iE 19 (849869)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Лабораторная работа № 19Исследование отражения поляризованного света от поверхностидиэлектрика. Формулы Френеля.Цель работы: измерение коэффициентов отражения дляполяризованного света и сравнение с расчетами по формулам Френеля.1. ВведениеЭлектромагнитные волны, частным случаем которых является свет, поперечны. Это означает, что вектор напряжённости электрического поля E и векторнапряжённости магнитного поля H , характеризующие электромагнитную волну,перпендикулярны вектору скорости распространения волны v . Плоскости, вкоторых колеблются векторы E и H всегда взаимно перпендикулярны.Плоскость, в которой лежат вектора E и v называют плоскостью поляризации.Световой пучок, в котором различные направления вектора E в плоскости,перпендикулярной скорости волны v , равновероятны, называется естественнымили неполяризованным. В неполяризованной волне колебания с различныминаправлениями вектора E быстро и беспорядочно сменяют друг друга.Свет, в котором направления колебаний вектора E упорядочены каким- либообразом, называется поляризованным.

Если колебания вектора E могутсовершаться лишь в одной плоскости, то свет называется линейно поляризованным. Если же колебания вектора Е совершаются так, что его конец описываеткруг или эллипс, то свет называется соответственно поляризованным по кругу илиэллиптически поляризованным.Поляризация света происходит при взаимодействии света с веществом.

Этотэффект можно наблюдать при прохождении света через анизотропные кристаллы,а так же при отражении и преломлении света на границе раздела двух сред. Так,отражённый луч, при падении света под углом Брюстера, оказывается полностьюполяризованным. Для границы раздела "воздух-диэлектрик" угол Брюстеранаходится из соотношенияtg Бр  n2 / n1 ,(1)где п2 – показатель преломления среды, на которую падает свет, n1 – показательпреломления воздуха.Явления отражения и преломления света на границе раздела двух прозрачных изотропных сред вполне удовлетворительно объясняются в рамках электромагнитной теории Максвелла. Исходя из неё, можно получить так называемыеформулы Френеля, связывающие амплитуды отраженной Еr и преломленной Еtволн с амплитудой Еi падающей волны.Формулы Френеля справедливы в том случае, когда граница раздела двухсред гладкая, угол отражения равняется углу падения, а угол преломления определяется законом Снеллиуса (4).

В случае неровной поверхности, особеннокогда характерные размеры неровностей одного порядка с длиной волны,большое значение имеет диффузное рассеяние света на поверхности.При падении на плоскую границу различают две поляризации света: sполяризация – это поляризация света, при которой вектор напряженности электрического поля электромагнитной волны перпендикулярен плоскости падения,p-поляризация – поляризация света, при которой вектор напряженности электрического поля лежит в плоскости падения (рис. 1).Рис. 1Формулы Френеля для s-поляризации и p-поляризации различаются, поскольку свет с разными поляризациями по-разному отражается от поверхности.Для отраженной волныE r  Eitg(   )sin(  ), Er   Eitg(  )sin(  )(2)Здесь E – составляющая вектора E лежащая в плоскости падения (рполяризация), а E – составляющая, перпендикулярная этой плоскости (sполяризация).

Плоскость падения – плоскость, в которой лежат падающий иотраженный лучи.Для преломленной волны:Et  Ei2sin  sin 2sin  sin , Et  Eisin(  )sin(  )sin(  )(3)Здесь φ – угол падения, γ – угол преломления. Углы падения и преломлениясвета связаны между собой законом Снеллиуса (законом преломления):sin  n2 nsin  n1(4)Отношение n=n2/n1 называется относительным показателем преломления.Если n1=l, то п=п2.Из этих формул можно найти энергетический коэффициент отражения:  I r / I i , где I r и I i – интенсивности отраженной и падающей волн: tg 2 (   ),tg 2 (  ) sin 2 (   )sin 2 (  )(5)Для неполяризованного света1  (   )2(6)В частном случае нормального падения света коэффициенты отражения дляs- и р-поляризации волн одинаковы n 1        n 12(7)При φ = φБр коэффициент отражения  обращается в ноль.Формулы Френеля применимы и в том случае, когда на границу раздела двухсред падает поляризованный свет.

Если известна ориентация плоскостиполяризации (плоскости колебаний вектора E ) в падающем луче, необходиморазложить вектор E на две компоненты E i и Ei и для расчета компонент отражённого и преломлённого света применить формулы Френеля. Коэффициентотражения в этом случае будет   cos2    sin 2  ,(8)где ψ– угол между вектором E и плоскостью падения.Целью данной работы является исследование процесса отражения поляризованного света от стеклянной призмы при различных ориентациях плоскостиполяризации падающего света по отношению к плоскости падения.2.

Описание установки и метода измеренийИспользуемый в лабораторной установке полупроводниковый лазер 1 (рис.1)имеет плоско поляризованное излучение. Для изменения плоскости поляризацииизлучения необходимо поворачивать лазер относительно своей оси, для чего онснабжен устройством поворота 2 (флажок).Рис. 1В качестве отражающего объекта используется стеклянная призма(рис.2),установленная на поворотном столике с лимбом.

