Лабораторна робота №14

ОДЕРЖАННЯ І ДОСЛІДЖЕННЯ ПОЛЯРИЗОВАНОГО СВІТЛА

Перевірка законів Брюстера та Малюса

Мета роботи:

1. Ознайомлення з способами одержання і дослідження плоскополяризованого світла.

2. Використавши закон Брюстера, знайти показник заломлення скла, з якого виготовлено чорне дзеркало, порівняти його з табличним.

3.Перевірити закон Малюса.

Обладнання: Оптична лава, джерело світла, фотоелемент, мікроамперметр, поляроїди, стопа Столєтова, чорне дзеркало.

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Відповідно до електромагнітної теорії світло являє собою поперечну електромагнітну хвилю. Вектори напруженості електричного і магнітного поля у будь-який момент часу взаємно перпендикулярні і лежать у площині, перпендикулярній до напрямку поширення хвилі (рис.1).

Рис.1

Будь-яке джерело світла - це сукупність дуже великого числа елементарних випромінювачів-осциляторів (атомів і молекул). Кожний збуджений атом випромінює плоскополяризовану хвилю. Площини коливань векторів і у хвилях, випромінених різними атомами, не збігаються.

Сукупність світлових хвиль, у яких орієнтація векторів , а отже і рівноймовірна у всіх напрямках, перпендикулярних до променя, називається природнимсвітлом (рис. 2,а). Тут коливання в різноманітних напрямках швидко і безладно змінюють один одного.

Світло, у якому напрямки коливання векторів , а отже, і упорядковані яким-небудь чином, називається поляризованим. Якщо коливання вектора відбуваються тільки в одному визначеному напрямку, то світло називається лінійно поляризованим або плоскополяризованим (рис. 2,б).

Якщо кінець вектора (світловий вектор) описує коло або еліпс, то світло називається відповідно поляризованим по колу або по еліпсу. (рис. 2,в).

Рис.2

Площина, у якій розташований електричний вектор , називають площиною коливань поляризованого світла, а площина, у якій розташований вектор - площиною поляризації(див. рис.1). Пристрої, призначені для перетворення природного світла в лінійно-поляризоване світло, називають поляризаторами, а площина коливань електричного вектора в хвилі, що пройшла через поляризатор - площиноюполяризатора.

Поляризатор, який затримує перпендикулярні до його площини коливання лише частково, називаються недосконалим. На виході з недосконалого поляризатора отримуємо світло, у якому коливання одного напрямку переважають над коливаннями інших напрямків. Таке світло є частковополяризоване .

Для спостереження поляризованого світла використовують прилад, який називається аналізатором. Поляризатор і аналізатор за своєю будовою нічим не відрізняються один від одного. Той самий прилад залежно від обставин можна використовувати і як поляризатор, і як аналізатор.

Існує три основних засоби одержання поляризованих променів: при відбиванні, при заломленні світла на межі поділу двох прозорих ізотропних діелектриків, в основі яких лежить закон Брюстера, а також при подвійному променезаломленні в одноосьових кристалах.

Як приклад поляризатора, у якому використовується явище подвійного променезаломлення, може служити призма Ніколя. Вона вирізається з кристала ісландського шпату. Поздовжній перетин призми показано на рис 3. Передня і задня грані АВ і DC нахилені до ребра АD під кутом 68˚ і утворюють з оптичною віссю МN кристала кут 48˚. Діагональна площина ВD нахилена до АD і ВР під кутом 22˚. По цій площині призма розрізана і склеєна канадським бальзамом, що прозорий для світла й оптично ізотропний. Абсолютний показник заломлення канадського бальзаму n_кб = 1,55 (для світла з l = 589нм).

На передню грань призми АВ падає промінь S природного світла, паралельний ребру АD. На межі поділу повітря - ісландський шпат внаслідок явища подвійного променезаломлення він роздвоюється на два промені - звичайний (n_o=1,658) і незвичайний (n_e=1,515). Відзначимо, що звичайний і незвичайний промені лінійно поляризовані у взаємно перпендикулярних площинах. Потім заломлені під різними кутами промені падають на межу поділу ісландський шпат - канадський бальзам. Так як n_e<n_кб<n_o, то це значить, що канадський бальзам оптично менш щільний, ніж ісландський шпат для звичайного променя й оптично більш щільний для незвичайного променя. Звичайний промінь падає на поверхню канадського бальзаму під кутом 76,5°, більшим граничного, і, зазнавши повного внутрішнього відбивання, поглинається в оправі призми. Незвичайний промінь вільно проходить через прошарок канадського бальзаму, і після заломлення на грані СD виходить із призми паралельно падаючому променю S. Таким чином, призма Ніколя перетворює природне або частково поляризоване світло в лінійно поляризоване, площина коливань якого збігається з головною площиною призми, що проходить через промінь і оптичну вісь МN. При повороті призми навколо променя S на деякий кут, на такий же кут повертається і площина коливань світла, що проходить крізь призму.

Інтенсивність поляризованого світла, яке проходить через аналізатор, пропорційна добутку інтенсивності падаючого світла на квадрат косинуса кута між головними площинами (або площинами коливань) поляризатора і аналізатора. Таке правило називається закономМалюса.

І ~ І₀ cos² , (1)

де I – інтенсивність падаючого поляризованого світла, І₀– інтенсивність світла після аналізаторів.

Формула (1) є математичним виразом закону Малюса.

В загальному випадку потрібно врахувати коефіцієнт прозорості аналізатора, і тоді формула (1) для будь якого променя запишеться так:

І_а = І₀ к cos²α, (2)

де І₀ – інтенсивність світла, яке виходить після поляризатора, І_а – інтенсивність світла після аналізатора, к – коефіцієнт прозорості аналізатора.

