![]()
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ. ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА. Теоретические сведения2. ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА
Приборы и принадлежности – оптическая скамья, рейтеры, осветитель с регулируемым источником питания, поляроиды, черное зеркало с фоторезистором, стопы пластин с фоторезистором, фоторезистор, микроамперметр, экран.
Цель работы – изучение явления поляризации естественного света, проверка законов Малюса и Брюстера. Теоретические сведения С точки зрения электромагнитной теории свет представляет собой поперечную электромагнитную волну, в которой колебания векторов напряженности электрического и магнитного полей происходят перпендикулярно направлению распространения света (рис. 2.2). Е и Н – вектора напряженности соответственно электрического и магнитного полей; С – вектор скорости распространения волны.
Свет со всеми возможными ориентировками вектора Е (а следовательно, и вектора Н) называется естественным (рис. 2.3а). В естественном свете колебания различных направлений представлены с равной вероятностью (рис. 2.3). Поляризованный свет – свет, в котором направления колебания вектора E каким-либо образом упорядочены. Частично поляризованный свет (рис. 2.3б) – свет с преимущественным направлением колебаний вектора E.
Плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора Е и направление распространения волны, называется плоскостью поляризации.
Естественный свет можно преобразовать в плоскополяризованный, используя так называемые поляризаторы, пропускающие колебания только определенного направления. Любой поляризатор может служить и анализатором, который предназначен для определения, поляризован свет или нет. В качестве поляризаторов и анализаторов используются пластина турмалина, поляроидные пленки, стопа Столетова, призма Николя и др. Поставим на пути естественного света два поляроида, оси пропускания которых развернуты друг относительно друга на угол φ.
Рис. 2.5. Поляризация естественного света с помощью поляроида
После второго поляроида останется лишь вектор EII, параллельный P'P' его плоскости пропускания: E׀׀ = E1cosj. Так как интенсивность света I ~ E2, то после второго поляроида интенсивность будет I = I1×cos2j, (2.1) где E1 – интенсивность перед вторым поляроидом. Полученное соотношение между интенсивностями носит название закона Малюса. Если E1 выразить через I0, то закон Малюса примет вид
Закон Малюса строго выполняется лишь для идеальных поляроидов – поляризатора и анализатора. Если эти поляроиды частично пропускают свет с вектором E, перпендикулярным осям пропускания, то после поляризатора свет будет частично поляризован. Идеальный поляризатор при PP параллельном P'P' пропустит свет интенсивностью Imax, а при PP перпендикулярной P'P' – свет интенсивностью Imin. Степенью поляризации частично-поляризованного света называется величина Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлектриков, то отраженный и преломленный лучи являются частично поляризованными. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения, а в преломленном – колебания, лежащие в плоскости падения.
Если угол падения равен углу Брюстера, который определяется соотношением tg iB = n21, (2.3) то отраженный луч является плоскополяризованным. Преломленный луч в этом случае поляризуется максимально, но не полностью. При этом отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны:
Пусть угол падения i таков, что отраженный луч перпендикулярен преломленному, т.е. r = π/2 – iB. Это условие называют условием Брюстера (рис. 2.6), а угол – углом Брюстера (iB).
Рис. 2.7.Схематичное изображение законов отражения и преломления
Используя закон преломления При выполнении условия Брюстера
Таким образом, при выполнении условия Брюстера, отраженный свет будет полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. Это утверждение носит название закона Брюстера. Закон Брюстера имеет простое объяснение. Отраженная световая волна появляется за счет излучения электронов среды, совершающих вынужденные колебания под действием вектора
Рис. 2.8.Диаграмма направленности излучения
На рис. 2.8 изображена диаграмма направленности излучения, возбужденного вектором Если вектор
Рис. 2.9.Диаграмма направленности излучения Задание I.Проверка закона Малюса 1. Установить приборы на оптической скамье согласно рис. 2.10.