Так как при небольшихуглах падения отраженный от поверхности диэлектрика луч существенно слабеепреломленного, количественные измерения проводятся с отраженным лучом. Дляизменения угла падения лазерного луча поворот призмы осуществляетсявручную, при этом угол поворота визуально отслеживается встроеннымтранспортиром , а также датчиком угла поворотаРис.

2Регистрация отраженного от призмы излучения осуществляется с помощьюфотодатчика 1 (рис.3), укрепленного на магнитной поверхности. Фотодатчикснабжен визирной линией на своем корпусе.Рис. 33. Порядок выполнения работы1. Ознакомьтесь с приборами на установке и заполните таблицу спецификации измерительных приборов.Название прибораПределыизмеренияЦена деленияИнструментальнаяпогрешность2. Включите ноутбук, подключенный к установке. Войдите в программу«Физика-практикум» и выберите сценарий «Формулы Френеля».3. Включите лазер.

Поверните лазер в одно из крайних положений. Положение флажка вдоль рабочей поверхности установки соответствует s- поляризацииволны, а перпендикулярно рабочей поверхности – р- поляризации волны.4. Измерьте интенсивность излучения, падающего на поверхность призмы.Для этого поверните лазер так, чтобы его луч проходил мимо призмы и попадалво входной зрачок фотоприемника, расположенного вблизи нижней кромки лимбаи ориентированного так, чтобы его продольная ось была параллельна направлению луча. Нажмите экранную кнопку начала регистрации данных «1»(рис.4) и убедитесь, что положение приемника обеспечивает максимальныйуровень сигнала (для этого следует немного изменять положение приемникаотносительно направления луча, следя за тем, чтобы луч входил в отверстиеприемника, не задевая его кромок).5.

Остановите измерения «2» (рис.4) и зарегистрируйте полученное значениеU - напряжения, пропорционального мощности падающего излучения (регистрация ведется в относительных единицах). Внесите его (с клавиатуры) в таблицуисходных данных «3» (рис.4), которая открывается на экране одновременно сначалом измерений.6. Поверните лимб на угол, обеспечивающий нормальное падение луча наповерхность грани призмы. Для этого установите на пути луча диафрагму диаметром 2-3 мм и следите, когда отраженный от поверхности луч (он будет перемещаться при вращении лимба) пойдет вдоль падающего луча (т.е.

когда егослед на бумажной диафрагме совпадет с отверстием, сквозь которое идет падающий луч). Бумажная диафрагма размещается на подставке.7. Включите регистрацию данных «1» (рис.4), выберите данное положениелимба в качестве нулевого значения для датчика угла поворота и внесите его втаблицу «Исходные данные» «3» (рис.4).8. Поверните лимб на угол 5° по часовой стрелке и измерьте мощность отраженного излучения. Закройте таблицу «Исходные данные» и откройте закладкус надписью «Таблица» «4» (рис.4). Текущие измеряемые значения угла повороталимба (он совпадает с углом падения луча) и мощности излучения, а такжезначения коэффициента отражения будут отражаться на графиках и в соответствующих клетках таблицы.

Проведите подстройку положения датчика помаксимуму регистрируемогоим сигнала и запишите полученные данные втаблицу. Для этого нажмите экранную кнопку «сохранить» в окне таблицы.9. Повторите измерения и запись данных, изменяя угол поворота лимба наугол 5°. В диапазоне углов 50-60° необходимо проводить измерения через каждые1-2°. При записи данных в таблице появляется новая строка, а строка с текущимизначениями параметров сдвигается вниз.10. При угле 80° остановите измерения «2» (рис.4) и выведите на графикполученные данные «5» (рис.4).

Снятые показания перепишите в отчет в табл. 1.Рис. 411 . Повторите измерения для другой поляризации лазерного излучения.Измените плоскость поляризации, повернув флажок лазера на 90 градусов вокругпродольной оси и повторите процесс юстировки луча на середину призмы ивыбор начального значения для отсчета угла. Повторно измерять мощностьпадающего излучения не нужно. Данные занесите в таблицу 2, аналогичнуютаблице 1.4. Обработка результатов измеренийТаблица 1№,U, ВR1. По данным таблиц 1 и 2 постройте графики в одной координатной плоскости. Найдите на графике значение угла Брюстера, при котором отражение рполяризованной волны отсутствует.2. Рассчитайте по формуле (1) показатель преломления оптического стеклап2, полагая n1 = l.3. Для тех же углов падения лазерного излучения рассчитайте углы преломления, используя формулу (4), и найдите коэффициент отражения света ρ дляперпендикулярной и параллельной составляющей по формулам Френеля (5).Запишите данные в таблицы 1и 2.4.

Построите графики зависимости ρ от φ в декартовой системе координат.Сравните оба графика.Контрольные вопросы1. Свет – это поперечная или продольная волна?2. Что называется плоскостью поляризации?3. Что такое угол Брюстера? По какой формуле он определяется.4. Что характеризуют формулы Френеля? Что с их помощью можно найти?5. Что такое энергетический коэффициент отражения?6. Свет падает на поверхность диэлектрика под углом 60°.

При каком направлении колебаний вектора E в падающем пучке света отраженный луч будетпрактически отсутствовать?7. Как с помощью явления поляризации определить показатель преломлениядиэлектрика?8. Может ли обычное стекло выполнять роль поляризатора?.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов лабораторной работы