12122

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОВ ЛИНЕЙНОПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА (ЗАКОНЫ МАЛЮСА И БРЮСТЕРА)

Лабораторная работа

Физика

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА Лабораторная работа № 7 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОВ ЛИНЕЙНОПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА ЗАКОНЫ МАЛЮСА И БРЮСТЕРА Цель работы: проверка законов Малюса и Брюстера. Оборудование: гелийнеоновый лазер или лампа накаливания поляризатор в поворотной опр...

Русский

2013-04-24

298.5 KB

34 чел.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

Лабораторная работа № 7

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОВ ЛИНЕЙНОПОЛЯРИЗОВАННОГО

СВЕТА (ЗАКОНЫ МАЛЮСА И БРЮСТЕРА)

Цель работы: проверка законов Малюса и Брюстера.

Оборудование: гелий-неоновый лазер или лампа накаливания, поляризатор в поворотной оправе, фотосопротивление, блок питания с микроамперметром, пластина диэлектрика на вращающемся лимбе, металлическая пластина.

Краткие теоретические сведения

Закон Малюса. Пусть плоскополяризованный свет с амплитудой колебаний электрического вектора ЕP и интенсивностью Iр, полученный от лазера или пропусканием естественного света через поляризатор П (рис. 1, а), падает на анализатор А.

Предположим, что плоскость колебаний вектора ЕП поляризованного света составляет угол с плоскостью АА анализатора. Через анализатор пройдет только составляющая ЕА параллельная плоскости АА анализатора (рис. 1, б) и равная

.  (1)

Перпендикулярную составляющую Е анализатор не пропустит. Так как интенсивность света I пропорциональна квадрату амплитуды колебаний вектора  (I~E), то, возведя левую и правую части соотношения (1) в квадрат, получим

   (2)

 

Таким образом, интенсивность света, прошедшего через анализатор IA, равна произведению  интенсивности света, прошедшего через поляризатор IP, на квадрат косинуса угла между плоскостью колебаний поляризованного света и плоскостью анализатора. Соотношение (2) называется законом Малюса. Согласно закону при вращении анализатора вокруг луча интенсивность поляризованного света IА, проходящего через анализатор, будет меняться от Imin = 0 (при = /2) до Imax = IП   (при = 0).

Рис. 1

Закон Брюстера. При падении естественного света на границу раздела двух изотропных диэлектриков отраженный и преломленный лучи света частично поляризуются. При угле падения Б, удовлетворяющему условию

,  (3)

(n21 – показатель преломления второй среды относительно первой, n21=n2 / n1), отраженный свет полностью поляризуется. В нем содержатся только колебания светового вектора Е, перпендикулярные плоскости падения (точки на рис. 2). При этом преломленный луч поляризован лишь частично с преобладанием колебаний вектора Е, лежащих в плоскости падения (стрелки на рис. 2). Соотношение (3) называется законом Брюстера, а угол Б – углом Брюстера или углом полной поляризации. Он имеет определенное значение для каждого диэлектрика. При выполнении условия (3) отраженный луч перпендикулярен преломленному (ОВОС на рис. 2, а).

Можно дать следующее физическое истолкование закона Брюстера. Падающий на границу раздела двух диэлектриков естественный свет можно представить в виде двух плоскополяризованных некогерентных волн с векторами , находящимися во взаимно перпендикулярных плоскостях. Пусть одна из компонент вектора  лежит в плоскости падения (стрелки на луче АО, рис. 2), а другая перпендикулярна плоскости падения (точки на луче АО, рис. 2, а).

Рис. 2

При проникновении световой волны в диэлектрик ее электрический вектор Е вызывает вынужденные колебания электронов, принадлежащих атомам (или молекулам) второй среды. Колебания электронов совершаются в направлениях, совпадающих с направлениями вектора Е, т. е. в плоскости падения и перпендикулярно ей. Колеблющийся электрон излучает вторичную электромагнитную плоскополяризованную волну, интенсивность I которой зависит от направления её распространения и может быть представлена полярной диаграммой излучения (рис. 3).

Рис. 3

Здесь радиус-вектор r характеризует величину интенсивности излучения в определенном направлении. Как видно из диаграммы, вдоль оси колебания электрона y излучение отсутствует, а вдоль направления x, перпендикулярного этой оси, интенсивность излучения максимальна. Поскольку при падении света на диэлектрик под углом Брюстера отраженный луч ОВ перпендикулярен преломленному ОС (рис.2), то ОВ совпадает с направлением колебаний вектора Е и направлением колебаний электронов, колеблющихся в плоскости падения, и, следовательно, эти электроны не излучают энергии вдоль ОВ на рис. 2, совпадающей с осью у на рис. 3.

Таким образом, в отраженной волне отсутствуют колебания электрических векторов Е в плоскости падения и содержатся только перпендикулярные ей. Однако эксперимент показывает, что закон Брюстера соблюдается не строго. Например, коэффициент отражения плоскополяризованного света с колебаниями Е в плоскости падения не обращается в нуль ни для какого угла падения, хотя при угле Брюстера он и очень мал. Такое отступление от точного выполнения закона Брюстера можно объяснить наличием на поверхности тонкого переходного слоя, свойства которого отличны от свойств самой среды. Некоторые возможные причины возникновения таких переходных слоев следующие:

1) электрическое поле световой волны, действующее на приграничные молекулы среды, может отличаться от действующего поля для остальных молекул;

2) анизотропные молекулы, если среда построена из таковых, могут ориентироваться вблизи поверхности в некоторых преимущественных направлениях;

3) плотность среды в таком приграничном слое может отличаться от плотности остальной среды.

Описание установки

Установка для проверки закона Малюса состоит из источника поляризованного света – лазера 1, анализатора 2 и фотосопротивления 3, установленных по схеме, изображенной на рис. 4. Вместо лазера можно использовать лампу накаливания и поляризатор.

Рис. 4

Анализатор снабжен поворотным вращающимся лимбом, по которому отсчитываются углы поворота плоскости анализатора. Фотосопротивление преобразует падающий на него свет в фототок, пропорциональный интенсивности падающего света. Фототок измеряется микроамперметром.

Установка для проверки закона Брюстера содержит источник поляризованного света – лазер (или лампу накаливания с поляризатором) и пластинку диэлектрика (стекло). Пластинка укреплена на горизонтальном поворотном диске с лимбом для отсчета углов и может вращаться вокруг вертикальной оси. За отраженным лучом наблюдают по экрану или на стене.

Порядок выполнения работы

Задание 1. Проверка закона Малюса

1. Тумблером включите лазер согласно инструкции. Не смотрите на встречу лазерному лучу!

2. Включите питание фотосопротивления.

3. Установите анализатор и фотосопротивление так, чтобы световой луч, пройдя через центр анализатора, попадал на фотосопротивление.

4. Вращая анализатор, найдите такое его положение, при котором фототок (показания микроамперметра) имеет максимальное значение i max. При этом деление на лимбе анализатора берется за начало отсчета угла и принимается  равным нулю.

5. Поверните анализатор на 10 и запишите показания микроамперметра в табл. 1.

Таблица 1

Номер измерения

 град

i мкА

cos2

1



36

6. Измерения проведите до 360 через каждые 10.

7. Выключите питание фотосопротивления и лазер.

8. По экспериментальным точкам (табл. 1) постройте график зависимости фототока i, пропорционального интенсивности I проходящего через анализатор света, от квадрата косинуса угла поворота анализатора I  f (cos2) Сравните график с теоретической зависимостью по закону Малюса.

Задание 2. Проверка закона Брюстера

1. Уберите анализатор и фотосопротивление с оптической скамьи.

2. Установите пластинку диэлектрика на диске с лимбом так, чтобы отраженный луч попадал в выходное отверстие лазера. Угол падения  луча при этом равен 0.

3. Медленно поворачивая диск с диэлектриком, увеличивайте угол падения и наблюдайте на экране (стене) за изменением интенсивности отраженного луча. Так как плоскость колебания вектора Е в падающем луче совпадает с плоскостью падения луча, то при угле его падения, равном углу Брюстера, отраженный луч будет иметь минимальную интенсивность. Найдите такое положение пластинки диэлектрика и запишите значение угла Брюстера в табл. 2 (рис. 2).

Таблица 2

Номер

измерения

Б град

Б град

n

1

5

4. Измерения повторите пять раз.

5. По среднему значению угла Брюстера найдите показатель преломления диэлектрической пластины.

6. Оцените ошибку измерений и результат запишите в следующем виде: n  n  n

7. Замените пластину диэлектрика металлической и оцените характер поляризации отраженного от металла света.

Контрольные вопросы

1. Что представляет собой свет с точки зрения электромагнитной теории?

2. Какой свет называется плоскополяризованным и чем он отличается от естественного света?

3. Что такое плоскость поляризации (плоскость колебаний) светового луча?

4. Вывести и пояснить закон Малюса.

5. Поясните схему установки, на которой проверяется закон Малюса. Проанализируйте полученные результаты. Выполняется ли закон Малюса?

6. В чем заключается закон Брюстера?

7. Почему свет, отраженный от диэлектрика под углом Брюстера, является плоскополяризованным?

8. Объясните наблюдаемое в опыте изменение интенсивности отраженного от диэлектрика луча света.

9. Расскажите об устройствах для получения плоскополяризованного света.

10. Где применяется поляризованный свет?

Библиографический список

к лабораторной работе № 7

1. Савельев, И. В. Курс общей физики: учеб. пособие / И. В. Савельев. – СПб.: Лань, 2005. – Т. 2. – § 134  § 135.

