Определение увеличения микроскопа и показателя

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ   «БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра физики

 

 

ЕН.Ф.03 ФИЗИКА

ЕН.Ф.03 ФИЗИКА И БИОФИЗИКА

 

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

 

ОПТИКА

 

Уфа 2006

 

 

УДК 535

ББК 22.34

Л 12

 

Рекомендовано к изданию методической комиссией факультета электрификации и автоматизации сельского хозяйства (протокол № 4 от «27» декабря 2006г.)

 

Составитель: доцент Белобородова Н.Н.

 

Рецензент: доцент кафедры физики УГАТУ Сагитова Э.В.

 

Ответственный за выпуск: зав. кафедрой физики доцент

Юмагужин Р.Ю.

Лабораторный практикум предназначен для студентов всех специальностей.

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

	Введение
	Лабораторная работа № 1 Определение увеличения микроскопа и показателя преломления стекла
	Лабораторная работа № 2 Определение показателя преломления жидкостей рефрактометром
	Лабораторная работа №3 Изучение интерференции света и определение преломляющего угла бипризмы Френеля
	Лабораторная работа №4 Изучение явления дифракции света на дифракционной решетке
	Лабораторная работа №5 Изучение внутренних напряжений в телах с помощью поляризованного света
	Лабораторная работа №6 Определение концентрации глюкозы в растворе по углу вращения плоскости поляризации
	Лабораторная работа №7 Фотометрические характеристики и определение освещенности поверхности с помощью люксметра
	Библиографический список
	Приложение А

 

Введение

 

Лабораторный практикум по разделу «Оптика» предназначен для студентов очного и заочного отделений всех специальностей.

Тематика работ соответствует ГОС ВПО и примерной программе дисциплины «Физика», утвержденной Минобразования России в 2000г.

Лабораторные работы рассчитаны на выполнение в течение двухчасового занятия.

На этапе подготовки к работе, при выполнении и оформлении отчета требуется большая самостоятельная работа студентов.

Для понимания физических явлений и законов и защиты результатов приведена необходимая краткая теория. За более полными знаниями и выводами следует обратиться к учебникам, список которых приведен в конце практикума.

В процессе выполнения лабораторных работ студенты имеют возможность приобрести умения обращаться с разнообразным физическими приборами и навыки правильного измерения физических величин и их обработки.

В каждой лабораторной работе указано на практическое использование изучаемых физических явлений.

Лабораторный практикум составлен на основе методических указаний, разработанных преподавателями кафедры физики БГАУ: Посняком В.К., Белобородовой Н.Н.

 

 

 

 

Лабораторная работа №1

Определение увеличения микроскопа и показателя

Преломления стекла

 

Цель и задачи работы: Изучение основных понятий геометрической оптики, знакомство с устройством и принципом действия микроскопа; определение коэффициента увеличения микроскопа и показателя преломления стеклянной пластинки.

Общие сведения

 

Микроскопом называется оптический прибор, позволяющий получать значительное увеличение изображения малых объектов. Оптическая система состоит из двух линз – короткофокусной собирающей линзы 1 (объектива) и длиннофокусной собирающей линзы 2 (окуляра) (рисунок 1).

Рисунок 1 Оптическая схема микроскопа

 

Предмет АВ помещается вблизи фокуса F ₁ объектива, расстояние от предмета до объектива d ₁ F₁. Действительное перевернутое увеличенное изображение А ^/ В ^/ оказывается за фокусом F₂ линзы окуляра на расстоянии f₁ l+F₁. На основании рисунка 1 из подобия треугольников получим увеличение объектива К ₁:

, (l >> F ₁).

Человек смотрит через окуляр, как через лупу, и видит мнимое увеличенное изображение А^//В^//. Оно находится от окуляра на расстоянии L»25 см (расстояние ясного зрения).

Увеличение окуляра K₂ при d₂ » F₂, и f₂ » L равно:

.

Общее увеличение микроскопа К равно произведению:

. (1)

Оптические микроскопы не могут давать увеличение больше, чем в 2500…3000 раз. Это ограничение связано с дифракцией света на входном отверстии объектива.

Вследствие дифракции на краях диафрагмы, ограничивающей объектив, изображение отдельных точек наблюдаемого предмета получается в виде светлых дисков, окаймленных концентрическими темными и светлыми кольцами. Две близкие точки А и В различимы в поле зрения (разрешимы) при условии, если их изображения перекрываются не более, чем на величину радиуса диска (рисунок 2).

