Изучение явления поляризации света: Лабораторная работа

Федеральное агентство по образованию РФ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования (ГОУ ВПО ВСГТУ) «Восточно-Сибирский государственный технологический университет»

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА Лабораторная работа

Составители: Базарсадаев Б. Ц. Санеев Э. Л. Шагдаров В.Б.

Улан-Удэ 2006

Даны краткие теоретические обоснования теории поляризации света, пояснения к законам Малюса и Брюстера. Приведены методические указания к двум лабораторным работам по поляризации света «Определение показателя преломления диэлектрика по углу полной поляризации» и «Проверка закона Малюса».

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА Одним из явлений, характеризующих свет как электромагнитную волну, является поляризация. Электромагнитная волна есть распространяющееся в ρ пространстве электромагнитное поле. Векторы напряженности E ρ ρ и H взаимно перпендикулярны. Плоскость, в которой лежат E

ρ ρ и H , перпендикулярна вектору V скорости волны. Плоскость, ρ ρ в которой лежат E и V , называется плоскостью колебаний. Плоскостью поляризации называется плоскость, в которой лежат

ρ ρ векторы H и V . На рисунках мы будем изображать только ρ векторы напряженности электрического поля E.

На рисунке 1 изображен естественный свет (а), частично поляризованный (б), и плоскополяризованный (в) свет. Направление распространения света перпендикулярно плоскости рисунка.

а

б Рис.1

в

На рисунке 2 изображен естественный (а) и плоскополяризованный (б, в) свет, распространяющийся в плоскости чертежа.

а

б

в Рис.2

ρ

В естественном свете вектор E колеблется в самых различных направлениях, в плоскополяризованном свете - в одной плоскости, в частично поляризованном свете колебания одного направления преобладают над колебаниями другого направления (это имеет место, например, при отражении и преломления). Итак, свет, у которого упорядочены колебания, называется поляризованным. Закон Малюса характеризует интенсивность света, прошедшего через анализатор, в зависимости от угла ϕ между плоскостью пропускания (колебания) поляризатора и анализатора: I = I 0 cos 2 ϕ (1) где I и I0 - интенсивность света, прошедшего через поляризатор и анализатор соответственно. Если плоскость пропускания поляризатора 0Р и анализатора ОА совпадают (ϕ=0) (рис.3), то I=I0, интенсивность света максимальна.

S

P

P

O

ϕ=0

поляризатор

этого диэлектрика, то отраженный свет полностью поляризован, а преломленный свет поляризован максимально: (2) tgϕ n = n где n - относительный показатель преломления вещества, ϕn - угол полной поляризации (угол Брюстера).

O анализатор

Р

I=I0

А

Рис.3

ϕn

Ер Еа

S

P

P

ϕ=π/2 А

О О

I=0 O

O

Рис.4

Если анализатор А повернуть вокруг оси на угол

Рис.6

Рис.5

ϕ=

π 2

,

колебания анализатор не пропускает, интенсивность минимальна, I=0 (рис.4). Закон Малюса выводится следующим образом. Пусть свет распространяется перпендикулярно чертежу (рис.5), где плоскости пропускания поляризатора и анализатора обозначены ОР и ОА, через Ер и Еа - амплитуда колебаний света, прошедшего через поляризатор и анализатор. Из рисунке 5 видно, что E a = E p cos ϕ . Так как интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды, то имеем: I = E a2 = E p2 cos 2 ϕ = I 0 cos 2 ϕ , где I0=Ep2 Закон Брюстера гласит: если свет падает на диэлектрик под углом, тангенс которого равен показателю преломления

При падении света под углом Брюстера отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны (доказать). Для характеристики меры и степени поляризации вводят функцию:

∆=

I ⊥ − I II ⋅100% , I ⊥ + I II

где: I⊥ - интенсивность света, соответствующая колебаниям, перпендикулярным плоскости падения, I - соответствует колебаниям, происходящим в плоскости падения световой волны). Таким образом, если на анализатор А падает естественный свет (см рис. 1а), то при вращении анализатора интенсивность прошедшего света не изменится (I⊥ = I) и ∆=0. Если на А падает частично поляризованный свет (см. рис. 1б), то при вращении анализатора можно зарегистрировать интенсивность Imax и Imin и степень поляризации равна:

∆=

I max − I min ⋅ 100% I max + I Im in

(3)

При падении света на пластинку под углом Брюстера отраженный свет полностью поляризуется: III =0 и ∆ = 100%. Лабораторная работа 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИКА ПО УГЛУ ПОЛНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ Приборы и принадлежности: установка для изучения поляризации света при отражении, состоящая из гониометра, источника света, стеклянной пластины, поляризатора, фотосопротивления, микроамперметра и выпрямителя. Принципиальная схема представлена на рисунке 7. Неполяризованный луч от источника света Л падает на стеклянную пластинку (диэлектрик) Пл и, отражаясь, частично поляризуется. Для регистрации интенсивности света, прошедшего через поляризатор П, используется фотосопротивление ФСК-1. Фототок пропорционален интенсивности падающего света.

