Краткая теория. Задание 3.1. Проверка закона Малюса

ИЗУЧЕНИЕ ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

ПРОВЕРКА ЗАКОНА МАЛЮСА.

Лабораторная работа 3

Задание 3.1. Проверка закона Малюса

Приборы и принадлежности: источник света (лампа накаливания); два поляроида в оправе; селеновый фотоэлемент; ампервольтметр Щ-302.

Цель работы: экспериментальная проверка закона Малюса.

С точки зрения электромагнитной теории, свет представляет собой поперечные электромагнитные волны. Векторы напряженности электрического поля и магнитного поля колеблются во взаимно перпендикулярных плоскостях. Плоскостью колебаний называется плоскость, проходящая через световой луч и направление колебаний электрического вектора.

В естественном свете плоскость световых колебаний хаотически меняет своё направление в пространстве; в плоскополяризованном свете колебания электрического вектора совершаются в определенном направлении.

Выделение колебаний, происходящих в какой-либо одной плоскости, из естественных колебаний называется поляризацией света.

Получить поляризованный свет можно следующими способами.

1. При отражении от неметаллического зеркала (стекло, вода и пр.). При этом в общем случае свет получается частично поляризованным. Степень поляризации зависит и от угла падения световой волны на зеркало. Поляризация делается полной, когда тангенс угла падения равен показателю преломления вещества, из которого сделано зеркало. Этот угол называется углом полной поляризации (углом Брюстера), для стекла он равен 57°. При полной поляризации плоскость колебаний отражённой волны перпендикулярна к её плоскости падения.

2. Путём преломления в стеклянной пластинке. Здесь поляризация всегда неполная; своей наибольшей величины она достигает при угле падения, равном углу полной поляризации отраженной волны. Но в то время как отраженная волна при угле полной поляризации будет полностью поляризована, в преломлённом пучке поляризованного света будет лишь столько, сколько его имеется в пучке отраженном. Например, из светового пучка, падающего на поверхность стекла под углом полной поляризации, отражается только 1/7 часть, а 6/7 проходят через стекло. В проходящем пучке поляризованного света будет только 1/7 часть, остальные 5/7 остаются естественным светом. Чтобы достичь большей степени поляризации в преломленном световом пучке, его пропускают под углом поляризации (57°) через стопку тонких стеклянных пластинок, наложенных одна на другую (обыкновенно бывает достаточно 8-10 пластинок). Плоскость колебаний преломленной волны параллельна к её плоскости падения. Следовательно, плоскости колебания отражённой и преломлённой волн взаимно перпендикулярны.

3. Третий способ получения поляризованного света основан на явлении двойного лучепреломления в кристаллах (рис. 3.1), которое наблюдается в анизотропных средах (анизотропной назы­вается среда, физические свойства которой в разных направлениях различны). Анизотропной средой будут, например, кристаллы кварца и исландского шпата.

На рис. 3.1 показано прохождение света через кристалл исландского шпата.

Рис. 3.1. Прохождение света через кристалл исландского шпата (CaCO₃), где o – обыкновенный луч; е – необыкновенный луч

Естественный луч разделяется в кристалле на два луча: e и O. Луч e называется необыкновенным лучом, так как его показатель преломления зависит от направления распространяющегося луча, и, следо­вательно, в различных направлениях в кристалле он распространяется с различными скоростями. Луч O назы­вается обыкновенным лучом, так как он подчи­няется законам преломления, и скорость его в кристалле не зависит от направления.

Оба вышедших из кристалла луча поляризованы. Колебания в необыкновенном луче совершаются в плоскости главного сечения кристалла (луч отмечен чёрточками), а в обыкновенном луче - в плоскости, перпендикулярной главному сечению (луч отмечен точками). Свойства обоих лучей, вышедших из кристалла, за исключением направления поляризации, абсолютно одинаковы рис. 3.2.

Рис. 3.2. Двойное лучепреломление в анизотропной среде

Чтобы использовать такие поляризованные лучи для технических целей, их надо отделить один от другого. Это осуществляется в призме Николя. Для изготовления такой призмы естественный кристалл исландского шпата подпиливают определенным образом, затем он распиливается по линии AR (рис. 3.3), и обе половины склеиваются «канадским бальзамом».

Рис. 3.3. Конструкция призмы Николя

Обыкновенный луч 1, дойдя до слоя канадского бальзама AR, испытывает полное внутреннее отражение (рис. 3.3), так как показатель преломления исландского шпата для обыкновенного луча больше показателя пре­ломления канадского бальзама. Таким образом, обыкновенный луч отводится в сторону и поглощается в оправе Николя.

