Задача: 1) визуально определить направление разрешенной плоскости колебаний у поляроидов (поляризаторов) icon

Задача: 1) визуально определить направление разрешенной плоскости колебаний у поляроидов (поляризаторов)


Смотрите также:
Задача Определить расстояние от точки d до прямой ав...
Тема урока: Колебательное движение. Гармонические колебания. Амплитуда, период, частота...
Поляризация рассеянного света...
Задача К1 содержит две задачи К1а и К1б, которые необходимо решить...
Урока
Динамика гравитационной системы спутник-стабилизатор на круговой и эллиптической орбитах...
Учебно-методический комплекс дисциплины математика (наименование дисциплины)...
Задача №2
«рынок транспортных услуг» Задача 1...
Лабораторная работа 3-5...
Задачи: Определить понятие анималистического образа в художественном произведении...
Календарный план занятий на осенний семестр 2006/2007 уч года в группах 1 курса на факультетах а...



Загрузка...
скачать




Цель работы: ознакомиться с методами получения линейно поляризованного света и исследовать его свойства.

Задача: 1) визуально определить направление разрешенной плоскости колебаний у поляроидов (поляризаторов);

2) определить угол Брюстера у диэлектриков: эбонита и стекла;

3) проверить закон Малюса.

Приборы и принадлежности: оптическая скамья с осветителем (30)* , два поляроида (36-I; 36-П), черное эбонитовое зеркало (42), стопа из 12 стеклянных пластинок (37), фотоприемники (фоторезисторы) (Пр. 1, Пр. 2, Пр. 3); блок питания осветителя (БП-1); фоторегистрирующее устройство (УФР).

ВВЕДЕНИЕ



Как известно, свет – это электромагнитные волны. Электромагнитные волны являются поперечными волнами. Это означает, что электрический вектор и магнитный вектор этой волны

р
Рис. 1. Электромагнитная волна
асполагаются в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (на рис. 1 вектору скорости ). В дальнейшем мы будем для простоты рассматривать только вектор , так как в волне , и всегда, зная , можно однозначно определить .

Свет обычно излучается атомами (молекулами) нагретого вещества. Волны (цуги волн) испускаются громадным числом атомов источника независимо друг от друга, т.е. с разными фазами и с разными ориентациями векторов в пространстве. Ориентация вектора в результирующей волне поэтому хаотически и быстро изменяется (за τ = 10 – 8 с) в пространстве. Так что в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, все направления оказываются равновероятными, т.е. нет выделенного направления колебаний вектора в пространстве. Говорят, что в этом случае колебания являются неупорядоченными. Такой свет называется естественным или неполяризованным.

_________

* Номер указан на каждом элементе оптической схемы

Н

а рис. 2 показана структура неполяризованного света в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света.


Рис. 2. Естественный свет. Волна распространяется перпендикулярно плоскости рисунка
При помощи специальных приспособлений (поляризаторов) естественный свет можно превратить в линейно поляризованный или плоскополяризованный свет. В линейно поляризованной световой волне вектор не изменяет с течением време-

ни своей ориентации. На рис. 3, а показано выделенное в пространстве (в одной плоскости) направление колебаний вектора . Поэтому такая волна

н
а

б



в

Рис. 3. Линейно поляризованный свет (а, б); частично поляризованный (в)


азывается плоскополяризованной. В плоскости перпендикулярной направлению распространения волны (перпендикулярной оси х на рис. 3, б) вектор будет колебаться вдоль одной прямой. Поэтому такой свет называется еще линейно поляризованным.

Наиболее общим типом поляризации является эллиптическая поляризация. В эллиптически поляризованной световой волне конец вектора (в данной точке пространства) описывает некоторый эллипс в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Линейно поляризованный свет можно рассматривать как частный случай эллиптически поляризованного света, когда эллипс

поляризации вырождается в отрезок прямой линии; другим частным случаем является круговая поляризация – эллипс поляризации превращается в окружность.

Таким образом, поляризованный свет – это электромагнитная волна, у которой каким-либо образом упорядочены колебания .

Опишем несколько методов получения линейно поляризованного света.


