11283

Изучение поляризации света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков

Лабораторная работа

Физика

Изучение поляризации света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков Указания содержат краткое описание рабочей установки принцип действия гониометра и методику получения поляризованного света. Методические указания предназначены для студентов инже

Русский

2013-04-05

251 KB

26 чел.

Изучение поляризации света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков

Указания содержат краткое описание рабочей установки, принцип действия гониометра и методику получения поляризованного света. Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения в лабораторном практикуме по физике (раздел «Оптика»).

Цель работы:      1. Изучить поляризацию света при отражении от диэлектрика. Определить угол Брюстера при падении света на диэлектрическую пластину.

2. Проверить справедливость  закона Малюса.

3. Определить показатели преломления диэлектриков по углу полной поляризации.

Оборудование: Гониометр, осветитель с блоком питания, поляроид, вентильный фотоэлемент, гальванометр, набор диэлектриков, стопа стеклянных пластин.

 

Краткая теория

Поляризация света обусловлена поперечностью электромагнитных волн. Это значит, что векторы напряжённостей электрическогои магнитного  полей взаимно перпендикулярны и колеблются синфазно перпендикулярно вектору скорости  (перпендикулярно лучу).

Для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение одного из векторов. При действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая, поэтому все рассуждения ведутся относительно вектора , который называется световым вектором.

Свет, в котором колебания векторов  и  равновероятны по всем направлениям, называется естественным.

Свет, в котором колебания светового вектора упорядочены каким-то образом, называется поляризованным. В частности, если колебания происходят в одной плоскости, перпендикулярной лучу, свет называется плоскополяризованным.

Если появляется преимущественное направление колебаний, то свет называется частично поляризованным.

Степень поляризации определяется формулой

,                  (1)

где  и - соответственно максимальная и минимальная интенсивности света, соответствующие двум взаимно перпендикулярным компонентам вектора . Для естественного света  и , для плоскополяризованного  и .

При падении естественного света на границу двух диэлектриков отражённый и преломленный лучи всегда частично поляризованы. В отраженном луче преобладают колебания светового вектора, перпендикулярные плоскости падения, в преломленном – колебания, параллельные плоскости падения. Степень поляризации отражённого луча зависит от угла падения и относительного показателя преломления.

Согласно закону Брюстера при падении света на границу двух диэлектриков под углом, тангенс которого равен относительному показателю преломления второй среды относительно первой, отражённый луч полностью поляризован (содержит только колебания, перпендикулярные плоскости падения). При этом преломленный луч поляризуется максимально, но не полностью.

,                (2)

где - угол Брюстера, т.е. угол полной поляризации. В этом случае направления прошедшего и отражённого лучей взаимно перпендикулярны.

Степень поляризации преломленного света может быть значительно повышена путем многократного преломления при условии падения света каждый раз на границу раздела под углом Брюстера. Например, после преломления на стопе стеклянных пластин, называемой «стопа Столетова».

Если плоскополяризованный свет, интенсивностью  проходит через поляризатор, то его интенсивность определяется законом Малюса:

 ,                (3)

где  - угол между плоскостью колебания светового вектора в луче и плоскостью поляризации поляризатора.

Описание установки и методика проведения эксперимента

Принципиальная схема установки (рис. 1) для  изучения поляризации  света  при  отражении,  состоит  из  гониометра, осветителя с блоком питания, диэлектрической пластины или стопы стеклянных пластин,  поляроида, фотоэлемента, гальванометра.

Принцип работы установки основан на применении закона Брюстера к плоскополяризованному свету. Естественный (неполяризованный)  луч  от  источника  света  1, проходя через поляроид 2, становится плоскополяризованным, попадая  на  пластинку диэлектрика 3 и отражаясь, достигает фотоэлемента 4.

 Для  регистрации  интенсивности  света, отраженного от диэлектрика, используется вентильный фотоэлемент 4.  Фототок  пропорционален интенсивности падающего на фотоэлемент света. Величину фототока регистрируют гальванометром. Если вращением поляроида 2 вокруг горизонтальной оси добиться условия, при котором световой вектор  волны, падающей на диэлектрик, лежит  в плоскости падения, то при угле падения, равном углу Брюстера, отраженный свет будет отсутствовать.

