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
40
ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА
Цель работы: ознакомление с поляризаторами света на примере стопы Столетова; определение степени поляризации частично поляризованного света.
Приборы и принадлежности: оптическая скамья, источник света, анализатор (стопа Столетова), конденсорная линза, набор стеклянных пластинок (стопа), фотодиод ФД-2, измерительный прибор.
Явление поляризации типично для поперечных волн. Из электромагнитной теории следует, что световая волна поперечна. Колебания вектора напряженности электрического поля Е происходят перпендикулярно направлению распространения волны. Обычные источники света излучают естественный свет, в котором направление колебаний вектора Е, оставаясь перпендикулярным направлению распространения, быстро и беспорядочно меняется. Поэтому естественный свет обладает статистически осевой симметрией относительно направления его распространения. Схематически естественный свет изображается так, как показано на рис.1.
В поляризованном свете такой симметрии нет. Поляризованным называется свет в котором направление колебаний упорядочено каким-либо образом.
Линейно поляризованным или плоскополяризованным называется свет, в котором вектор Е имеет одно единственное направление колебаний (рис. 2). Плоскость, проходящую через вектор Е и направление распространения волны называют плоскостью поляризации (по старой терминологии- плоскостью колебаний).
Если по мере распространения света направление колебаний вектора Е поворачивается так, что конец вектора Е описывает эллипс, то такой свет называется эллиптически поляризованным (рис. 3). В частном случае, когда конец вектора Е описывает окружность, свет называется поляризованным по кругу.
Частично поляризованным называется свет, в котором есть преимущественное, но не единственное направление колебаний вектора Е (рис. 4). Частично поляризованный свет можно рассматривать как смесь естественного с линейно поляризованным.
Для получения поляризованного света используют различные способы: отражение и преломление света на поверхности диэлектрика, прохождение света через поляризатор.
При отражении и преломлении света на границе раздела двух диэлектриков свет частично поляризуется. Преимущественное направление колебаний вектора Е в отраженной волне перпендикулярно плоскости падения, а в преломленной - расположено в плоскости падения. Доля поляризованного света зависит от угла падения и показателя преломления n. Д. Брюстер экспериментально установил, что максимальная поляризация достигается, когда отраженный луч перпендикулярен к преломленному. Легко показать, что это произойдет, если угол падения Б (угол Брюстера) удовлетворяет условию
(1)
При этом отраженный свет линейно поляризован перпендикулярно плоскости падения, а преломленный - поляризован частично, но степень поляризации его максимальна (закон Брюстера). Для увеличения степени поляризации прошедшего света используют несколько стеклянных пластинок (стопа Столетова).
Линейно поляризованный свет можно также получить, пропустив естественный свет через поляроид, который пропускает колебания электрического вектора только одного направления. Поляроиды представляют собой искусственно приготовленные коллоидные пленки, служащие для получения поляризованного света. Наиболее распространенным материалом для приготовления поляроидов является герапатит, представляющий собой соединение йода с хинином. Этот материал вводят в целлулоидную или желатиновую пленку. В ней кристаллы герапатита каким-либо способом (обычно механически) ориентируются своими осями в одном и том же направлении. Полученное вещество поглощает световые колебания одного из двух взаимно перпендикулярных направлений. Существуют и другие способы получения поляризованного света (например, используя явление двойного лучепреломления, рассеяния света).
Всякий прибор, служащий для получения поляризованного света, называется поляризатором. Тот же прибор, применяемый для исследования поляризации света, называется анализатором. Таким образом некоторые кристаллы или поляроиды могут служить и поляризаторами и анализаторами.
Допустим, что два поляризатора поставлены друг за другом так что их оси О и О1 образуют некоторый угол (рис. 6). На первый поляризатор падает естественный свет интенсивности Iест, он пропускает колебания электрического вектора параллельные оси О амплитуда которых Е0 и интенсивность I0. Второй поляризатор (анализатор) пропускает колебания электрического вектора параллельные оси О1 амплитуда которых Е и интенсивность I. Разложим Е на вектор Е, параллельный оси О1 второго поляроида, и вектор Е, перпендикулярный к ней (рис. 7). Составляющая Е будет задержана вторым поляризатором. Через второй поляризатор пройдет свет с электрическим вектором Е, длина которого E=E0cos. Интенсивность света, прошедшего через второй поляроид будет
(2)
Соотношение (2) называется законом Малюса.
Для естественного света все значения угла между направлением колебаний электрического вектора и осью первого поляризатора равновероятны. Поэтому доля света, прошедшего через поляризатор будет равна среднему значению cos2, т.е. 1/2.
Таким образом интенсивность света, прошедшего через оба поляризатора, равна
(3)
Если пропустить частично поляризованный свет через поляризатор, то при вращении последнего вокруг направления луча интенсивность прошедшего света будет меняться в пределах Imax от до Imin Причем переход от Imax до Imin будет происходить плавно при повороте поляризатора на 90. Степенью поляризации называется величина, определяемая по формуле
(4)
В частности для естественного света Imax= Imin и P=0, а для плоско поляризованного света Imin=0 и P=1.
На оптической скамье 1 (рис. 8) укреплены осветитель 2, конденсорная линза 3, плита с оправой для стеклянных пластинок стопы 4, такая же точно стопа пластинок, являющаяся анализатором 5, который можно вращать в плоскости, перпендикулярной лучу, фотодиод 6, подключенный к измерительному прибору 7.
Подключить фотодиод к измерительному прибору. Измерить фототок iт при выключенном осветителе, результат занести в таблицу 1.
Таблица 1
|
N Число пластинок |
iт А |
Iмин А |
iмакс А |
i1 А |
i2 А |
P |
|
|
1 |
|||||||
|
2 |
|||||||
|
… |
|||||||
|
… |
|||||||
|
… |
|||||||
Включить осветитель.
Поместить набор стеклянных пластинок в оправу стопы 4. Вращением анализатора добиться минимальной освещенности фотодиода. Измерить imin и занести его значение в таблицу 1. Вычислить i1=imin-iт. Повернуть анализатор на 90, при этом освещенность фотодиода окажется максимальной, измерить и занести в таблицу 1 imax. Вычислить i2=imax-iтin.
Повторить измерения, убирая по две пластинки. Заполнить таблицу, рассчитать степень поляризации
Построить график зависимости степени поляризации P от числа стеклянных пластинок в стопе N.
Проверка закона Малюса
Установить в стопу Столетова все пластинки. Поворотом анализатора добиться минимального значения фототока. При этом оси поляризатора и анализатора скрещены =90. Показания занести в таблицу 2. Поворачивая анализатор через 10, измеряйте фототок и заносите значения в таблицу.
Таблица 2
|
№ |
|
cos2 |
I |
|
1 |
90 |
||
|
2 |
80 |
||
|
3 |
70 |
||
|
4 |
60 |
||
|
5 |
50 |
||
|
6 |
40 |
||
|
7 |
30 |
||
|
8 |
20 |
||
|
9 |
10 |
||
|
10 |
0 |
Построить график зависимости I = f (cos2). Эта зависимость описывается формулой
Коэффициенты I1 и I2 линейной зависимости определите по методу наименьших квадратов.
Задания для отчета по лабораторной работе
|
№ вар. |
№ вопросов и задач |
|||
Баллы |
||||
|
1 |
1 |
1 |
2 |
|
|
1 |
1 |
6 |
11 |
16 |
|
2 |
2 |
7 |
12 |
17 |
|
3 |
3 |
8 |
13 |
18 |
|
4 |
4 |
9 |
14 |
19 |
|
5 |
5 |
10 |
15 |
20 |