Исследование явления поляризации света

 

Цель работы:изучить поляризацию света в системе поляризатор–анализатор; проверить закон Малюса; определить степень поляризации света при прохождении через поляризатор; определить показатель пре-ломления стекла с помощью закона Брюстера.

 

Приборы и принадлежности:оптическая скамья;лампа накаливанияв качестве источника света; источник питания, который позволяет регули-ровать напряжение, подаваемое на источник света; два поляроида; чер-

 

ное зеркало на поворотном столике; фотоэлемент, который помещен внутри цилиндрического черного колпачка для защиты от бокового осве-щения; микроамперметр.

 

 

Задание 1. Изучение закона Малюса

 

Методика эксперимента

 

Схема установки для экспериментальной проверки закона Малюса изображена на рис. 8.1, где 1 – источник света; 2 – поляризатор; 3 – ана-лизатор; 4 – фотоэлемент, 5 – микроамперметр.

 

Приемником света является фотоэлемент, величина фототока кото-рого пропорциональна интенсивности падающего на него света.

 

Рис. 8.1

 

Интенсивность света, прошедшего через систему идеальных поляризатора и анализатора, определяется законом Малюса

 

I = I ₀ cos²,

где I₀ – интенсивность света, прошедшего через поляризатор; – угол

между главными плоскостями поляризатора 2 и анализатора 3.

 

В работе в качестве поляризатора и анализатора применяются по-ляроиды, степень поляризации Р которых порядка 0,99. Так как поляроиды не обеспечивают полной поляризации света, то закон Малюса имеет вид

 

I = I ₁ + I ₀ cos²,

 

где I₁ – интенсивность неполяризованного светового пучка, прошедшего через систему; I₀ – интенсивность поляризованного света. При этом сте-пень поляризации света определяется выражением

P =	^I max ^- Imin	,	(8.1)
	^I max ^+ Imin

где I_max и I_min – максимальная и минимальная интенсивности света, со-

 

ответствующие двум взаимно перпендикулярным направлениям колеба-ний в световом потоке.

 

Исследуя зависимость интенсивности света I, прошедшего через си-стему поляризатор – анализатор, от cos²α, можно проверить закон Малю-са.

 

Порядок выполнения задания 1

 

1. Установить приборы на оптической скамье, как показано на рис. 8.1.

 

2. Включить в сеть блок питания источника света 1.

3. Включить в сеть блок питания фотоэлемента 4, который подключен к микроамперметру 5.

 

4. Расположить на оптической скамье источник света, поляроиды и фо-тоэлемент так, чтобы их оптические оси лежали на одной прямой.

 

5. Установить расстояние между источником и фотоэлементом не ме-нее 0,3 м.

 

6. Подобрать подаваемое на источник света напряжение (регулирует-ся ручкой на блоке питания) и предел измерения микроамперметра (нажа-тием определенной клавиши на нем) так, чтобы стрелка микроамперметра не выходила за пределы шкалы.

 

7. Совместить стрелку на оправе анализатора с нулем шкалы, имею-щейся на анализаторе.

 

8. Вращая поляризатор, добиться максимальной величины ин-тенсивности света, прошедшего через оба поляроида. Этому соответствует максимальная величина регистрируемого микроамперметром фототока.

 

9. Максимальное отклонение стрелки микроамперметра должно находиться в пределах последней четверти шкалы микроамперметра. При необходимости следует вернуться к п. 6.

 

10. Поворачивая анализатор в интервале 0... 180, через каждые 10 измерять величину фототока. Полученные данные занести в таблицу.

 

11. Построить график зависимости фототока I от cos²α.

12. По формуле (8.1) вычислить степень поляризации света Р, про-шедшего через анализатор.

 

13. Проанализировать зависимость фототока I от cos²α.

14. Сделать выводы.

 

Задание 2. Определение показателя преломления диэлектрика по углу Брюстера

 

При падении светового луча, распространяющегося в воздухе, на полированную поверхность диэлектрика под углом Брюстера i_Б отражен-

 

ный луч становится полностью поляризованным. Угол i_Б определяется из закона Брюстера tgi_Б= n₂₁, где n₂₁ – показатель преломления диэлектрика относительно воздуха (рис. 8.2).

 

 

Рис. 8.2

 

Порядок выполнения работы

 

1. Снять анализатор и на его место поставить столик с черным зерка-лом, которое может вращаться вокруг вертикальной оси.

2. Вращая столик, установить плоскость зеркала перпендикулярно па-дающему лучу, а указатель на лимбе столика за зеркалом на отметке 0

 

или 180.

3. Повернуть зеркало на некоторый угол (~40...50) и, вращая поляри-затор, визуально наблюдать отраженное от зеркала изображение источ-ника света. Зафиксировать поляризатор в положении, при котором интен-сивность отраженного луча будет минимальной.

 

4. Вращая столик с черным зеркалом влево – вправо, добиться еще больше-го уменьшения интенсивности изображения источника. Продолжать поочеред-ное вращение поляризатора и столика с черным зеркалом до тех пор, пока интенсивность изображения источника (отраженного луча) станет мини-

мальной. (Поскольку в данной работе поляризатор не идеален, то мож-но добиться только минимальной интенсивности отраженного луча (вместо полного ее отсутствия). Это возможно при одновременном

 

выполнении двух условий: 1) в падающем свете вектор E колеблется в плоскости падения света на зеркало; 2) угол падения равен углу Брю-стера.)

 

5. Отметить положение зеркала по указателю на лимбе. Определить угол Брюстера i_Б.

 

6. Используя закон Брюстера, определить показатель преломления стекла, из которого сделано черное зеркало:

n= tgi_Б.

7. Оценить погрешность полученного результата.

 

8. Провести анализ полученного результата и недостатков метода его получения.

 

Контрольные вопросы

 

Вариант 1

1. Какой свет называется естественным, линейно поляризованным, частично поляризованным?

 

2. Докажите, что интенсивность естественного света, прошедшего через любой идеальный поляризатор, равна половине интенсивности па-дающего света (при отсутствии поглощения в материале поляризатора).

 

3. Как поляризован свет при отражении и преломлении на границе раздела двух диэлектриков?

 

4. Какие поляризационные явления и устройства используются в аэрокосмической технике?

 

Вариант 2

 

1. Что называется степенью поляризации света?

2. Как можно практически отличить естественный свет от линейно поляризованного?

 

3. Каким образом на данной установке можно определить направле-ние разрешенных колебаний поляроида?

 

4. Назовите области применения поляризованного света.

 

 

Лабораторная работа № 3-09