Для микроскопа разрешаемое расстояние У равно приблизительно половине длины волны, т.е. при l»0,55 мкм, У» 0,3 мкм. Еще меньшие по размеру объекты и расстояния неразличимы. Чтобы увеличить разрешающую способность оптических приборов нужно либо увеличить диаметр объектива, либо уменьшить длину световой волны.

Рисунок 2 Изображение в оптической системе двух близко расположенных точек А и В: 1 – предмет, 2 – оптическая система,

3 – наблюдаемое изображение

 

Наивысшая разрешающая способность (от 0,01 до 0,0001 мкм) достигается у электронных микроскопов, изображение в которых получается за счет отражения от поверхности пучка электронов, имеющих волновые свойства. С помощью электронных микроскопов можно добиться значительно больших увеличений (до 10⁶ раз), что позволяет наблюдать детали структур размерами до 0,1 нм.

И вывод расчетной формулы

 

Лабораторная установка включает в себя приборы: микроскоп, рисовальный аппарат, микрометр и вспомогательное оборудование: объект-микрометр, стеклянную пластинку и настольную лампу.

Микроскоп

Оптический микроскоп состоит из оптической и механической частей. Механическая часть состоит из штатива 1 (рисунок 3), коробки с микромеханизмом 2, макро- и микрометрического винтов 3 и 3^/, тубуса 4, револьверной системы смены объективов 5, предметного столика 6, конденсора с диафрагмой 7, зеркала 8.

Рисунок 3 Устройство микроскопа

 

Макро- и микровинты 3 и 3^/ обеспечивают плавное перемещение тубуса в пределах 50 мм. Предметный столик предназначен для размещения и закрепления исследуемого образца.

Зеркало микроскопа 8 направляет свет на препарат, а конденсор 7 фокусирует лучи света на нем. Диафрагма регулирует светосилу конденсора.

Задание 1 Определение увеличения микроскопа

 

3.1.1 При подготовке к лабораторной работе необходимо изучить и законспектировать соответствующие темы по одному из учебников, указанных в библиографическом списке:

-для инженерных специальностей С.104 – 310 /1/, С.76 – 91 /4/,

- для неинженерных специальностей С.437 – 444 /3/.

3.1.2 На предметный столик микроскопа положить объект-микрометр.

3.1.3 Повернуть кольцо А (рисунок 4 б) на рисовальном аппарате против часовой стрелки и сфокусировать микроскоп с помощью винтов 3 и 3^/ (рисунок 6) на ясное видение шкалы объект-микрометра.

3.1.4 Параллельно объект-микрометру расположить на столе миллиметровую масштабную линейку.

3.1.5 Повернуть кольцо А по часовой стрелке так, чтобы одновременно увидеть изображение шкалы объект-микрометра и деления масштабной линейки.

3.1.6 Отсчитать, сколько делений объект-микрометра N ₁ совпадает с некоторым числом делений линейки N₂. Опыт повторить 5 раз. Результаты измерений занести в таблицу 1.

 

Таблица 1 Результаты определения увеличения микроскопа

Обозначение физических величин
№ опыта	N1	N2	K		DKi			±

 

3.1.7 По формуле 3 вычислить увеличение микроскопа К в каждом опыте, затем найти среднее увеличение микроскопа .

3.1.8 Результаты вычислений занести в таблицу 1.

3.1.9 Вычислить абсолютные погрешности отдельных опытов ΔК _i, а затем абсолютную и относительную погрешности для среднего значения ( и ε_к = ) по правилам математической статистики (последовательность расчетов показана далее в п.3.2.7).

 

Задание 2 Определение показателя преломления

Лабораторная работа № 2

Рефрактометром

 

Цель и задачи работы: Ознакомление с основными законами геометрической оптики; изучение принципа действия рефрактометра и определение показателей преломления жидкостей; определение концентрации растворов по экспериментальному графику.

 

Общие сведения

Показатель преломления является важнейшей оптической характеристикой жидкости, связан с ее химической структурой, с концентрацией раствора и ее плотностью.

Явление полного отражения света используется в призмах полного отражения. Такие призмы применяются в оптических приборах (например, в биноклях, перископах), а также в рефрактометрах, позволяющих определять показатели преломления тел (жидких и твердых).

Явление полного отражения используется также в световодах, представляющих собой тонкие, произвольным образом изогнутые нити (волокна) из оптически прозрачного материала. В волоконных кабелях применяется стеклянное волокно, сердцевина которого окружается оболочкой из материала с меньшим показателем преломления.