1). Отражение света от диэлектрической пластинки

При падении естественного света на диэлектрик отраженный от диэлектрика свет чаще всего бывает частично поляризованным (см. рис. 3, в) то есть имеется преимущественное направление колебаний . 100 %-я линейная поляризация отраженного света достигается только при падении естественного света под углом Брюстера (рис. 4), который определяется соотношением

, (1)

где i – угол падения света на диэлектрик (iВ – угол Брюстера); n12 – относительный показатель преломления диэлектрика, , здесь n2 – абсолютный показатель преломления диэлектрика, n1 – показатель преломления среды, в которую помещен диэлектрик (для воздуха n1 ≈ 1). Плоскость колебаний электрического вектора в отраженном свете при его полной (100%-ой) поляризации перпендикулярна плоскости падения. На рис. 4 эти колебания обозначены точками.

В данной работе исследуются диэлектрики: полированная эбонитовая пластинка и набор стеклянных пластинок.




Н
Рис. 4. Поляризация света при отражении и преломлении
а рис. 4 угол падения равен iВ. Отраженный луч поляризован полностью, колебания перпендикулярны плоскости падения (точки). Преломленный луч частично поляризован, преобладают колебания, параллельные плоскости (стрелки). В падающем естественном свете нет преимущественного направления колебаний (точек и стрелок одинаковое количество).


2). Преломление света в стеклянной пластинке

Поскольку отраженный от диэлектрической пластинки свет оказывается частично (или даже полностью при угле Брюстера) поляризованным, то проходящий через пластинку преломленный луч также частично поляризуется. Максимальная (но не 100%-ая) поляризация проходящего света достигается при падении естественного света под углом Брюстера. Для увеличения степени поляризации проходящего (преломленного) света используют стопу стеклянных пластинок (иногда ее называют стопой Столетова). В стопе Столетова при падении естественного света под углом Брюстера в результате многократных отражений и преломлений отраженный и преломленный пучки имеют 100 %-ую поляризацию и примерно одинаковые интенсивности, равные половине интенсивности естественного света. Для одной пластинки интенсивность отраженного света мала и составляет несколько процентов от интенсивности падающего света.

3) Преломление света в двупреломляющих кристаллах (рис. 5)

Некоторые кристаллы (анизотропные) обладают свойством двойного лучепреломления. Преломляясь в таком кристалле, световая волна может разделяться на две линейно поляризованные волны со взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний – обыкновенную о и необыкновенную е. Убирая один из лучей, вышедших из кристалла, можно получить на выходе один линейно поляризованный луч – так устроена, например, поляризационная призма Николя или просто николь.


необыкн. луч





обыкн. луч

кристалл

луч

естеств. света



Рис. 5. Образование двух линейно поляризованных волн при прохождении естественного света через двупреломляющий кристалл


4). Поглощение света в дихроических пластинках

У некоторых двупреломляющих кристаллов коэффициенты поглощения света для двух линейно поляризованных волн, распространяющихся в кристалле, отличаются настолько сильно, что уже при небольшой толщине кристалла один из лучей гасится в нем практически полностью, и из кристалла выходит один поляризованный пучок света. Это явление носит название дихроизма. В настоящее время дихроические пластинки изготавливаются в виде тонких пленок – поляроидов.

В данной работе в качестве поляризаторов используются поляроиды и стопа стеклянных пластинок.


ЧАСТЬ I


^ ИССЛЕДОВАНИЕ ОТРАЖЕНИЯ

ЛИНЕЙНО ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА ОТ ДИЭЛЕКТРИКОВ


В этой работе исследуемыми диэлектриками являются эбонит (непрозрачный диэлектрик) и стекло (прозрачный диэлектрик). Будет показано, как можно определить показатель преломления у непрозрачных диэлектриков. Заметим, что в этой части работы на диэлектрики падает не естественный, а линейно поляризованный свет.


Упражнение 1. Визуальное определение направления разрешенной плоскости колебания у поляроида (поляризатора) и определение угла Брюстера у эбонита

Если на поляризатор направить естественный свет, то на выходе из поляризатора вектор будет колебаться в плоскости, которая в поляризаторе называется разрешенной плоскостью колебаний (или просто плоскостью поляризатора). В упражнении эта плоскость определяется визуально по схеме, представленной на рис. 6. На оптическую скамью устанавливают осветитель 30, поляроид 36-I и черное зеркало из полированного эбонита 42.


