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

21288. Методологія IDEF 387 KB
  Методологія IDEF Сімейство стандарту IDEF На даний момент до сімейства IDEF [ІДЕФ] можна віднести такі стандарти: IDEF0 методологія функціонального моделювання. За допомогою наочного графічного мови IDEF0 що розробляється система постає перед проектувальниками у вигляді набору взаємозалежних функцій функціональних блоків у термінах IDEF0. Як правило моделювання засобами IDEF0 є першим етапом вивчення будьякої системи; IDEF1 методологія моделювання інформаційних потоків усередині системи що дозволяє відображати і аналізувати їх...
21289. Відношення між класами 407 KB
  Відношення між класами Вступ Крім внутрішнього пристрою або структури класів на відповідній діаграмі вказуються різні відносини між класами. Базовими відносинами або зв'язками в мові UML є: Відношення залежності dependency relationship Ставлення асоціації association relationship Відношення узагальнення generalization relationship Ставлення реалізації realization relationship Кожне з цих відносин має власне графічне подання на діаграмі яке відображає взаємозв'язки між об'єктами відповідних класів. На діаграмі класів дане...
21290. Діаграма станів 479.5 KB
  Діаграма станів Вступ Розглянута в попередній лекції діаграма класів є логічний модель статичного подання модельованої системи. Справа в тому що характеристика станів системи не залежить або слабко залежить від логічної структури зафіксованої в діаграмі класів. Тому при розгляді станів системи припадає на час відволіктися від особливостей її об'єктної структури і мислити зовсім іншими категоріями які утворюють динамічний контекст поведінки модельованої системи. Тому при побудові діаграм станів необхідно використовувати спеціальні...
21291. Діаграма діяльності 625.5 KB
  Діаграма діяльності Вступ При моделюванні поведінки проектованої або аналізованої системи виникає необхідність не тільки уявити процес зміни її станів але і деталізувати особливості алгоритмічної та логічної реалізації виконуваних системою операцій. Для моделювання процесу виконання операцій в мові UML використовуються так звані діаграми діяльності. Застосовувана в них графічного багато в чому схожа на нотацію діаграми станів оскільки на діаграмах діяльності також присутні позначення станів і переходів. Кожен стан на діаграмі діяльності...
21292. Діаграма послідовності 571.5 KB
  Іншими словами хоча повідомлення і має інформаційний зміст воно набуває додаткове властивість надавати направлений вплив на свого одержувача. Повідомлення зображуються у вигляді горизонтальних стрілок з ім'ям повідомлення і також утворюють порядок за часом свого виникнення. Іншими словами повідомлення розташовані на діаграмі послідовності вище ініціюються раніше тих що розташовані нижче. Графічне зображення актора рекурсії та рефлексивного повідомлення на діаграмі послідовності 2.
21293. Методологія обєктно-орієнтованого аналізу і проектування ПЗ. Мова UML 72.5 KB
  Мова UML Зіставлення і взаємозв'язок структурного та об'єктноорієнтованого підходів Граді Буч сформулював головне достоїнство об'єктноорієнтованого підходу ООП наступним чином: об'єктноорієнтовані системи більш відкриті і легше піддаються внесенню змін оскільки їх конструкція базується на стійких формах. Буч відзначив також ряд наступних переваг ООП: об'єктна декомпозиція дає можливість створювати програмні системи меншого розміру шляхом використання загальних механізмів що забезпечують необхідну економію виразних засобів. Системи...
21294. Структурний підхід до проектування інформаційних систем 477 KB
  Основними з цих принципів є наступні: принцип абстрагування полягає у виділенні істотних аспектів системи і відволікання від несуттєвих; принцип формалізації полягає в необхідності суворого методичного підходу до вирішення проблеми; принцип несуперечності полягає в обгрунтованості та узгодженості елементів; принцип структурування даних полягає в тому що дані повинні бути структуровані і ієрархічно організовані. Кожній групі засобів відповідають певні види моделей діаграм найбільш поширеними серед яких є наступні: SADT...
21295. Мета та завдання дисципліни 88.5 KB
  CASEтехнологія являє собою методологію проектування ІС а також набір інструментальних засобів що дозволяють в наочній формі моделювати предметну область аналізувати цю модель на всіх етапах розробки і супроводу ІС і розробляти програми відповідно до інформаційними потребами користувачів. Поняття моделі та моделювання Модель це об'єкт або опис об'єкта системи для заміщення однієї системи оригіналу іншою системою для кращого вивчення оригіналу або відтворення будьяких його властивостей. Слово модель лат. При моделюванні...
21296. Діаграма варіантів використання (use case diagram) 504 KB
  Діаграма варіантів використання use case diagram Вступ Візуальне моделювання в UML можна уявити як певний процес поуровневого спуску від найбільш обший і абстрактної концептуальної моделі вихідної системи до логічної а потім і до фізичної моделі відповідної програмної системи. Для досягнення цих цілей спочатку будується модель у формі так званої діаграми варіантів використання use case diagram яка описує функціональне призначення системи або іншими словами те що система буде робити в процесі свого функціонування. Діаграма...