№ 84 (Лабы по оптике)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М. В. ЛомоносоваФизический факультеткафедра общей физики и физики конденсированного состоянияМетодическая разработкапо общему физическому практикумуЛаб. работа № 84ИЗМЕРЕНИЕ УГЛА БРЮСТЕРАПРИ ОТРАЖЕНИИ СВЕТА ОТСТЕКЛЯННОЙ ПЛАСТИНКИ,НАХОЖДЕНИЕ НАПРАВЛЕНИЙПРОПУСКАНИЯ ПОЛЯРОИДОВ ИПРОВЕРКА ЗАКОНА МАЛЮСАРаботу поставил доцент Авксентьев Ю.И.Москва 2012 г.ИЗМЕРЕНИЕ УГЛА БРЮСТЕРА ПРИОТРАЖЕНИИ СВЕТА ОТ СТЕКЛЯННОЙПЛАСТИНКИ, НАХОЖДЕНИЕ НАПРАВЛЕНИЙПРОПУСКАНИЯ ПОЛЯРОИДОВ И ПРОВЕРКАЗАКОНА МАЛЮСАЦелью работы является измерение угла Брюстера при отражениисвета от стеклянной пластинки, нахождение направлений пропусканияполяроидов и проверка закона Малюса.1. ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫИЗМЕРЕНИЙ УГЛА БРЮСТЕРАВ опытах по взаимодействию света с веществом (диэлектриком)установлено, что как отраженные, так и преломленные лучи являютсяполяризованными.

Исследования, проведенные Брюстером, показали, чтопри определенном угле падения 0 отраженный луч является полностьюполяризованным. Угол,при котором достигается полнаяполяризация отраженного луча, называют углом Брюстера, асоотношение, связывающее этот угол с показателями преломления n1 и n2двух сред, на границе между которыми происходит отражение, — закономБрюстераtg0 n1.n2(1)Глаз человека не в состоянии отличить поляризованный свет отестественного, но чувствителен к изменению интенсивности света. Поэтомув опытах с поляризованным светом полезно иметь оптическое устройство,при прохождении через которое интенсивность света менялась бы взависимости от направления поляризации падающего на него пучка света.Такое устройство получило название поляризатора, так как естественныйсвет, пропущенный через него, становится поляризованным.

Для нахожденияугла Брюстера можно предложить следующую оптическую схему,использующую поляризатор, рис.1а.На рис.1а падающий 1 и отраженный 2 лучи изображены лежащими вплоскости чертежа. Отражение происходит от стеклянной пластинки,перпендикулярной плоскости чертежа, а след отраженного луча наблюдаетсяна экране 5 в виде светового пятна. На пути луча 2 установлен поляризаторA , ориентированный так, чтобы направление пропускания его былопараллельно плоскости чертежа. В соответствии с законом Брюстера путемвращения пластинки 3 вокруг оси, перпендикулярной плоскости чертежа,можно установить такой угол падения , при котором яркость светового3пятна на экране 5 станет равной нулю. Найденный таким образом угол  равен углу Брюстера 0 . Действительно, при отражении падающий подуглом Брюстера луч становится полностью поляризованным.

При этомнаправление вектора E будет перпендикулярным плоскости чертежа, и приРис. 1указанной выше ориентации поляризатора луч 2 не достигает экрана. Припрактической реализации этой схемы возникает необходимость водновременном вращении пластинки 3 и поляризатора A , причем уголповорота поляризатора должен быть в два раза больше угла поворотапластинки.

Схема, представленная на рис. 1б, свободна от этого недостатка.Как видно из рисунка, в ней поляризатор A помещается на пути падающеголуча 1 и таким образом необходимость в его вращении отпадает.Направление пропускания поляризатора по-прежнему ориентируетсяпараллельно плоскости чертежа.

Именно такая схема нахождения углаБрюстера используется в данной задаче. Студентам предлагаетсясамостоятельно объяснить исчезновение отраженного луча 2 при условииравенства угла  углу Брюстера  0 .2. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИОбщий вид установки представлен на рис. 2 и 3. Все оптическиеузлы установки размещены на оптической скамье 6.

Источником света4Рис. 2Рис. 35служит осветитель 7 с коллиматором. Напряжение накала лампыосветителя регулируется источником питания 8, передняя панель которогос ручкой регулировки 9 изображена на рис. 4. Луч света 1, прежде чемпопасть на стеклянную пластинку, проходит через поляризатор А,Рис. 4размещенный в специальном держателе. В качестве поляризатораиспользуется поляроидная пленка (поляроид). Держатель обеспечиваетвозможность вращения поляроида с помощью кольца с накаткой 10 (рис.

2и 3) и отсчет угла поворота в градусах по шкале 18 относительно метки 11(рис.5).Вместо стеклянной пластинки используется стопа стеклянных пластин.3. Стопа укрепляется вертикально на столике 12 (рис.3), который можетвращаться вокруг вертикальной оси. Столик снабжен шкалой 13,проградуированной в градусах. Стеклянная пластинка расположенаотносительно шкалы 13 так, что нормаль к ее поверхности, проходящая черезцентр столика, проходит через нулевое деление шкалы (рис. 2).

