Bài giảng Sự phân cực của ánh sáng - Trương Tinh Hà

5/12/2010 Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực 1 Sự phân cực của ánh sáng (1) Th.S Trương Tinh Hà Khoa Vật Lý - Trường Đại Học Sư Phạm TP.HCM Website: tinhha.centea.org Email: ttinhha@yahoo.com Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực 2 Nội dung nghiên cứu „ Sự phân cực là gì? „ Mô hình nghiên cứu „ Sự phân cực: bản chất & nguyên nhân „ Tóm lược lịch sử phát hiện và nghiên cứu hiện tượng „ Ứng dụng „ Môi trường dị hướng - Tinh thể „ Môi trường dị hướng „ Tinh thể là gì? - Tinh thể thạch anh và đá băng lan „ Hiện tượng lưỡng chiết „ Bề mặt sóng trong môi trường dị hướng „ Quang trục „ Công thức của một ellipsoid tròn xoay „ Hình ảnh của các bề mặt sóng „ Một vài ví dụ Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực 3 Tất cả các hiện tượng quang học đang được biết đến hiện nay bao gồm luôn cả tương tác với nguyên tử, phân tử và vật rắn Lý thuyết lượng tử của electron Điện động lực lượng tử Quang học sóng điện từ Trường ánh sáng và tương tác với vật chất Giao thoa, nhiễu xạ và tạo ảnh không tính đến sự phân cực Quang học sóng Truyền và tạo ảnh qua vật có kích thước >>λ Quang học tia Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực 4 Sự phân cực là gì? „ Mô hình nghiên cứu: dựa trên lý thuyết sóng điện từ (electromagnetic wave theory) Ö ánh sáng là sóng điện từ. „ Sự phân cực (Polarization): hiện tượng vector dao động bị giới hạn phương dao động. „ Ánh sáng tự nhiên: Vector E dao động theo mọi phương „ Ánh sáng phân cực: Phương dao động của vector E không còn tính đối xứng xung quanh phương truyền nữa. Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực 5 Sự phân cực là gì? „ Nguyên nhân: do ánh sáng (sóng điện từ) tương tác với môi trường vật chất. „ Có nhiều phương pháp làm phân cực ánh sáng: „ Phản xạ (Reflection) „ Khúc xạ (Refraction) „ Sự truyền qua (Transmission) „ Tán xạ (Scattering) Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực 6 Minh họa Sóng điện từ lan truyền theo phương Ox Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực 7 Minh họa Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực 8 Minh họa Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực 9 Tóm lược lịch sử (1) „ 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. Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực 10 Tóm lược lịch sử (2) „ 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 Ö Tài liệu khoa học đầu tiên về vấn đề phân cực. Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực 11 Lịch sử nghiên cứu hiện tượng phân cực của ánh sáng Tóm lược lịch sử (3) Christiaan Huygens (1690) Sir Isaac Newton (1717) Thomas Young (1801) Etienne-Louis Malus (1809) Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực 12 Lịch sử nghiên cứu hiện tượng phân cực của ánh sáng Tóm lược lịch sử (4) Dominique Francois Jean Arago (1811) David Brewster (1812) Jean-Baptiste Biot (1812) Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực 13 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 14 Tóm tắt Các phát hiện về sự phân cực -Nghiên cứu -Ứng dụng Lý thuyết sóng điện từ Giải thích Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực 15 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 16 Vài cấu trúc tinh thể Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực 17 Tinh thể thạch anh „ Tinh thể thạch anh: Quartz „ Hợp chất: SiO2 Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực 18 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 19 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 20 Một số hình ảnh Hình ảnh (tt) Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực 22 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 23 Công thức của ellipsoid tròn xoay „ Hình cầu trong hệ toạ độ Oxyz có dạng: „ Ellipsoid tròn xoay trong hệ Oxyz có dạng: 12 2 2 2 2 2 =++ a z a y a x 12 2 2 2 2 2 =++ b z a y a x Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực 24 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 25 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 26 Bề mặt sóng trong tinh thể âm „ Trong tinh thể âm: (đá băng lan,...) no> ne nên vo < ve Maple 8 Worksheet File Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực 27 Một vài ví dụ Vẽ bề mặt sóng của tia thường và tia bất thường trong tinh thể đá băng lan. ωo ωe Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực 28 Một vài ví dụ Vẽ bề mặt sóng của tia thường và tia bất thường trong tinh thể đá băng lan. ωo ωe Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- Phân cực 29 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 30 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 31 Tài liệu tham khảo „ Microsoft Encarta 2004 „ www.physicsclassroom.com „ „ astr.gsu.edu/hbase/hph.html „ Tìm kiếm trên www.google.com.vn với từ khóa polarization, iceland spath, quartz, crystal, double refraction, birefringence,...