4 (Практикум по оптике)

Работа №4 ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА Це л ь р а боты: исследование поляризации света при отражении от диэлектрика, определение угла полной поляризации. Исследование прохождения света через поляроиды. Оборудование: специальная установка, осветитель, вольтметр, линза. Описание метода измерений Частично поляризованный Плоскополяризованный Естественный Рис. 1 Из электромагнитной теории света следует, что световая волна является поперечной, то есть три вектора: напряженность электрического поля Е„ напряженность магнитного поля Й и скорость распространения света с взаимно перпендикулярны.

Свет от обычных источников состоит из множества цугов волн, световой вектор Е 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 называется поляризацией. Если колебания вектора происходят в одной плоскости относительно луча, то свет считается плоско п оляр из о в а и и ым.

Частично поляризованным свет - свет, в котором имеется преимущественное направление колебаний вектора Е. Эти случаи схематически изображены на рис. 1 (луч перпендикулярен плоскости рисунка). Плоскость, в которой колеблется электрический вектор Е, 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 поляризованный свет нельзя отличить от неполяризованного. Анализ поляризованного света делают с помощью поляризатора, через который пропускают исследуемый свет.

В таких случаях поляризатор называют анал изаторол~. 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 ~рБр, называемую углом полной ноляризании.

Теория и опыт показывают, что угол полной поляризации в этом случае удовлетворяет условию федр — — и где п - относительный показатель преломления второй среды относительно первой; Это за~он Брюмера. Преломленный свет всегда частично поляризован. 2. Если на анализатор падает плоскополяризованный свет, плоскость поляризации которого составляет угол а с плоскостью поляризации лучей, пропускаемых анализатором, то интенсивность пропущенного им света 111 будет определяться соотношением 1А — 1п СОВ а 2 (2) Здесь 111 - интенсивность света, падающего на анализатор. Это закон Малюса. Если частично поляризованный свет пропускать через анализатор, то интенсивность 1А прошедшего света будет меняться в зависимости от положения плоскости поляризации анализатора (ППА).

Она достигает максимального значения 1„,, если ППА и плоскость преимуществен- 20 ных колебаний частично поляризованного света совпадает. Если эти плоскости перпендикулярны друг другу, то интенсивность света, прошедшего через поляризатор, будет минимальной 1„„;,, Для характеристики поляризованного света вводится величина, называемая степенью поляризации света Р, р таХ т~П (3) ~мах + 7жп Очевидно, что О < Р < 1 . Для естественного света Р = О, так как 1„„.„= У „„, а для плоскополяризованного света Р = 1, так как У„;„=О.

Описание установки Для исследования закона Брюстера и Малюса используется специальная установка, которая крепится на оптической скамье. Схема ее приведена на рис. 2. 12 16 1 Рис. 2 Свет от лампы 1 через отверстие в корпусе лампы падает на стеклянную пластину 3, помещенную в тиски поворотного столика. 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, закрепленных в обоймы ~по 2, 4, 7, 12 штук). Отраженный от пластины частично поляризованный свет через анализатор 7 попадает на фотоэлемент 8, подключенный к измерителю интенсивности света (ИИС) 9.

Показания ИИС пропорциональны световому потоку, попадающему на фотоэлемент. Положение плоскости поляризации анализатора отмечается по шкале 10 с помощью указателя. Узел анализатор-фотоэлемент закреплен на коромысле П, которое может поворачиваться вокруг вертикальной оси на угол от 50' до 180. 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 1 показания вольтметра), поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях, будет меняться в зависимости от угла падения света <р в соответствии с графиком на рис.З.

Изменяя угол падения света на пластину и отмечая показания вольтметра, можно найти угол полной 00 З0 б0о 90о поляризации или угол Брюстера. Для изучения закона Малюса Рис. 3 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. Включить источник света и вращая его вокруг вертикальной оси, добиться чтобы световой луч был направлен вдоль оптической скамьи. 3. Закрепить в держателе обойму с четырьмя пластинами. Установить держатель таким образом, чтобы указатель угла поворота стоял на нулевом делении и отраженный световой луч был направлен вдоль оптической скамьи. 22 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 интенсивности света.

Для этого повернуть коромысло узла анализатора так, чтобы свет, прошедший через пластину, попал на анализатор и фотоэлемент. Включить ИИС и подключить к нему фотоэлемент. Меняя положение ППА от 0' до 180', отмечаем, что величина сигнала на практически не меняется. Следовательно, свет, прошедший через пластину, неполяризован. 5. Повернув отражающую пластину, задать угол падения света у = 25'-80'. Поворачивая коромысло, добиться попадания отраженного света на фотоэлемент. УСТАНОВКА ГОТОВА К РАБОТЕ! Упражнение1. Исследование поляризации отраженного света 1.

Вставляем в держатель обойму с четырьмя пластинами и устанавливаем угол падения света 25'. Поворачивая коромысло, добиться попадания на фотоэлемент отраженного света. Измерить интенсивность света при положениях ППА 0' и 90'. Аналогичные измерения проводим для других углов падения (указаны в таблице) и результаты заносим в табл.1.

2. Повторяем все измерения еще дважды и находим среднее значение показаний ИИС для каждого угла падения. 3. Для каждого угла падения рассчитываем степень поляризации отраженного света 23 Таблица 2 б. Рассчитываем степень поляризации света для всех случаев и строим график Р =- / (Л).

?. Делаем выводы. Упражнение 3. Изучение закона Малюса. 1. Снимаем с установки обойму с пластинами, коромысло узла анализаторфотозлемент устанавливаем в положение 180', между источником света и установкой помещаем поляризатор 12 ( у„„„= 0'). 2, Устанавливаем ППА на 0' и, меняя положение ППА (<р„) от 0' до 180' через 15'„отмечаем показания КИС 1„(интенсивность света, прошедшего через поляризатор и анализатор). Результаты всех измерений заносим в Табл. 3. Таблица 3 4. Проводим расчеты, необходимые для заполнения таблицы. 5. Строим график зависимости Х = ~ (соз р) 2 б. Делаем вывод.

25 Вопросы 1. Чем отличается естественный свет от плоскополяризованного и частично поляризованного? 2. Могут ли продольные волны быть плоскополяризованными? 3. Перечислите способы получения поляризованного света. 4. В чем состоит явления двойного лучепреломления? 5. Сформулируйте закон Брюстера, б. Укажите положение плоскостей поляризации отраженного и преломленного света. 7.

Покажите, что отраженный и преломленный лучи при соблюдении условия Брюстера будут взаимно перпендикулярны. 8. Сформулируйте закон Малюса. 9. Почему при любом положении анализатора частично поляризованный свет проходит через него? .