Рис. 1

Гониометр предназначен для установки объектов с возможностью поворота вокруг вертикальной оси, а также отсчета углов падения и отражения света. Лимб гониометра 5 состоит из трёх дисков одинакового диаметра, закреплённых на вертикальной оси. К среднему неподвижному диску прикреплён  кронштейн 6, на котором в гнёзда 7 и 8 устанавливаются осветитель 1 и поляроид 2. Поляроид закреплен в оправе с лимбом, которую  с помощью винта 9 можно поворачивать  вокруг горизонтальной оси.

Верхний и нижний диски свободно вращаются относительно вертикальной оси. К нижнему диску прикреплён кронштейн 10, в гнёзда которого 11 и 12 устанавливаются поляроид 2 и вентильный фотоэлемент 4. На верхнем диске во вращающейся ширме 13, устанавливают исследуемый диэлектрик 3.

Угловые координаты указателей верхнего и нижнего дисков отсчитывают по шкале, нанесённой на среднем диске.

Интенсивность отражённого света оценивается по фототоку, протекающему через гальванометр.

Поскольку фототок () пропорционален интенсивности света (),  формулу (1) можно записать в виде

.               (4)

Величину тока в цепи лампы осветителя, а следовательно и интенсивность естественного света, регулируют реостатом, установленном в блоке питания.

Экспериментальная часть

ЗАДАНИЕ 1.  Определение направления плоскости поляризации поляроида, угла Брюстера и показателя     преломления непрозрачного диэлектрика.

  1.  Установить поляроид 2 между осветителем 1 и диэлектриком 3 в гнездо 8 (рис. 1).
  2.  Включить питание осветителя.
  3.  Установить с помощью кронштейна 6 угол падения луча  .
  4.  Поворачивая кронштейн 10 гониометра, установить на лимбе гониометра угол (поскольку угол падения равен углу отражения).
  5.  Плавно поворачивая поляроид 2 вокруг горизонтальной оси, следует добиться минимальной интенсивности отраженного луча, то есть  найти положение, при котором показания гальванометра (величина фототока) минимальны. Это значит, что в отражённой световой волне колебания вектора  происходят в плоскости падения.
  6.  Изменяя угол падения (через ) в интервале от 40 до 75 градусов измерить для каждого угла величину фототока . Результаты занести в таблицу 1. При этом каждый раз кронштейн 10 устанавливать на угол .
  7.  Повторить измерения пункта 6, определив фототокии.
  8.  Определить средние значения фототоков
  9.  Построить график зависимости фототока от угла падения света .
  10.  Определить по графику угол поворота образца, при котором достигается минимальное значение фототока, что соответствует углу Брюстера.
  11.  По формуле (2) вычислить показатель преломления диэлектрика.

Таблица 1

град.

40

45

50

55

60

65

70

75

мкА

мкА

мкА

мкА

ЗАДАНИЕ 2. Определение степени поляризации отражённого света

  1.  Установить поляроид 2 на пути отражённого луча в гнездо 11   кронштейна 10 (рис. 1).
  2.  Изменяя угол падения (через ) в интервале от 40 до 75 градусов измерить для каждого угла величину максимального  и минимального фототока. Результаты занести в таблицу 2.
  3.  По формуле (4) для каждого угла падения вычислить степень поляризации.
  4.  Построить график зависимости степени поляризации от угла падения света .

Таблица 2

град.

40

45

50

55

60

65

70

75

мкА

мкА

 --

ЗАМЕЧАНИЕ:  По заданию преподавателя можно повторить все упражнения для прозрачного диэлектрика и в проходящем свете для стопы Столетова.

ЗАДАНИЕ 3.  Проверка закона Малюса

 

  1.  Установить поляроид 2 на пути отражённого луча в гнездо 11   кронштейна 10 (рис. 1).
  2.  Установить с помощью кронштейна 6 угол падения луча, равный углу Брюстера (), полученного в первом задании.
  3.  Вращая поляроид вокруг отражённого луча (горизонтальной оси), добиться максимального отклонения стрелки гальванометра. Угол на лимбе, соответствующий , считать началом отсчета углов. Принимаем значение угла по лимбу поляроида за нулевое, а . 
  4.  Поворачивая от этого угла поляроид через каждые  в пределах полного оборота, т.е. до , измерить показания гальванометра () для всех углов и занести их в таблицу 3.

Таблица 3

град.