Повертаючи аналізатор навколо напрямку падаючого поляризованого променя, можна бачити зміну освітленості поля зору за аналізатором. При a = 90°, І = 0, тобто поле зору буде темним.

Відбите від діелектрика світло завжди частково поляризоване. Брюстер експериментально встановив закон, який виражає зв’язок кута повної поляризації з відносним показником заломлення. Ступінь поляризації світла, відбитого від діелектричної пластинки в повітря, залежить від показника заломлення діелектрика n і кута падіння r_Б.

Якщо світло падає на межу поділу двох діелектриків під кутом Брюстера, то відбите світло повністю поляризоване в площині, перпендикулярній до площини падіння, а тангенс кута повної поляризації дорівнює відносному показнику заломлення:

tg r_Б = n₂₁ = n₂/n_{1 .} (3)

Формула (3) є математичний запис закону Брюстера.

В нашому випадку світло йде з повітря, тому n₁ = 1. Отже формулу (3) можна представити у вигляді:

tg r_Б = n₂₁ = n_2. (4)

Оскільки відбите від діелектричної пластинки світло є частково (або навіть повністю) поляризоване, світло, що вийшло з пластини, також частково поляризується. Переважний напрям коливань електричного вектора у світлі, що пройшло крізь пластину, співпадає з площиною падіння променя. Максимальна поляризація заломленого світла досягається при падінні під кутом Брюстера.

Для збільшення ступеня поляризації заломленого світла треба частково поляризоване заломлене світло пропустити через систему плоскопаралельних пластинок, так звану стопу Столєтова. Якщо взяти 10 – 15 скляних пластинок, то при падінні під кутом Брюстера вихідний заломлений пучок буде практично повністю поляризованим у взаємно перпендикулярних площинах.

ВИКОНАННЯ РОБОТИ

Завдання 1. Вивчення поляризованого світла за допомогою аналізаторів різного виду

а) Поляроїди.

1. На оптичну вісь встановити джерело світла, поляроїди (поляризатор і аналізатор).

2. Обертаючи один з поляроїдів навколо напрямку променя домогтися мінімальної яскравості зображення освітлювача.

3. Зробити висновки.

б) Чорне дзеркало.

1. Один з поляроїдів замінити на чорне дзеркало.

2. Встановити чорне дзеркало під кутом Брюстера (інтенсивність відбитого світла мінімальна).

3. Не змінюючи кута падіння променя і слідкуючи за відбиттям лампи, обертати чорне дзеркало навколо горизонтальної вісі до положення, в якому інтенсивність відбитого світла максимальна. Відмітити це положення по вертикальному лімбу. Вимірювання повторити 3 рази.

4. Зробити висновки.

в) Стопа пластин.

1. Замінити чорне дзеркало на стопу пластин, розташованих під кутом Брюстера. Повторити операції, пророблені з чорним дзеркалом, спостереження вести, як у відбитому, так і у заломленому світі.

2. Зробити висновки.

Завдання 2. Перевірка закону Брюстера.

1. Встановити на оптичну лаву джерело світла, поляроїд, чорне дзеркало (чорне дзеркало повинно бути розташоване у вертикальній площині).

2. Обертаючи поляроїд навколо напрямку променя, а дзеркало - навколо вертикальної вісі, домогтися мінімальної яскравості зображення освітлювача. Спостерігач повинен розміститись так, щоб бачити зображення освітлювача поблизу вертикальної вісі обертання дзеркала. Положення поляроїда і дзеркала перевірити декілька раз, намагаючись налаштувати систему так, щоб вона практично не пропускала світла. В цьому випадку дзеркало встановлено під кутом Брюстера.

3. Виміряти кут падіння j променя на чорне дзеркало (кут Брюстера).

· Вимірювання повторити декілька разів.

· Результати занести в таблицю1.

Таблиця 1.

№	φ	φ ср	n1	n2
1.
2.
3.

4. По середньому значенню кута Брюстера, використовуючи формулу (3), визначити показник заломлення скла, з якого виготовлено чорне дзеркало.

5. Зробити висновок.

Завдання 3. Перевірка закону Малюса

Встановити на оптичній лаві джерело світла, поляроїди, фотоелемент.

1. Приєднати до фотоелемента мікроамперметр. Ввімкнути лампу. Обертаючи поляроїд, досягти максимального відхилення стрілки мікроамперметра. Згідно формули (2), для цього положення a=0, I=I₀ (коефіцієнт прозорості к = 1).

2. Обертаючи поляроїд у межах повного оберту і через кожні 20° записувати покази мікроамперметра.

3. Побудувати графік залежності I/I₀= f(a) в полярних координатах. Для цього на кожному промені, проведеному з центра О під кутом a, у вибраному масштабі відкласти значення I/I_0, що відповідають цьому куту a. Точки з’єднати плавною кривою. На цьому ж кресленні аналогічним чином побудувати теоретичну залежність I/I₀ = сos² a.

4. Зробити висновок.

5. Дані занести у таблицю.

Таблиця 2.

a°

I, мА

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1. Чим відрізняється поляризоване світло від природнього? Як перевірити поляризоване світло чи природнє?

2. Якими методами та за допомогою яких пристроїв можна одержати поляризоване світло?

3. Пояснити будову та поляризаційні властивості призми Ніколя та поляроїда.

4. В якій площині коливається вектор світлової хвилі, відбитої від поверхні діелектрика під кутом Брюстера?

5. Як розташовані відбитий та заломлений промені при умові повної поляризації відбитого променя?

Дата добавления: 2015-06-04