Рис. 6. Оптическая схема для нахождения угла Брюстера у диэлектрика



  1. Подключить осветитель с помощью разъема к блоку питания БП-1.

  2. Нажать на блоке питания кнопку «сеть» и установить среднее значение яркости лампы накаливания осветителя (источника естественного света).

  3. Установить черное зеркало примерно под углом 450 к падающему лучу вращением зеркала вокруг вертикальной оси с помощью верхнего диска-подставки большого диаметра, используя боковую накатку. Фотоприемник ПР-2 при визуальном исследовании не используется, поэтому его стоит отвести за зеркало, вращая нижний диск подставки.

  4. Прошедший сквозь поляроид и отраженный от черного зеркала свет наблюдают сбоку; при этом глаз располагают так, чтобы изображение осветителя располагалось вблизи оси поворота зеркала ОО/ (см. рис. 6).

  5. Вращая поляроид 36-I вокруг направления луча, используя кольцо с накаткой, можно заметить, что яркость отражения в черном зеркале изменяется. Поляроид нужно оставить в том положении, когда эта яркость минимальна. После этого немного вращают зеркало 42 вокруг вертикальной оси ОО/, снова добиваясь минимальной интенсивности отраженного света. Затем положение поляроида и зеркала можно несколько

уточнить. В таком положении система, состоящая из поляроида и черного зеркала, практически не пропускает света, т.е. свет от диэлектрика не отражается*. Это означает, что зеркало установлено под углом Брюстера и что в падающей на зеркало волне электрический вектор лежит в плоскости падения луча (в данном случае в горизонтальной плоскости). Следовательно, разрешенное направление колебаний также лежит в плоскости падения. Разрешенное направление замечают по шкале (лимбу) поляроида. Отсчет лучше сделать, приложив к поляроиду 36-I линейку в горизонтальном направлении, проходящем через центр поляроида. Записать эти два противолежащих значения лимба поляроида 36-I. Эти данные потребуются при выполнении части II лабораторной работы.

6. По лимбу диска, на котором закреплено черное зеркало, определить угол Брюстера, т.е. угол между перпендикуляром к пластинке и падающим лучом, конечно, при условии минимальной интенсивности отраженного света.

Записать измеренный угол Брюстера для эбонита.


Упражнение 2. Определение направления разрешенной плоскости колебаний у второго поляроида и определение угла Брюстера у эбонита


  1. Установить поляроид 36-II вместо поляроида 36-I (переставляются рейтеры с поляроидами) в оптической схеме упражнения 1.

  2. С поляроидом 36-II проделать все пункты упражнения 1.

  3. Записать два противолежащих значения на лимбе поляроида 36-II, определяющие направление разрешенной плоскости колебаний у этого поляроида.

  4. Измерить угол Брюстера для эбонита.

  5. Определить среднее значение угла Брюстера из двух измерений, полученных в упражнениях 1 и 2.


Упражнение 3. Определение угла Брюстера у стекла


  1. Установить стопу стеклянных пластинок 37 вместо черного зеркала 42 (переставляются рейтеры) в схеме упражнения 2.

  2. Проделать все пункты предыдущего упражнения с поляроидом 36-II и стопой 37.

  3. Записать измеренный угол Брюстера для стекла.

_________


* Заметим, что это возможно лишь при падении линейно поляризованного света под углом Брюстера. При падении на диэлектрик естественного света при любом угле падения есть отраженная волна.

^ Обработка результатов измерений


  1. Используя измеренные углы Брюстера, определить по формуле (1) показатели преломления эбонита и стекла.

  2. Сравнить полученные значения показателей преломления с табличными значениями.


ЧАСТЬ II


^ ПРОВЕРКА ЗАКОНА МАЛЮСА


Всякий поляризатор может быть использован для исследования поляризованного света, т.е. в качестве анализатора. Интенсивность I линейно поляризованного света после прохождения через анализатор определяется законом Малюса:

, (2)


где I0 – интенсивность линейно поляризованного света, падающего на анализатор; α – угол между плоскостью колебаний в падающей на анализатор волне и разрешенной плоскостью анализатора. Следовательно, в данной работе α есть угол между плоскостями поляризатора и анализатора.


Упражнение 1. Проверка закона Малюса с двумя поляроидами


  1. Установить перед осветителем 30 поляроид 36-I и поляроид 36-II, как показано на рис. 7. Таким образом, в данном случае первый поляроид будет поляризатором, второй – анализатором.