Рис. 2.10.Установка приборов на оптической скамье: 1 – осветитель, 2 – поляризатор, 3 – анализатор, 4 – фоторезистор
2. Подключить фоторезистор к микроамперметру. 3. Включить осветитель на максимальную мощность. 4. Установить угол между осями поляризации (пропускания) поляризатора и анализатора j = 00. Для этого, вращая анализатор, добиться максимального значения фототока. При этом величины углов на угловой шкале поляризатора и анализатора должны быть одинаковыми. 5. Вращая анализатор, менять угол через каждые 100 до 1800, записать соответствующие показания микроамперметра в табл. 2.1. 6. Построить график экспериментальной зависимости отношения 7. Построить график зависимости 8. Сделать выводы. Таблица 2.1
Задание II.Проверка закона Брюстера Поскольку отраженный от диэлектрической пластинки свет частично (или даже полностью) поляризован, проходящий свет также частично поляризуется и становится смешанным светом. Преимущественные колебания электрического вектора в прошедшем свете будут совершаться в плоскости падения. Максимальная, но не полная поляризация проходящего света достигается при падении под углом Брюстера. Для увеличения степени поляризации проходящего света используют стопу стеклянных пластинок, расположенных под углом Брюстера к падающему свету. В этом случае можно получить практически полностью поляризованный проходящий свет, так как каждое отражение ослабляет пропущенные колебания, перпендикулярные плоскости падения. Упражнение 1. Проверка закона Брюстера с помощью черного зеркала. 1.
Рис. 2.11.Расположение приборов на оптической скамье: 1 – осветитель, 2 – поляризатор, 3 – анализатор, 4 – черное зеркало с фоторезистором 2. Подключить фоторезистор черного зеркала к микроамперметру. 3. Включить осветитель на максимальную мощность. 4. Установить углы на угловой шкале поляризатора и анализатора на 0°. 5. Установить угловую шкалу на черном зеркале на отметке 90°. 6. Вращая угловую шкалу на черном зеркале с изменением угла a через каждые 10°, зафиксировать значения тока I1 на микроамперметре. 7. Не меняя расположения приборов, установить 90° на угловой шкале поляризатора и анализатора. 8. Вращая угловую шкалу на черном зеркале, изменяя угол a через каждые 10°, зафиксировать значения тока I2 на микроамперметре. 9. Результаты измерений занести в табл. 2.2. 10. Построить график зависимости фототока I1 и I2 от угла падения i на одном графике. 11. Определить угол Брюстера и рассчитать показатель преломления стекла черного зеркала. 12. Сделать соответствующие выводы. Таблица 2.2
Дополнительное задание к упражнению 1 1. Установить на оптической скамье приборы согласно рис. 2.12.
Рис. 2.12.Приборы на оптической скамье: 1 – осветитель, 2 – поляризатор, 3 – черное зеркало с фоторезистором
2. Подключить фоторезистор черного зеркала к микроамперметру. 3. Включить осветитель на максимальную мощность. 4. Установить на угловой шкале поляризатора угол 180°. 5. Установить угловую шкалу на черном зеркале под углом Брюстера. 6. Вращая угловую шкалу поляризатора, изменяя угол b через каждые 10°, фиксируя значения фототока на микроамперметре. 7. Результаты измерений занести в табл.2.3. 8. Построить график зависимости 9. Построить график зависимости 10. Сделать соответствующие выводы. Таблица 2.3
Упражнение 2. Исследование поляризации света с помощью стеклянных пластин. 1. Установить на оптической скамье приборы согласно рис. 2.13.
Рис. 2.13. Расположение приборов на оптической скамье: 1 – осветитель, 2 – поляризатор, 3 – стопа пластин, 4 – фоторезистор
2. Подключить фоторезистор к микроамперметру. 3. Включить осветитель на максимальную мощность. 4. Установить на угловой шкале поляризатора угол 0°. 5. Установить угловую шкалу на стопе стеклянных пластин под углом 90°. 6. Вращая угловую шкалу стопы стеклянных пластин с изменением угла a через каждые 10°, фиксировать значения фототока I1 на микроамперметре. 7. Результаты измерений занести в табл. 2.4. 8. Установить на угловой шкале поляризатора угол 90°. 9. Повторить пункт 6, фиксируя значения фототока I2 на микроамперметре. 10. Результаты измерений занести в табл. 2.4. 11. Построить зависимости фототоков I1, I2, DI от угла падения луча i на стопу стеклянных пластин на одном графике. 12. По графику определить угол Брюстера и рассчитать показатель преломления для стекла стопы пластин. 13. Сделать соответствующие выводы. Таблица 2.4
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|