Необыкновенный луч 2 проходит сквозь слой канадского бальзама, не преломляясь, так как показатель прелом­ления исландского шпата для необыкновенного луча меньше показателя преломления «канадского бальзама».

При помощи призмы Николя можно: 1) получить поляризованный луч; 2) определить направление колебаний в нем. В первом случае призма Николя служит поляриза­тором, а во втором - анализатором.

Две призмы Николя, расположенные последовательно, не про­пускают лучей, если они скрещены, т.е. если их главные сечения перпендикулярны. Если же их главные сечения параллельны, то интенсивность света, прошедшего анализатор, будет максимальной.

В настоящей работе для получения и исследования линейно поляризованного света применяются поляроиды. Они изготавливаются из очень мелких кристаллов турмалина и геропатита (сернокислого йод-хинина), нанесенных на целлулоидную пленку. Оптические оси всех кристалликов специальным способом ориентируют в одном направлении. Кристаллы геропатита почти полностью поглощают обыкновенный луч. Таким образом, падающий естественный свет, проходя через поляроид, становится плоско поляризованным.

Если последовательно пропускать пучок лучей света через поляризатор и анализатор, то амплитуда прошедшей волны будет зависеть от угла между направлениями колебаний вектора электрической напряжённости световой волны и направлениями колебаний, пропускаемыми поляризатором и анализатором. Пусть ПП - направление колебаний вектора электрической напряжённости, пропускаемых поляризатором, АА - анализатором (рис. 3.4). Главные направления поляризатора и анализатора составляют между собой некоторый угол j.

Рис. 3.4. Разложение вектора , вышедшего из поляризатора ПП, анализатора АА, на две составляющие

Е₀ - амплитуда вектора напряженности колебания, пропускаемого поляризатором. Амплитуду Е₀ разложим на две взаимно перпендикулярные составляющие Е₁ и Е₂, одна из которых совпадает с главным направлением анализатора. Колебания, перпендикулярные направлению АА, не проходят через анализатор.

Из рис. 3.4 видно, что амплитуда выходящего из анализатора света равна

,

где j - угол между направлениями колебаний электрического вектора световой волны, пропускаемых анализатором и поляризатором.

Так как интенсивность света J пропорциональна квадрату амплитуды, то

, (3.1)

где J – интенсивность прошедшего света; J₀ – интенсивность падающего на анализатор света.

Соотношение (1) носит название закона Малюса. Если cos j = 1, то J = J₀. Таким образом, J₀ есть интенсивность света в случае совпадения главных направлений поляризатора и анализатора.

Порядок выполнения задания 3.1

1. На рис. 3.5 приводится схема экспериментальной установки. Работа выполняется в затемненном помещении. Перемещая лампу накаливания, добиться максимального освещения поляроида, затем включить в сеть прибор Щ-302 (кнопки «авт.» и «I» отжаты).

Рис. 3.5. Схема экспериментальной установки для проверки закона Малюса: S – источник света (лампа накаливания); П₁ – поляризатор; П₂ – анализатор; I₀ – интенсивность естественного света; I₁,I₂ – интенсивность поляризованного света; j – угол между направлениями колебаний электрического вектора световой волны, пропускаемых анализатором

и поляризатором

В используемой экспериментальной установке поляроид, обращенный к источнику света, вращается. Второй поляроид закреплен перед фотоэлементом неподвижно. Вращая поляроид, добиться максимального значения показаний ампервольтметра. Записать значения угла j и силы тока I.

Поворачивайте поляроид на 360° и через каждые 10° (до завершения полного оборота) определить и записывать показания ампервольтметра. Повторите измерения, меняя угол от 360° до 0°. Усреднить результаты.

2. Построить график зависимости силы фототока I, пропорциональной интенсивности J прошедшего света, от угла поворота j.

3. Определить степень поляризации света по формуле

.

4. Построить график зависимости силы фототока I от cos²j.

Контрольные вопросы к заданию 3.1

1. Какой свет называется плоскополяризованным?

2. В чём состоит явление двойного лучепреломления?

3. Что такое оптическая ось?

4. Какие плоскости в кристалле называют главными?

5. Почему интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды вектора ?

6. Как формулируется закон Брюстера?

Задание 3.2. ИЗУЧЕНИЕ ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ. ПРОВЕРКА ЗАКОНА МАЛЮСА (компьютерная модель)

Приборы и принадлежности: компьютерная модель виртуального лабораторного практикума «Изучение вращения плоскости поляризации». Проверка закона Малюса.

Цель задания: проверка закона Малюса.

Дата добавления: 2015-06-04