Свет, падающий на торец световода под углами, большими предельного, претерпевает на поверхности раздела сред полное отражение и распространяется только по световедущей жиле. Световоды используются в электронно-лучевых трубках, в электронно-вычислительных машинах, для кодирования информации, в медицине (например, для диагностики желудка), для целей интегральной оптики и т.д.

Порядок выполнения работы

и требования к оформлению результатов

 

3.1 При подготовке к лабораторной работе необходимо изучить и законспектировать законы геометрической оптики из учебников, указанных в библиографическом списке:

-для инженерных специальностей С.302 – 304 /1/, С.76 –91 /4/;

-для неинженерных специальностей С.430 – 435 /3/.

3.2 Открыть верхнюю призму 7 (рисунок 3) рефрактометра и нанести пипеткой на нижнюю призму 3 2-3 капли исследуемой жидкости, например, дистиллированной воды. Затем опустить откидную осветительную призму вплотную к нижней призме.

3.3 На окно осветительной призмы 7 направить свет от лампы (второе окно должно быть при этом закрыто заслонкой 14). Сфокусировать окуляр зрительной трубы и, вращая зеркало 11, добиться яркого освещения поля зрения и шкалы.

3.4 Вращая ручку компенсатора устранить окраску границы раздела.

3.5 Вращая ручку поворота призм, подвести визирный крест в поле зрения до совпадения с границей раздела светотени и по шкале отсчитать значение показателя преломления дистиллированной воды до четвертого знака после запятой.

3.6 Измерить показатели преломления нескольких растворов с известной концентрацией глюкозы С ₁, С ₂, С ₃ и с неизвестной концентрацией С_{Х 1} и С_{Х 2}.

3.7 Опыт повторить 3 раза, найти для каждой концентрации n, затем найти среднее , измеренные и рассчитанные величины записать в таблицу 1.

 

Таблица 1 Результаты измерений показателя преломления

Обозначение физических величин
Концентрация, С,%	№ опыта	вода С О = 0 %	С 1	С 2	С 3	СХ 1	СХ2
Показатель преломления, n
	среднее

 

3.8 На основании полученных данных построить график зависимости показателя преломления (средних значений)от концентрации растворов. График должен быть линейным (на миллиметровой бумаге размером не меньше 15 15 см). Несовпадение точек с графиком возможно вследствие изменения концентрации раствора со временем из-за испарения воды или из-за осаждения части растворенного вещества.

3.9 Из графика n = f (C) найти неизвестную концентрацию С_х по его показателю преломления.

3.10 По разбросу точек около линейного графика определить наибольшее отклонение от графика Δ С_Х (экспериментальная погрешность).

3.11 Найти инструментальную погрешность концентрации, она пропорциональна погрешности показателя преломления:

где k – угловой коэффициент наклона графика.

Из технического паспорта рефрактометра ИРФ – 454 известно, что предел допускаемой основной погрешности показателя преломления Dn = (инструментальная погрешность).

3.12 Записать окончательный результат в цифровом виде:

C_x = C_x ΔC_{x ,}

где ΔС_х - одна из погрешностей – инструментальная или экспериментальная – та, которая больше.

3.13 В отчете привести только рисунок оптической схемы призменного блока рефрактометра (рисунок 1).

 

4 Контрольные вопросы

4.1 Что называется показателем преломления вещества, от чего он зависит?

4.2 Объясните законы отражения и преломления света.

4.3 В чем суть явления полного внутреннего отражения?

4.4 Как связан предельный угол преломления с относительным и абсолютным показателями преломления среды?

4.5 Начертите ход лучей в призменном блоке рефрактометра.

4.6 Почему при освещении белым светом граница раздела поля зрения становится радужной?

4.7 Почему одна половина поля зрения темная, а другая светлая?

4.8 Как с помощью рефрактометра можно определять концентрацию растворов?

4.9 Можно ли с помощью рефрактометра определить показатель преломления непрозрачных жидкостей?

4.10 Где применяется явление полного внутреннего отражения?

 

 

Лабораторная работа №3

И выводы расчетных формул

 

Лабораторная установка располагается на оптической скамье и состоит из осветительного фонаря, раздвижной щели, светофильтров, бипризмы и окулярного микрометра.

Бипризма Френеля состоит из двух стеклянных призм с малыми преломляющими углами, сложенных своими основаниями.

