Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Работа №4
ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА
Выполнил студент -------------------------, группа -------------, дата --------------.
Допуск ______________
Выполнение __________
Зачет ________________
Цель работы: исследование поляризации света при отражении от диэлектрика, определение угла полной поляризации. Исследование прохождения света через поляроиды.
Приборы и материалы
|
№ п\п |
Наименование прибора |
Класс точности (Еп) |
Цена деления |
Предел измерения (хmax) |
Точность отсчета (Δхпр) |
|
1 |
Специальная установка |
- |
- |
- |
- |
|
2 |
Осветитель |
- |
- |
- |
- |
|
3 |
Линза |
- |
- |
- |
- |
|
4 |
Вольтметр |
Описание метода измерений
Из электромагнитной теории света следует, что световая волна является поперечной, то есть три вектора: напряженность электрического поля , напряженность магнитного поля и скорость распространения света взаимно перпендикулярны. Свет от обычных источников состоит из множества цугов волн, световой вектор которых ориентирован случайным образом, а колебания различных направлений равновероятны. Такой свет называется естественным.
Свет, в котором направления колебаний каким-либо образом упорядочен, называется поляризованным, процесс получения поляризованного света назы вается поляризацией. Если колебания вектора происходят в одной плоскости относительно луча, то свет считается плоскополяризованным.
Частично поляризованный свет - свет, в котором имеется преимущественное направление колебаний вектора . Эти случаи схематически изображены на рис. 1 (луч перпендикулярен плоскости рисунка).
Рис. 1
19
Плоскость, в которой колеблется электрический вектор , называется плоскостью колебаний, или плоскостью поляризации.
Поляризация света наблюдается при отражении, преломлении и при прохождении света через анизотропные вещества. Приборы для получения поляризованного света называются поляризаторами. Визуально поляри зованный свет нельзя отличить от неполяризованного. Анализ поляризованного света делают с помощью поляризатора, через который пропускают исследуемый свет. В таких случаях поляризатор называют анализатором.
Для явления поляризации справедливы следующие законы.
1. При отражении световых лучей от поверхности изотропных диэлектриков, например от поверхности стекла, воды и так далее, отраженные лучи оказываются частично поляризованными в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. Степень поляризации отраженных лучей меняется при изменении угла падения. Отраженный луч будет плоскополяризован только в том случае, если угол падения имеет определенную величину Бр, называемую углом полной поляризации. Теория и опыт показывают, что угол полной поляризации в этом случае удовлетворяет условию
(1)
где n - относительный показатель преломления второй среды относительно первой.
Это закон Брюстера.
Преломленный свет всегда частично поляризован.
2. Если на анализатор падает плоскополяризованный свет, плоскость поляризации которого составляет угол с плоскостью поляризации лучей, пропускаемых анализатором, то интенсивность пропущенного им света IП будет определяться соотношением
(2)
Здесь IП - интенсивность света, падающего на анализатор.
Это закон Малюса.
Если частично поляризованный свет пропускать через анализатор, то интенсивность IА прошедшего света будет меняться в зависимости от положения плоскости поляризации анализатора (ППА). Она достигает макси мального значения Imax , если ППА и плоскость преимущественных колебаний частично поляризованного света совпадает. Если эти плоскости перпендикулярны друг другу, то интенсивность света, прошедшего через поляризатор, будет минимальной Imin .
20
Для характеристики поляризованного света вводится величина, называемая степенью поляризации света P,
(3)
Очевидно, что . Для естественного света Р = 0, так как Imin = Imax, а для плоскополяризованного света Р = 1, так как Imin =0.
Описание установки
Для исследования закона Брюстера и Малюса используется специальная установка, которая крепится на оптической скамье. Схема ее приведена на рис. 2.
Рис. 2
Свет от лампы 1 через отверстие в корпусе 2 попадает на стеклянную пластину 3, помещенную в защитный корпус 4. Изменение угла падания света осуществляется поворотом ручки держателя стеклянных пластин. Стрелка 6 на крышке держателя (при правильной настройке прибора!) указывает угол падения света, К установке прилагается набор съемных стеклянных пластин, закреплённых в обоймы (по 2, 4, 7, 12 штук). Отраженный от пластины частично поляризованный свет через анализатор 7 попадает на фотоэлемент 8, подключенный к вольтметру 9.
Показания вольтметра пропорциональны световому потоку, попадающему на фотоэлемент. Положение плоскости поляризации анализатора отмечается по шкале 10 с помощью указателя.
Узел анализатор-фотоэлемент закреплён на коромысле 11, которое может поворачиваться вокруг вертикальной оси на угол от 50° до 180.
21
Отражающая пластина 3 может вращаться вокруг вертикальной оси, и у отраженного от нее частично поляризованного света плоскость преимущественных колебаний вертикальна. На фотоэлемент 8 попадает световой поток, зависящий от положения ППА 7 – он будет максимальным (показание вольтметра 9 максимально), если ППА вертикальна, и минимальным, если ППА горизонтальна. Как следует из теоретических представлений, интенсивность этих двух составляющих (а следовательно, и показания вольтметра), поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях, будет меняться в зависимости от угла падения света в соответствии с графиком на рис.3.
Изменяя угол падения света на пластину и отмечая показания вольтметра, можно найти угол полной поляризации или угол Брюстера.
Для изучения закона Малюса используется дополнительный поляризатор 12.