Такоерасположение стеклянной пластинки на столике позволяет легко измерятьугол отражения  луча 2 от стеклянной пластинки с помощьюфотоприемника 14 (рис. 2). Для этого фотоприемник снабжен меткой,определяющей его положение на шкале 13, и регистрирующим устройством15 со стрелочным индикатором. Передняя панель региcтрирующегоустройства изображена на рис. 6. Как и стеклянная пластинка, фотоприемникможет вращаться вокруг вертикальной оси. Для его вращения служит кольцос накаткой 16 (рис. 3). Движения стеклянной пластинки и фотоприемниканезависимы. Луч света, отраженный от стеклянной пластинки, попадает вфотоприемник через отверстие 17 в экране 5 (рис. 3). Экран 5 вращаетсявместе с фотоприемником.

Помимо упомянутых элементов на оптическойскамье установлены: второй поляроид B , фотоприемник 20 ирегистрирующее устройство 21.63. ВКЛЮЧЕНИЕ УСТАНОВКИ И ПРОВЕДЕНИЕИЗМЕРЕНИЙИзмерение угла Брюстераа. Включить источник питания осветителя: ползунокРис. 5Рис. 6переключателя перевести в положение ―Вкл‖. Установить максимальноезначение напряжения накала лампы (~10 В), повернув рукоятку 9 почасовой стрелке до упора.

С помощью рукоятки 9 напряжение можноменять как плавно так и грубо. При плавной регулировке рукоятка 9вращается легко, при грубой к ней нужно приложить большее усилие. Принапряжении 10 В лампа работает с перекалом. Поэтому, если измерения по7какой-либо причине прерываются, то напряжение накала следует понизитьдо 5–6 В.б. Включить регистрирующее устройство фотоприемника 15, нажавкнопку ―Сеть‖ (рис. 6). Включить подсветку шкалы индикатора, нажавкнопку ― ―. Выбрать наиболее чувствительный диапазон измерений, нажав*кнопку ―Х1‖.Рис. 7в.

Подвижный экран 5 (рис. 2 и 3) расположить параллельнооптической скамье. Еще раз напомним, что вращение стеклянной пластинкии экрана с фотоприемником необходимо осуществлять с помощью колец 12 и16 (рис. 3).г. Повернуть стопу 3 так, чтобы световое пятно, образованноесветовым лучом 2, вначале оказалось слева от входного отверстияфотоприемника 17. Затем поворотом экрана 5 по часовой стрелкерасположить его справа от отверстия 17. Такая ориентация стекляннойпластинки и экрана обеспечивает достаточно сильную зависимость яркостисветового пятна на экране от угла поворота поляроида A .д.

Поворотом поляроида A добиться минимальной яркости световогопятна на экране 5.е. Повернуть фотоприемник по часовой стрелке так, чтобы левый крайэкрана 5 коснулся стопы 3. Такой поворот предотвратит выход световогопятна за пределы экрана при выполнении указаний следующего пункта.ж. Вращая стопу 3 по часовой стрелке, найти положение, при которомяркость светового пятна на экране 5 по визуальной оценке станетминимальной. При этом само световое пятно должно находиться справа ототверстия 17. Если минимум приходится на отверстие 17, то экран 5 сфотоприемником повернуть дополнительно по часовой стрелке на некоторыйугол.з.

Поворачивая стопу 3 на небольшой угол в ту или иную сторонуотносительно найденного положения, убедиться в том, что найденноеположение, действительно, соответствует минимальной яркости световогопятна.и. После выполнения предыдущего пункта повернуть экран 5 так,чтобы центр светового пятна совпал с центром отверстия фотоприемника 17.Так как яркость светового пятна минимальна, то отклонение стрелкирегистрирующего устройства 15 будет небольшим. В дальнейшем при8отыскании угла Брюстера необходимо будет найти такое положениефотоприемника, при котором отклонение стрелки станет максимальным. Этуоперацию легче выполнить, когда стрелка находится вдали от нуля шкалы.к.

Поворачивая поляроид A за кольцо 10 в произвольном направлении,установить стрелку индикатора регистрирующего устройства 15 на отметку50 делений.л. Для нахождения угла Брюстера 0 необходимо путем медленноговращения фотоприемника за кольцо 16 в ту или иную сторону, добитьсямаксимального отклонения стрелки индикатора регистрирующего устройства15, после чего по шкале 13 (рис. 2 и 3) произвести отсчет 0 .

Для освещенияшкалы при отсчете угла 0 воспользоваться маломощным электрическимфонариком (рис. 7).При освещении шкалы 13 необходимо следить за тем, чтобы луч светаот фонарика не попадал в отверстие фотоприемника 17. Результатыизмерения 0 записать в таблицу данных №1.Угол 0 измерить три раза. Результаты измерений записать в таблицуданных №1.Таблица данных №1 0 ,град   ,0 ,град  0 A ,град 0 A ,град  0 , 0A ,градсреднее среднее (%) (%)Упражнение № 1ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРОПУСКАНИЯПОЛЯРОИДА АПоворотом поляроида A добиться минимального отклонениястрелки индикатора регистрирующего устройства 15.