Интерференционная картина образуется в результате наложения двух пучков света, отклоненных бипризмой.

Световые волны, образованные путем деления одной волны на две, являются когерентными. Наблюдателю кажется, что пучки света исходят от двух мнимых источников S ₁ и S ₂ (рисунок 1), которые находятся за бипризмой на продолжении отклоненных лучей.

В данной работе требуется по интерференционной картине рассчитать расстояние d между мнимыми источниками и величину преломляющего угла β бипризмы.

Рисунок 1 Оптическая схема установки: S – источник света, S ₁ и S₂ – мнимые изображения источника, b – расстояние от источника света до бипризмы, a –расстояние от бипризмы до экрана, φ - угол отклонения лучей, β - преломляющий угол бипризмы, d – расстояние между мнимыми источниками света

 

Выводы расчетных формул

Рассмотрим один из методов, позволяющий найти связь показателя преломления n вещества призмы и ее преломляющего угла β (рисунок 2).

Рисунок 2 Ход лучей в трехгранной призме

 

После двукратного преломления (на левой и правой гранях призмы) луч оказывается отклоненным от первоначального направления на угол , называемый углом отклонения. Угол , заключенный между преломляющими гранями, называется преломляющим углом призмы. Угол отклонения зависит от преломляющего угла и показателя преломления n призмы. В /3/ приводится вывод формулы для преломляющего угла призмы:

(5)

Из Δ (рисунок 1) следует: (для малых углов )

. (6)

Лабораторная работа №4

На дифракционной решетке

Цель и задача работы: Изучение дифракции световых волн на одной щели и многих щелях (дифракционной решетке), определение длины световых волн видимого спектра с помощью дифракционной решетки.

 

Общие сведения

 

Световые волны могут огибать препятствия и проникать в область геометрической тени. Это явление называется дифракцией света. Явление дифракции наблюдается также и среди волн другой природы – механических, звуковых и др., при условии, если размеры препятствий (отверстие, щель, прозрачный экран) соизмеримы с длиной волны.

Дифракционные картины нередко возникают в естественных условиях. Так, например, цветные кольца, окружающие источник света, наблюдаемый сквозь туман или через запотевшее оконное стекло, обусловлены дифракцией света на мельчайших водяных каплях. Дифракцией света ограничена разрешающая способность оптических приборов, т.е. способность этих приборов давать четкие, раздельные изображения мелких деталей предмета.

Дифракция используется в научно-исследовательских целях для изучения кристаллической структуры вещества при прохождении через вещество рентгеновских лучей (рентгенография), электронов (электронография), нейтронов (нейтронография). Восстановление голографического изображения объясняется также дифракцией лазерного луча на фотопластинке, на которой зарегистрирована голограмма. Гюйгенсом и Френелем был сформулирован принцип, объясняющий явление дифракции света, согласно которому каждая точка волнового фронта является источником вторичных когерентных сферических волн, а испускаемые этими источниками волны впоследствии интерферируют между собой.

Широкое распространение в научном эксперименте и технике получили дифракционные решетки, предназначенные для разложения света в спектр и измерения длин волн. Дифракционная решетка представляет собой стеклянную пластинку, на которой остро отточенным алмазным острием нанесен ряд параллельных штрихов. Число их доходит до 2000 на 1 мм. Через промежутки между штрихами свет проходит, сами же штрихи, т.е. места, где стекло повреждено, являются непрозрачными для световых лучей. Ширину щели обозначим через а, ширину непрозрачной части экрана между двумя соседними щелями – через b. Величина d = а+b называется постоянной дифракционной решетки. За решеткой осуществляется многолучевая интерференция когерентных пучков света, исходящих от щелей решетки при ее освещении. Пусть на решетку перпендикулярно ее поверхности падает плоская монохроматическая волна. Разность хода D между вторичными волнами, исходящими от соседних щелей решетки, будет d sin j =D, а разность фаз

,

где j - угол дифракции.

Интерференционная картина, наблюдаемая на экране Э (рису-

нок 1), представлена набором светлых полос различной интенсивности, разделенных темными промежутками.

Для получения на экране светлой полосы требуется, чтобы разность хода лучей равнялась , , …, , т.е. четному числу полуволн или целому числу длин волн:

d sin j = kl, (1)

где k – целое число (k =0, ± 1, ±2…), оно соответствует номеру светлой полосы, отсчитываемой от центра картины. Величина k называется также порядком спектра.

