hai. Tia sáng

38

Trong thí nghiệm này, người ta trải nghiệm sự phản xạ toàn phần từ bề mặt phân cách thủy tinh-nước (Hình 3). Ánh sáng đầu tiên xung quanh nguồn đến từ đâu? Thật hợp lý khi cho rằng sự xuất hiện của nó được giải thích bằng sự phản xạ hoàn toàn ánh sáng từ ranh giới nước-không khí. Nếu giả định này đúng thì đường kính của vòng sáng đầu tiên sẽ phụ thuộc vào độ dày của lớp nước phía trên tấm. Hãy kiểm tra xem nó ra.

Nếu hoàn toàn không có nước, có thể nhìn thấy một vết gai nhẹ (Hình 4; thật không may, vòng tròn tối ở trung tâm nơi đặt nguồn không nhìn thấy rõ lắm; khi độ dày của tấm tăng lên, điều kiện quan sát sẽ được cải thiện). Chúng ta sẽ dần dần thêm nước vào cuvet được tạo thành bởi một tấm có các cạnh dạng tấm. Trong trường hợp này, kích thước của vòng sáng thứ nhất tăng lên, trong khi đường kính của vòng sáng thứ hai không thay đổi (Hình 5). Lúc đầu, vết cắt đầu tiên nhỏ hơn vết cắt thứ hai (xem Hình 5a), sau đó nó được kết hợp với vết cắt thứ hai và cuối cùng, trở nên lớn hơn vết cắt thứ hai (xem Hình 56). Vậy giả định đưa ra là đúng.

Để kết luận, chúng ta hãy nhìn vào kinh nghiệm này. Trên hộp diêm, chúng tôi đặt một mảnh giấy paniro (hoặc loại giấy trắng mỏng khác), giúp tán xạ ánh sáng một cách hoàn hảo. Đặt một tấm kính kín khí lên trên (không có bề mặt mờ). Hãy bật bóng đèn lên. Đồng thời, cùng với vòng sáng có đường viền bên trong rõ ràng bao quanh nguồn, chúng ta sẽ thấy một vòng tròn ánh sáng có đường viền bên ngoài sắc nét (Hình 6)!

Kết quả có phần bất ngờ này được giải thích là do nguồn sáng bây giờ không nằm ở bên trong mà ở bên ngoài tấm. Chúng tôi để lại lời giải thích chi tiết về trải nghiệm để bạn tự mình thử.

Bài tập

1. Sử dụng công thức (*), xác định bằng thực nghiệm chiết suất của thủy tinh và thủy tinh plexi.
2. Đo chiết suất của chất lỏng trên bề mặt có lớp lót.