Г - гониометр, П - поляризатор, Л - лампа, Пл - стеклянная пластинка, А - микроамперметр, Ф - фоторезистор. Ход работы 1. Включить в сеть в 220 В трансформатор для питания лампы и выпрямитель для питания фотосопротивления. 2. Установить поляризатор и гониометр согласно рисунку. 3. Установить стеклянную пластину под углом 450 к плоскости падения луча. Вращая фоторезистор, добиться того, чтобы был максимум интенсивности (отраженный свет полностью попадает на приемник). В этом случае угол между падающим и отраженным лучами равен 900, а угол падения φ = 450. 4. Вращая поляризатор П, записать максимальное Imax и минимальное Imin значения тока при данном угле падения φ. 5. Повернуть пластину на 50, так, чтобы угол падения увеличился. Фоторезистор повернуть на 100, так, чтобы отраженный луч был направлен на него. 6. Повторить пункт 4. 7. Повторить (пункты 5 и 6) измерения через каждые 50 угла падения, данные занести в таблицу 1. 8.Построить график зависимости степени поляризации от угла падения. 9. По графику определить угол Брюстера. 10. Найти показатель преломления диэлектрика по формуле (2).

Таблица 1

Рис. 7

Угол падения φ, град. Ток в цепи Imax приемника Imin Imin - Imax Imin + Imax Степень поляризации ∆

45

50

55

60

65

70

75

80

изменяя ϕ в пределах от 00 до 900 через 50. I0 – показания микроамперметра при ϕ=0*. Результаты занести в таблицу 2.

Лабораторная работа 2 ПРОВЕРКА ЗАКОНА МАЛЮСА Приборы и принадлежности: установка для изучения закона Малюса, состоящая из лампы, трансформатора, двух поляроидов, фоторезистора и микроамперметра. Принципиальная схема представлена на рис. 8.

Л

П

А U

1

2

3

4 А

Рис. 8 1 – лампа, 2 – поляризатор, 3 – анализатор, 4 – фоторезистор Естественный (неполяризованный) луч света, проходя через поляризатор, становится плоскополяризованным. Интенсивность этого света обозначается через I0. В зависимости от угла ϕ между плоскостями пропускания поляризатора и анализатора интенсивность прошедшего через анализатор луча уменьшается по закону Малюса: I = I 0 cos 2 ϕ . Сопротивление фоторезистора при падении света на фотоэлемент пропорционально интенсивности света. Ход работы 1. Включить трансформатор в сеть переменного тока

220 В. 2. Снять зависимость величины фототока I от угла ϕ между плоскостями пропускания анализатора и поляризатора,

Таблица 2 № п / п 1 2 3

ϕ

I

I/I0

cosϕ

cos2ϕ

.. . 3. По экспериментальным данным построить график зависимости I/I0 от угла ϕ. 4. На этом же графике построить теоретическую зависимость I/I0 =cos2ϕ от ϕ. Сравнить экспериментальные результаты с теоретическими и сделать выводы. Контрольные вопросы

1. Что называется поляризацией и какие свойства света она характеризует? В чем отличие света естественного от поляризованного? Как изображается на рисунке естественный и поляризованный свет? 2. Какую зависимость устанавливает закон Малюса? (Вывод.) 3. Как поляризуется свет при отражении и преломлении? Что устанавливает закон Брюстера?

*

Перед работой нужно настроить прибор. Для этого нужно вращением анализатора и поляризатора добиться максимума интенсивности и это значение I0 при φ = 0, а затем, вращая только анализатор, значение фототока занести в таблицу.

4. Что называется двойным лучепреломлением и как оно объясняется с точки зрения волновой природы света? 5. Объясните устройство и принцип работы никеля, поляроида, стопы пластин. Сделайте чертеж. Литература

1. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Курс физики. Т.3. Высшая школа, М., 1971. 2. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики. Т.3. Наука, М., 1970.

Подписано в печать 04.07.2006 г. Формат 60 х 841/16. Усл.п.л. 0,7 . Тираж 100 экз. Заказ № 133 . Издательство ВСГТУ, г. Улан-Удэ, ул.Ключевская, 40в. © ВСГТУ, 2006 г.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: поляризация, угол Брюстера, поляризатор, анализатор, плоскость поляризации, закон Малюса, степень поляризации.