Описание экспериментальной установки и методики выполнения работы

ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА

Методические указания к лабораторной работе

по физике

(раздел «Волновая оптика»)

Т.В. Шкиль, И.В. Мардасова, М.А.Сирота, Т.С. Беликова

Ростов-на-Дону

УДК 530.1

Составители: Т.В. Шкиль, И.В. Мардасова, М.А.Сирота, Т.С. Беликова

Изучение поляризованного света: метод. указания к лабораторной работе по физике. – Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2015. – 13 с.

Указания содержат краткую теорию по теме «Изучение поляризованного света», описание рабочей установки и методику экспериментальной проверки закона Малюса.

Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения, в программу учебного курса которых входит выполнение лабораторных работ по физике (раздел «Волновая оптика»).

Печатается по решению методической комиссии факультета

«Автоматизация, мехатроника и управление»

Рецензент: д. т. н., проф. В.С. Кунаков

©Издательский центр ДГТУ, 2015

Цель работы: проверка закона Малюса.

Оборудование: лазер, поляроид, фотоприемник, мультиметр, оптическая скамья.

Краткая теория

Свет представляет собой электромагнитные волны, в которых напряженность электрического и магнитного полей изменяются по гармоническому закону:

где – волновое число; – длина волны.

Электромагнитная волна (рис. 1) является поперечной: векторы и взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной вектору скорости распространения волны , т. е. направлению распространения волны.

На основании опытных данных установлено, что физическое, фотохимическое и другие действия света вызываются колебаниями вектора напряженности электрического поля, поэтому вектор получил название светового вектора; – амплитуда светового вектора.

Световая волна, излучаемая естественным источником света, является результатом сложения множества электромагнитных волн, испускаемых отдельными атомами данного источника. Направление колебания светового вектора волны, излучаемой каждым атомом, различно и ориентировано случайным образом. Поэтому в результирующей волне вектор колеблется с одинаковой вероятностью во всех направлениях, перпендикулярных лучу, характеризующему направление распространения света.

Таким образом, естественный свет представляет собой электромагнитную волну, в которой колебания светового вектора происходят во всех возможных направлениях перпендикулярно световому лучу (рис. 2).

Свет, в котором направления колебаний вектора упорядочены каким-либо образом, называется поляризованным.

Если колебания светового вектора осуществляются только в одной плоскости, свет называется плоско- или линейно поляризо-ванным (рис. 3). Плоскость, в которой происходят колебания светового вектора, называется плоскостью поляризации.

Поляризация света наблюдается при отражении и преломлении естественного света, а также при прохождении его через анизотропные среды.

При прохождении света через некоторые оптически прозрачные кристаллы происходит разделение светового луча (рис. 4). это явление получило название двойного лучепреломления, Было установлено, что при любых углах падения вышедшие из кристалла два луча параллельны друг другу и обладают одинаковыми интенсивностями. Один из них удовлетворяет закону преломления света, называется обыкновенным лучом и обозначается на чертежах буквой "о". Второй не подчиняется закону преломления света, называется необыкновенным, обозначается буквой " e ".

Исследования показывают, что вышедшие из кристалла обыкновенный и необыкновенный лучи полностью поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Исследования показали, что вектор в обыкновенном луче колеблется перпендикулярно главному сечению, а в необыкновен-ном – в плоскости главного сечения.

В некоторых кристаллах один из лучей поглощается сильней другого. это явление называется дихроизмом.

Поляризатор – это устройство, преобразующее естественный свет в плоско поляризованный.

В основе действия поляризаторов лежит свойство кристаллов разделять луч естественного света на два плоскополяризованных луча. Поляризаторы свободно пропускают только колебания вектора , параллельные плоскости, называемой плоскостью поляризатора (плоскостью пропускания).

В качестве поляризатора часто используют поляроид.

Поляроид – целлулоидная пленка, на которую наносятся мелкие кристаллики герапатита (сульфата йодистого хинина), обладающие сильным селективным поглощением. Пленка толщиной 0,1 мм полностью поглощает один из лучей, поэтому после прохождения поляроида интенсивность естественного света уменьшается в два раза (рис. 5).

Для анализа степени поляризации света используются анализаторы, ничем конструктивно не отличающиеся от поляризаторов.

Если на пути естественного света интенсивностью поставить поляризатор и анализатор , то интенсивность поляризованного света, прошедшего через анализатор, будет зависеть от взаимного расположения плоскостей пропускания поляризатора и анализатора (рис. 5).

Если на анализатор падает плоскополяризованный свет амплитуды и интенсивности так, что угол между плоскостью колебаний падающего света и плоскостью пропускания анализатора равен , то сквозь анализатор пройдет составляющая колебания с амплитудой (рис. 6).

Как известно, интенсивность волны прямо пропорциональна квадрату амплитуды, т.е. ~ , ~ .

Поскольку

. (1)

Соотношение (1) было экспериментально установлено французским физиком э.л.Малюсом и носит название закона Малюса: интенсивность света, прошедшего анализатор, равна произведению интенсивности падающего на анализатор поляризованного света и квадрата косинуса угла между плоскостями пропускания поляризатора и анализатора.

Описание экспериментальной установки и методики выполнения работы

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 7.

Рис. 7

На оптической скамье (1) помещены гелий-неоновый лазер (2), являющийся источником поляризованного света, поляроид c радиальной шкалой (3), выполняющий роль анализатора, и фотоэлемент (4) с регистрирующим устройством – цифровым мультиметром (5). Анализатор (поляроид) и фотоэлемент находятся в специальных держателях (6). Анализатор закреплен в держателе с поворотным устройством с радиально нанесенными делениями и может вращаться вокруг оси, совпадающей с направлением светового луча; угол поворота анализатора отсчитывается по радиальной шкале. Фотометрический датчик (фотоэлемент (4)) для измерения интенсивности поляризованного света, прошедшего через анализатор, соединен с мультиметром. В соответствии с законом Столетова для фотоэффекта, интенсивность света, падающего на фотоэлемент (т.е. прошедшего через анализатор поляризованного света) пропорциональна силе тока насыщения, который регистрируется цифровым мультиметром. Следовательно, интенсивность будет соответствовать показаниям мультиметра и может быть выражена в относительных единицах.

Угол , отсчитываемый по радиальной шкале анализатора, – это угол между плоскостью пропускания анализатора и плоскостью поляризации падающего на анализатор плоскополяризованного лазерного излучения с амплитудой (см. рис. 6). Если , эти плоскости совпадают и интенсивность прошедшего через анализатор света (и сила тока, фиксируемого мультиметром) максимальна. Если , эти плоскости взаимно перпендикулярны и интенсивность .

При проведении эксперимента на фотоэлемент кроме поляризованного света может попасть небольшая часть естественного света (за счет неполной темноты в лаборатории), обуславливая фоновое значение интенсивности , которое необходимо учитывать при обработке экспериментальных данных.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: