Получение и исследование поляризованного света

 

Цель работы: ознакомление с методами получения линейно-поляризованного света и некоторыми его свойствами, проверка закона Малюса, определение угла Брюстера и показателя преломления вещества.

 

ВВЕДЕНИЕ

Свет представляет собой электромагнитные волны. Как известно, плоская электромагнитная волна является поперечной: вектор напряжённости электрического поля  и вектор напряженности магнитного поля  (или ) взаимно перпендикулярны и располагаются в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (лучу). Химическое и биологическое действие света связано с вектором , поэтому вектор напряжённости электрического поля называют световым.

Естественный свет представляет собой совокупность волн, излучаемых независимо друг от друга множеством атомов и молекул, с разными фазами и с различными равновероятными направлениями вектора . При некоторых условиях возможно получить такое поведение вектора , когда, за период колебаний конец этого вектора описывает замкнутую линию - эллипс, круг или прямую. Такой свет называется полностью поляризованным, а в зависимости от того, какую линию описывает конец вектора , различают эллиптически, по кругу и линейно (плоско)-поляризованный свет.

Глаз не отличает естественный свет от поляризованного, но имеется целый ряд явлений, свойственных только поляризованному свету, благодаря которым он и обнаруживается. Источниками линейно-поляризованного света являются лазеры. Получение поляризованного света из естественного возможно при разнообразных физических эффектах прохождении света через анизотропные среды, отражении от поверхности диэлектриков в др. Устройства для получения поляризованного света называют поляризаторами. Плоскость колебаний электрического вектора  в волне, прошедшей через поляризатор, называется плоскостью поляризатора.

Степень поляризации Р света, прошедшего через поляризатор, определяется соотношением:

                                                                           (1)

где  - минимальная интенсивность света;

 - максимальная интенсивность света.

Всякий поляризатор может быть использован для исследования поляризованного света, т.е. в качестве анализатора. Пусть на анализатор падает линейно-поляризованная волна с амплитудой напряжённости электрического поля , а плоскость колебаний этой волны образует с плоскостью главного сечения поляризатора угол j (рис. 1).

 

Направление распространения света

Оптическая ось поляризатора

Плоскость главного сечения поляризатора

Поляризатор

j

Рис. 1. Определение ла j между плоскостью колебаний падающей волны   лны и плоскостью главного сечения поляризатора.

 

 

Интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды напряжённости электрического поля: . В световой волне на выходе анализатора амплитуда напряжённости электрического поля равна , а интенсивность света:

                                                                               (2)

Соотношение (2) отражает закон Малюса.

Способы получения плоскополяризованного света:

1. Отражение света от поверхности диэлектрика. Отражённый от диэлектрика свет всегда частично поляризован. Степень поляризации отражённого луча зависит от относительного показателя преломления  и от угла падения a. При падении луча естественного света () на плоскость под углом Брюстера  отражённый луч  полностью поляризован, а преломлённый - максимально поляризован. Соотношение

                                                                                    (3)

отражает закон Брюстера. Плоскость колебаний вектора  в отражённом свете перпендикулярна плоскости падения.

Существование угла Брюстера легко понять, если учесть, что отражённая волна - результат излучения электромагнитных волн электронами среды, совершающими колебания под действием преломлённой волны. В случае ортогональности отражённой и преломлённой волн: колебания электронов, возбуждаемые компонентой , совпадают по направлению с отражённой волной и их излучение не даст вклада в её интенсивность. В результате в отражённой волне отсутствует компонента  (рис. 2).

Если на диэлектрик под углом Брюстера падает плоскополяризо-ванный свет, у которого вектор  лежит в плоскости падения, то отраженный луч будет отсутствовать (рис. 3). Именно это свойство используется в данной работе.

E

Рис. 2. К закону Брюстера.

E

Рис. 3. Отсутствие отраженного луча.

 

2. Преломление света в стопе стеклянных пластин. Для увеличения степени поляризации проходящего света используют стопу стеклянных пластин, расположенных под углом Брюстера к падающему свету. В этом случае можно получить практически полностью поляризованный свет.

3. Двойное лучепреломление.

Некоторые кристаллы обладают свойством двойного лучепреломления. Преломляясь в таком кристалле, световой луч разделяется на два линейно-поляризованных луча со взаимно перпендикулярными направлениями колебаний. Один из лучей называется обыкновенным (о), второй - необыкновенным (е). Обыкновенный луч подчиняется закону преломления, а необыкновенный - нет. Отклоняя один из лучей в сторону, можно получить на выходе линейно-поляризованный свет (призма Николя).

4. Поляроиды.

В некоторых кристаллах (турмалин) одна из преломленных волн поглощается больше чем другая (явление дихроизма). Это явление положено в основу действия поляроидов, одного из видов поляризаторов. Поляроиды представляют собой обычно тонкие целлулоидные пленки с введенными в них одинаковым образом ориентированными кристалликами сульфата йодистого хинина (герапатит). Пленка защищена от механических повреждений и действия влаги пластинками из стекла.

 

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная установка (рис. 4) собрана на оптической скамье и включает следующие приборы:

1 - осветитель, источник естественного света;

2 - регулятор интенсивности светового пучка;

3 - поляроид (в работе используются 2 поляроида);

4 - черное зеркало с фоторезистором 5;

6 - фотоприёмник;

7 - прибор для измерения фототока (микроамперметр).

Поляроид 3 заключён в оправу с лимбом, позволяющую вращать поляроид вокруг горизонтальной оси. Чёрное зеркало крепится на площадке с лимбом, которую можно вращать вокруг вертикальной оси.

 

вкл

m A

вкл

2

1

3

4

5

6

7

Рис. 4. Схема установки.

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Упражнение 1. Определение направления колебаний вектора  и показателя преломления материала.

1. На оптическую скамью установить осветитель 1, поляроид 3 и черное зеркало 4.

2. Включить осветитель кнопкой «сеть» на регуляторе.

3. Шкалу микроамперметра поставить на «´10» и включить его кнопкой «сеть».

4. Установить показания на шкале поляроида «0», на шкале чёрного зеркала 45°.

5. Прошедший сквозь поляроид и отражённый от зеркала свет наблюдают сбоку, при этом наблюдатель располагается так, чтобы изображение осветителя после отражения от черного зеркала было видно вблизи оси поворота зеркала. Поворачивая плоскость поляроида вокруг направления луча, можно заметить, что яркость отражения в чёрном зеркале изменяется. Плоскость поляроида нужно оставить в том положении, когда яркость минимальна. После этого вращают зеркало вокруг вертикальной оси, добиваясь минимальной интенсивности отраженного света, и наблюдают отраженный от зеркала свет. Поворачивая по очереди на небольшие углы поляроид и зеркало, уточнить их положения по визуально наблюдаемому минимуму отражения в чёрном зеркале. Записать угол поворота чёрного зеркала a _Б. Измерения провести 3 раза. Найти среднее значение < a _Б >.

6. По углу Брюстера определить коэффициент преломления материала, из которого изготовлено зеркало, используя формулу (3).

 

Упражнение 2. Изучение закона Малюса.

1. Установить на оптической скамье поляризатор, анализатор и фотоприемник 6.

2. Фотоприемник подключить к микроамперметру 7.

3. Включить микроамперметр, предварительно установив шкалу измерений на «10».

4. Установить шкалы поляризатора и анализатора на «0».

5. Вращая анализатор, добиться максимального отклонения стрелки микроамперметра. Согласно формуле (2), для этого положения j = 0, I = I_o.

6. Вращая анализатор в пределах полного оборота, выписать показания микроамперметра через каждые 30°, данные записать в таблицу.

 

№ изм.	j анализатора	I, мкА
1	0°
2	30°
…
13	360°

 

7. Построить график экспериментальной зависимости  в полярных координатах. Для этого на каждом луче, проведённом из центра 0 под углом j, в выбранном масштабе отложить значение величин , соответствующих этому углу j. Точки соединить плавной кривой. На этом же чертеже аналогичным образом построить теоретическую зависимость .

8. Определить степень поляризации по формуле (1).

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ СДАЧИ РАБОТЫ

1. Какой свет называется поляризованным?

2. Перечислите способы получения поляризованного света.

3. Сформулируйте законы Малюса и Брюстера.

4. Покажите, что при выполнении условия Брюстера отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3-9

Изучение спектра излучения ртутной лампы и определение постоянной Планка.

 

Цель работы: изучить спектры излучения нагретых тел, произвести градуировку монохроматора и определить постоянную Планка.

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Нагретые твердые тела являются источниками излучения электромагнитных волн различной длины. Спектры излучения бывают различными. Так, если на пути света, излучённого спиралью лампочки накаливания, поставить призму, то на экране будет наблюдаться сплошной спектр. Вещества в газообразном атомарном и молекулярном состоянии дают соответственно линейчатый и полосатый спектры.

Поставим между лампой накаливания и призмой кювету с водным раствором , при этом в коротковолновой (зеленой) области спектра наблюдается темная полоса. Это происходит потому, что данный раствор в этой части спектра поглощает электромагнитное излучение. Причина такого поглощения следующая: ионы  в водном растворе , могут диссоциировать согласно уравнению:

где D W - энергия, необходимая для диссоциации одного иона. Если энергия кванта, проходящего через раствор: , больше или равна энергии D W, необходимой для разложения одного иона, т.е. , то фотон будет поглощён ионом  и его энергия пойдёт на диссоциацию. Таким образом, все кванты, энергия которых больше некоторой предельной, будут поглощаться раствором .

Пусть наименьшая энергия, достаточная для диссоциации иона , тогда

где с - скорость света в вакууме;  - длина волны, соответствующая границе поглощения излучения в сплошном спектре при прохождении света через раствор;  - постоянная Планка.

Определив опытным путем , можно вычислить постоянную Планка по формуле:

                                                                               (1)

где  - скорость света в вакууме.

Длину волны  можно определить с помощью призменного спектрометра (монохроматора). Для этого предварительно необходимо произвести градуировку прибора по эталонному спектру (в нашей работе – спектру ртути), т.е. снять зависимость по шкале прибора  от длины волны . Построив градуировочный график, можно найти , предварительно определив отсчёт , соответствующий границе поглощения (рис. 1).

 

    l

         

 

 

l _max

 

                                     a

                                               

                                                                         

                                              

                Рис.1. Градуировочный график.

 

 

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

 

Установка состоит из источников света - лампы накаливания или ртутной лампы, кюветы с поглощающим раствором и спектрального призменного прибора - монохроматора. Ртутная лампа является источником линейчатого спектра и служит для градуировки монохроматора. Лампа накаливания является источником сплошного спектра и служит для определения  с помощью градуировочного графика монохроматора. Коротковолновая часть этого спектра поглощается в кювете с раствором .

Приборная часть лабораторной установки показана на рис.2. Здесь представлены: 1 - монохроматор, 2 - ртутная лампа, 3 - блок питания, 4 - лампа накаливания, 5 - кювета с раствором , 6 - оптическая скамья.

Включение ртутной лампы производится тумблером «ДРГШ» с последующим нажатием кнопки «ПУСК». Включение лампы накаливания осуществляется тумблером «К12».

 

1

5

2

4

6

3

Рис. 2. Схема установки

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание 1. Градуировка монохроматора.

1. Убедитесь, что на оптической скамье находится только ртутная лампа.

2. Включите блок питания и зажгите ртутную лампу. Внимание! Во избежание повреждения сетчатки глаза ультрафиолетовыми лучами избегайте прямого попадания излучения ртутной лампы в глаз.

3. Наблюдая линейчатый спектр ртутной лампы через окуляр зрительной трубы монохроматора, добейтесь резкого изображения линий.

4. Снимите отсчеты, соответствующие девяти спектральным линиям, изображённым на стандартной таблице (смотрите спектр излучения атомов ртути). Цвет линии, длину волны  (из таблицы) и отсчёт по барабану монохроматора, соответствующий данной длине волны, запишите в таблицу 1. Длина волны в таблице указана в ангстремах, 1  = 10^-10 м. Для отсчёта положения спектральной линии её центр совмещают с остриём указателя. Отсчёт производится по делениям барабана .

5. Выключите ртутную лампу.

                                                                                         Таблица 1

№ п/п	Цвет линии
1
2
…
9

 

Задание 2. Определение границы поглощения сплошного спектра

1. Установите на оптическую скамью лампу накаливания. Включите её и, вращая барабан монохроматора, наблюдайте в окуляре сплошной спектр.

2. Поместите кювету с раствором  перед щелью монохроматора.

3. Наблюдая сплошной спектр, найдите границу поглощения и, совмещая с ней указатель, снимите отсчёт по барабану. Измерения проделайте 5 раз, каждый раз вращением барабана смещая указатель на несколько десятков делений влево или вправо от границы поглощения. Результаты запишите в таблицу 2.

                                                                                         Таблица 2

№ п/п			,	, /град
1
…
5

 

4. После окончания работы выключите установку.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

 

1. Найдите среднее значение отсчёта , соответствующего границе поглощения. Результаты запишите в таблицу 2.

2. Постройте градуировочный график на миллиметровой бумаге.

3. По градуировочному графику, зная , найдите длину волны, соответствующую границе поглощения .

4. По формуле (1) рассчитайте постоянную Планка . Сравните найденное значение  с табличным.

                                                    

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ СДАЧИ РАБОТЫ

1. Какие виды спектров электромагнитного излучения существуют?

2. В чём заключается гипотеза Планка?

3. Что называется постоянной Планка, каковы её значение и размерность?

4. По какой формуле определяется минимальная порция энергии излучения?

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3-10