2. Савельев, И. В. Курс общей физики. Волны. Оптика: учеб. пособие для втузов / И. В. Савельев. – М.: Астрель, 2003. – Т. 4. – гл. 6 § 3.1. – § 3.2.

3. Яворский, Б. М. Курс общей физики: в 3-х т. Т. 3 / Б. М. Яворский, А. А. Детлаф. – М., 1990.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

23367. Исследование термоэлектрического термометра 436.5 KB
  Произвести измерения термоЭДС на клеммах подключения термопары 1819 для значений указанных преподавателем. Рассчитать основную абсолютную погрешность прибора по формуле: где Eиtt0 – измеренное значение термоЭДС; Eдtt0 – действительное значение термоЭДС определяемое по градуировочной таблице с учетом введения поправки на температуру свободных концов. Рассчитать основную приведенную погрешность термопары по формуле: где Eвt0C и Eнt0C – значения термоЭДС соответствующие верхнему и нижнему пределам измерения температуры...
23368. Исследование уровнемера У1500 180 KB
  Порядок выполнения работы Ознакомиться с описанием уровнемера У1500. Подключить вилку разъема датчика уровнемера к соответствующему гнезду на задней панели измерителя. Установить поплавок уровнемера поочередно в пяти точках по мерной линейке по заданию преподавателя сначала по возрастанию – прямой ход а затем в тех же точках по убыванию – обратный ход и занести соответствующие показания прибора в таблицу см.
23369. Исследование метрологических характеристик электромеханических приборов 646 KB
  Построить графики зависимости абсолютной погрешности прибора от его показаний при его работе на постоянном токе. Определить максимальное значение приведенной основной погрешности прибора для постоянного тока. На основе анализа полученных данных сделать вывод о соответствии основной погрешности и вариации показаниям определяемым классом точности испытуемого прибора.
23370. Исследование преобразователя давления Метран 100 444 KB
  Провести поверку преобразователя давления Метран100 с помощью грузопоршневого и образцового пружинного манометров. Построить градуировочную характеристику зависимости унифицированного токового сигнала Iвых от входного давления Рд. Описание лабораторной установки Лабораторная установка представляет собой поверочный грузопоршневой манометр МП60 пресс на котором установлены образцовый манометр с пределом измерения 25 МПа и преобразователь давления Метран 100 с цифровым индикатором жидкокристаллическим дисплеем для представления...
23371. Создание мультимедийных приложений 115 KB
  В настоящей лабораторной работе будет показано как создать простейшие приложения для прослушивания звуковых файлов и просмотра анимации с помощью компонента MediaPlayer. Компонент MediaPlayer Компонент MediaPlayer расположен на странице System Палитры Компонентов. Общий вид компонента MediaPlayer представлен на рис. Вид MediaPlayer на форме Ниже в таблице 16.
23372. Использование компонента Timer. Организация простейшей мультипликации 68.5 KB
  В данной работе приводятся примеры работы компонента Timer обеспечивающего доступ к системному таймеру компьютера и его использование совместно с компонентом Image для создания простейшей мультипликации. Компонент Timer. Прием сообщений от таймера компьютера в приложении Delphi обеспечивает специальный компонент Timer со страницы System Палитры Компонентов.
23373. Конструирование меню и работа со стандартными окнами диалога Windows 322.4 KB
  Контекстное меню Рабочая область редактора Панель инструментов Меню Рис. Создание главного меню приложения Для создания главного меню приложения необходимо: поместить на форму компонент MainMenu Главное меню со станицы Standard Палиры Компонентов. Двойным щелчком по данному невизуальному компоненту вызвать редактор меню: Перемещаясь по обозначенным пунктам меню задаем в свойстве Caption каждого пункта.
23374. Отображение графической информации в Delphi 112.5 KB
  Объект Canvas Delphi имеет в своём распоряжении специальный объект который оформлен в виде свойства Canvas. Слово Canvas можно перевести на русский язык как холст для рисования или канва. Если у объекта есть свойство Canvas на его поверхности можно рисовать. Кроме компонентов перечисленных выше свойством Canvas обладают также: Image SpLitter ControlBox а так же объект TPrinter который благодаря этому свойству позволяет распечатывать графические изображения на принтере.
23375. Определение момента инерции с помощью маятника Обербека 349 KB
  Китаева Определение момента инерции с помощью маятника Обербека Методические указания к выполнению лабораторной работы № 6 по курсу механики молекулярной физики и термодинамики. Маятник Обербека предназначен для изучения прямолинейного равнопеременного и вращательного движения в частности для определения ускорения момента инерции тел. Векторное уравнение 1 эквивалентно трём скалярным уравнения 2 каждое из которых из которых представляет собой основное уравнение динамики вращательного движения относительно неподвижной оси или :...