Рис. 7. Оптическая схема для проверки закона Малюса


  1. Вращая за кольцо с накаткой анализатор 36-II, убедиться визуально, что интенсивность света, прошедшего через систему поляризатор – анализатор, будет периодически меняться. Максимальная интенсивность будет при совпадении разрешенных плоскостей колебаний обоих поляроидов α = 0о (поляризатор и анализатор «параллельны»), а минимальная, когда разрешенные плоскости будут взаимно перпендикулярны α = 90о (поляризатор и анализатор «скрещены»). Направления разрешенных плоскостей колебаний у поляроидов были определены в I части лабораторной работы в упражнениях 1 и 2.

  2. Установить фотоприемник (ПР-3, № 48) за анализатором (вместо глаза); подключить фотоприемник к фоторегистрирующему устройству УФР. Нажать у УФР клавишу «сеть», затем «☼» и «х 1000».

  3. Установить поляризатор и анализатор в положение «параллельно».

  4. Измерить и записать фототок, вращая анализатор от этого положения на 180о через 10о.

  5. Построить график зависимости фототока от угла α между плоскостями поляризатора и анализатора.

  6. На этом же графике построить в относительных единицах теоретическую зависимость по формуле (2).


Упражнение 2. Проверка закона Малюса со стопой и поляроидом


  1. Установить стопу стеклянных пластин 37 вместо поляроида 36-I. Таким образом, стопа будет играть роль поляризатора. Установить стопу под углом Брюстера (см. часть I). Заметим, что стопу можно применять в качестве поляризатора, используя не только проходящий свет, как в этом упражнении, но и отраженный свет.

  2. Вращая анализатор, визуально установить систему в положение «параллельно», добиваясь максимальной интенсивности.

  3. С поляризатором 37 проделать пункты 4-6 предыдущего упражнения. Кривую построить на графике, полученном в предыдущем упражнении.


^ КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ


  1. Напишите выражение для плоской световой волны, если амплитуда Е0, частота ω, волновой вектор известны.

  2. Как связано направление вектора с векторами и электромагнитной волны?

  3. Какой свет называется естественным?

  4. Какой свет называется поляризованным линейно, эллиптически, по кругу?

  5. Сформулируйте законы Брюстера и Малюса.

  6. Какие существуют способы получения линейно поляризованного света?

  7. Выведите закон Малюса.

  8. Чему равна интенсивность света, прошедшего через поляризатор, при падении на поляризатор естественного света с интенсивностью Ie?

  9. После пропускания частично поляризованного света через поляризатор было найдено, что минимальная и максимальная интенсивности прошедшей волны равны соответственно Imax и Imin. Чему равна степень поляризации света Р, падающего на поляризатор?

  10. Что такое стопа Столетова и поляроид? Как их изготавливают?

  11. Волна естественного света интенсивности Ie проходит последовательно через два поляризатора, плоскости которых повернуты на угол α относительно друг друга. Как поляризована волна на выходе из системы? Чему равны ее интенсивность и степень поляризации за первым и вторым поляризаторами?

  12. Когда и почему падение световой волны на поверхность диэлектрика не сопровождается ее отражением?

  13. Получите из формул Френеля, дающих соотношения между амплитудами падающей, отраженной и преломленной волн, выражение , где β – угол преломления.

  14. Естественный свет падает на поверхность стекла. При каких условиях угол Брюстера будет изменяться? В каких пределах может изменяться этот угол?

  15. Объясните, как колеблются электрические диполи диэлектрика при падении на него света под углом Брюстера? Как при этом излучаются вторичные волны?


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


  1. Лабораторный практикум по физике / Под ред. А.С. Ахматова. – М.: Высшая школа, 1980. – 360 с.

  2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1989. – 608 с.

  3. Ландсберг Г.С. Оптика. – М.: Наука, 1976. – 928 с.

  4. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. – М.: Наука, 1988. – 254 с.

  5. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2 – М.: Наука, 1988. – 496 с.

  6. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. – М.: Наука, 1985. – 752 с.




Скачать 116,33 Kb.
оставить комментарий
Дата27.09.2011
Размер116,33 Kb.
ТипЗадача, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

наверх