Знакомство с установкой и подготовка
установки к работе
1. Разобраться с основными узлами и элементами установки:
а) изменение угла падения света на пластину;
б) изменение положения ППА;
в) узел анализатор- фотоэлемент.
2. Вынуть держатель пластин, включить источник света и перемещая его вверх-вниз, вращая вокруг вертикальной оси и, перемещая фокусирующую линзу 14 по скамье, добиться чтобы световой луч, прошедший через входное отверстие 2, был симметричен относительно выходного отверстия 15.
3. Закрепить на держателе обойму с двумя пластинами и поставить его на место так, чтобы указатель угла поворота стоял на нулевом делении.
Контролировать правильность установки осветителя дополнительно можно по отраженному от пластины свету: пятно света, отраженное на внутреннюю поверхность корпуса, должно быть симметрично относительно входного отверстия.
4. Ознакомиться с устройством и работой анализатора и датчика интен сивности света. Для этого повернуть коромысло узла анализатора так,
22
чтобы свет, прошедший через пластину, попал на анализатор и фотоэлемент. Включить мультиметр на диапазон 200 мВ и подключить к нему, соблюдая полярность, фотоэлемент. Меняя положение ППА от 0° до 180°, отмечаем, что величина сигнала на мультиметре практически не меняется. Следовательно, свет, прошедший через пластину, неполяризованный.
5. Повернув отражающую пластину, задать угол падения света = 30°-80°, а коромысло узла анализатор-фотоэлемент повернуть в положение 2.
Если в этом случае менять положение от 0° до 180°, показания мультиметра будут меняться от некоторого максимального значения при 0° до минимума при 90° и вновь до первоначального значения при 180°.
Упражнение I. Исследование поляризации отраженного света
1. Вставляем в держатель обойму с четырьмя пластинами и устанавливаем угол падения света 25°.
Повернув узел анализатор-фотоэлемент в положение 50°, измеряем интен сивность света, прошедшего через анализатор при положениях ППА 0°. Аналогичные измерения проводим для других углов падения (указаны в таблице) и результаты заносим в табл.1.
2. Вновь установив угол падения света 25° и узел анализатор-фотоэлемент в положение 50°, измеряем интенсивность света, прошедшего через анализатор при положениях ППА 90°.
Аналогичные измерения проводим для других углов падения (указаны в таблице) и результаты заносим в табл.1.
3. Повторяем все измерения еще дважды и находим среднее значение показаний мультиметpa для каждого угла падения.
4. Для каждого угла падения рассчитываем степень поляризации отраженного света
23
|
Угол падения , град |
25 |
30 |
35 |
40 |
45 |
50 |
53 |
55 |
57 |
59 |
62 |
65 |
70 |
75 |
|
|
Imax, мВ |
1 |
||||||||||||||
|
2 |
|||||||||||||||
|
3 |
|||||||||||||||
|
среднее |
|||||||||||||||
|
Imin, мВ |
1 |
||||||||||||||
|
2 |
|||||||||||||||
|
3 |
|||||||||||||||
|
среднее |
|||||||||||||||
|
Степень поляриза ции, P |
|||||||||||||||
|
Угол Брюстера Бр = |
Показатель преломления n = |
5. Строим графики зависимости: Imax=f(); Imax=f(); P=f(),по которым находим угол Брюстера.
6. По формуле (1) расчитываем показатель преломления n пластины.
Делаем выводы.
Упражнение 2. Исследование поляризации прошедшего через пластину света
1. Коромысло узла анализатор-фотоэлемент установим на угол 180о оставим его в этом положении на время всего опыта.
2. Вставляем обойму с двумя пластинами (N=2) и устанавливаем угол падения света, равный углу Брюстера, найденному в упражнении 1.
3.У прошедшего через пластину поляризованного света плоскость преимущественных колебаний горизонтальна. Измеряем интенсивность прошедшего через пластины света при двух положениях ППА: Imax - при 90о и Imin - при 0о.
4. Аналогичные измерения проводим для N=4, 7, 12 пластин. Результаты всех измерений заносим в табл. 2.
24
|
Число пластин N |
Показания вольтметра, мВ |
Степень поляризации, P |
|
|
Imax |
Imin |
||
|
2 |
|||
|
4 |
|||
|
7 |
|||
|
12 |
6. Рассчитываем степень поляризации света для всех случаев и строим график Р = f (N).
7. Делаем выводы.
Упражнение 3. Изучение закона Малюса.
1. Снимаем с установки обойму с пластинами, коромысло узла анализатор-фотоэлемент устанавливаем в положение 180°, между источником света и установкой помещаем поляризатор 12 ( ППП= 90o ).
2. Устанавливаем ППА на 0° и, меняя положение ППА (ППА) от 0° до 180° через 15°, отмечаем показания мультиметра Iп (интенсивность света, прошедшего через поляризатор и анализатор).
Результаты всех измерений заносим в Табл. 3.
|
α |
0 |
15 |
30 |
45 |
60 |
75 |
90 |
105 |
120 |
135 |
150 |
165 |
180 |
|
|
Iп |
||||||||||||||
|
Cos2 |
||||||||||||||
|
Iп2 |
4. Проводим расчеты, необходимые для заполнения таблицы.
5. Строим график зависимости I2 = f (cos2)
PAGE \* MERGEFORMAT 7