мкА

мкА

мкА

мкА

   -

   -

  1

   1

20°

 

0,88

40°

0,59

60°

0,25

80°

0,03

100°

0,03

120°

0,25

140°

0,59

160°

0,88

180°

1

200°

0,88

220°

0,59

240°

0,25

260°

0,03

280°

0,03

300°

0,25

320°

0,59

340°

0,88

360°

1

  1.  Повторить эти измерения ещё 2 раза. Найти , . Определить средние значения фототоков  .
  2.  Вычислить отношение , учитывая, что при  .
  3.  На заготовленной координатной сетке в полярных координатах построить график экспериментальной зависимости . Для этого надо выбрать начало отсчёта, и из него провести радиус-векторы через каждые , начиная с до . На каждом радиус-векторе отложить отрезки, равные величине при данном угле  в некотором масштабе.
  4.  На этом же чертеже построить теоретическую зависимость .
  5.  Сравнить теоретическую и экспериментальную зависимости и сделать выводы.

Контрольные вопросы

  1.  Что представляет собой свет с точки зрения электромагнитной теории?  
  2.  Чем отличается поляризованный свет от естественного?
  3.  Какой свет называется плоскополяризованным?
  4.  Сформулируйте закон Малюса.
  5.  Сформулируйте закон Брюстера.
  6.  Что называется степенью поляризации?
  7.  Какие способы получения поляризованного света вы знаете?

Рекомендуемая литература

  1.  Трофимова Т. И. Курс физики.- М.: Высш. шк., 2004
  2.  Федосеев В. Б. Физика,- Ростов н/Д: Феникс, 2009
  3.  Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике.-М.:Наука, 2006

Составители: д.т.н., проф. С.И. Егорова,

к.т.н., доц. И.Н. Егоров,

к.ф.-м.н., доц. Г.Ф. Лемешко.

ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА ПРИ ОТРАЖЕНИИ И ПРЕЛОМЛЕНИИ НА ГРАНИЦЕ ДВУХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Методические указания к лабораторной работе № 18

по физике

(Раздел «Оптика»)

Редактор А.А.Литвинова

ЛР №04779 от 18.05.01  В набор                          В печать

Объём         усл.п.л.,        уч.-изд.л.    Офсет. Формат 60х84/16.

Бумага тип №3. Заказ №         . Тираж                 . Цена                 .

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия:

344010, г.Ростов-на-Дону, пл.Гагарина,1    


1

9

3

13

4

5

10

11

12

7

8

6


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

59903. Витинанка – вид народного мистецтва. Виконання композиції «Дерево життя» 165.5 KB
  Мета: дати поняття про мистецтво витинанки; показати виникнення становлення та розвиток цього мистецтва в Україні; формувати навички виготовлення витинанок; виховувати розуміння взаємозвязку внутрішньої та зовнішньої...
59904. Загальні правила і рекомендації щодо розвитку бігової витривалості у дітей шкільного віку 43 KB
  Давньогрецькі мудреці говорили: Хочеш бути здоровим бігай Хочеш бути гарним бігай Хочеш бути розумним бігай Цими словами вони підкреслюють величезне значення бігу задля укріплення здоровя досягнення гармонічності статури розвитку розумових здібностей.
59905. У войны не женское лицо… 72.5 KB
  На сцену со свечами в руках выходят семь учеников. 1й ученик: Усталость падает на грудь И ломит плечи. 2й ученик: Окутать ноги в теплый плед И сном забыться И чтобы юность прошлых лет Могла присниться.
59906. Вторая мировая война (1939-1945г.г.). Причины и начало Второй мировой войны. События 1939-1941 г.г. 75 KB
  Цель: Раскрыть причины и характер Второй мировой войны; дать характеристику ходу боевых действий в 1939-1941 г.1121 Хрестоматия Карта: Вторая мировая война Начало 2 мировой войны в Европе сентября 1939 июнь 1941 г.
59908. Визитная карточка классного руководителя 52.5 KB
  На сцену по одному из макета школы выходят дети и представляют себя Лентяй: Вот так бы и сидел весь день И встать бы не решился Сегодня лучший друг мой лень Я с ней давно сдружился.
59909. Вища математика. Завдання та методичні вказівки до виконання контрольної роботи 1.56 MB
  Виробнича ділянка Час на виготовлення одиниці продукції год. Виробничі потужності год. 2 Виробнича ділянка Час на виготовлення одиниці продукції год. Виробничі потужності год.
59911. Внеклассное мероприятие: Чаем угощаем 46.5 KB
  Оборудование: самовар чайная посуда угощение к чаю. Подготовка: Дети разучивают чайные частушки русскую народную игру Просо; подбирают пословицы о русском гостеприимстве песни с именами людей.