Светлые полосы на экране называются главными максимумами. Для всех остальных точек экрана, для которых не соблюдается равенство (1), получатся темные полосы.

На рисунке 1 показан общий характер распределения интенсивности на четырех щелях (N = 4) дифракционной решетки.

Если щель будет одна, то распределение интенсивности будет иметь характер, показанный пунктирной линией. Минимумы, образованные одной щелью присутствуют и в картине от дифракционной решетки – это главные минимумы.

Рассмотренная выше картина относилась к дифракции монохроматического света на решетке. В белом свете каждая из волн различной длины дает свою дифракционную картину. Из условия максимума следует, что угол j для фиксированного номера порядка k возрастает с увеличением l.

Рисунок 1 Ход лучей через дифракционную решетку и образование дифракционной картины: 1 – дифракционная решетка; 2 – линза; 3 – экран

 

В нулевом порядке центральный максимум (j = 0) совпадает для всех волн. Поэтому в центре образуется белая полоса. Затем идет первый порядок, представленный всеми длинами волн видимого спектра – от фиолетового до красного, далее во втором и третьем порядках этот спектр повторяется, всё более расширяясь и перекрывая друг друга. Наиболее четкое распределение спектральных полос можно увидеть при использовании источника, имеющего линейчатый спектр, например, свет ртутной или водородной ламп.

 

И вывод расчетной формулы

Установка по изучению дифракции света состоит из набора приборов (рисунок 2), размещенных на оптической скамье.

Осветительная лампа 2 размещена в фокусе линзы 3. Параллельный пучок лучей проходит через узкую щель с раздвижными краями 4, затем объектив 5 и дифракционную решетку 6. Расстояние между дифракционной решеткой и экраном можно изменять и измерять его величину линейкой 7. Отклоненные дифракционной решеткой лучи попадают на экран 8. Ход лучей за дифракционной решеткой показан на рисунке 3. Из прямоугольных треугольников SOA можно получить соотношение

, (2)

где l = SO – расстояние от дифракционной решетки до экрана, x = OA- расстояние от центра экрана до заданной полосы.

Рисунок 2 Установка для изучения дифракции света:

1 – защитный кожух; 2 – осветительная лампа;

3 – коллиматорная линза; 4 – раздвижная щель;

5 – объектив; 6 – дифракционная решетка;

7 – измерительная линейка; 8 – экран

 

Рисунок 3 Ход лучей в установке:

1 – дифракционная решетка, 2 – экран

 

При угол j мал, поэтому в первом приближении можно принять, что . Подставив выражение (2) в условие максимума дифракционной решетки (1), получим формулу для определения длины световой волны:

, (3)

где х – расстояние между красными или между фиолетовыми полосами в спектре одного порядка (соответственно х_k или x _f), м; k – порядок спектра, отсчитываемый от центральной белой полосы; d – постоянная дифракционной решетки, d = 0,01 мм = 10^{-5 м} (на 1 мм длины нанесено 100 штрихов); - расстояние от дифракционной решетки до экрана, м.

3 Порядок выполнения работы

и требования к оформлению результатов

 

3.1 При подготовке к лабораторной работе необходимо изучить и составить конспект по теме «Дифракция света» по одному из учебников, указанных в библиографическом списке:

- для инженерных специальностей С.331 – 341 /1/, С.436 – 447 /2/, С.134 – 173 /4/;

- для неинженерных специальностей С.470 – 480 /3/.

3.2 Включить осветительную лампу.

3.3 С помощью регулировочного рычага (или винта) установить ширину щели около 5 мм.

3.4 Расстояние от щели до дифракционной решетки должно быть не более 10 см.

3.5 Поместить подвижный экран 8 на расстояние 25…30 см от дифракционной решетки.

3.6 Добиться наиболее яркого спектра на экране 8.

3.7 Измерить расстояние между фиолетовыми полосами x _f и между красными полосами х _k в спектрах первого порядка (k =1) (рисунок 3). Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1.

3.8 Измерить x_f и х_k в спектрах второго порядка (k =2).

3.9 Переместить подвижный экран 8 на расстояние 40…50 см от дифракционной решетки и измерить x _f и х _k в первом и во втором порядках спектра.

3.10 По формуле (3) рассчитать длину волны l _ф и l_k в четырех опытах, затем найти средние и .

3.11 Найти абсолютные погрешности для каждого измерения Δλ_i = - λ_i , затем вычислить квадраты , по которым рассчитывается среднее квадратическое:

.

 

 

. Измеренные и вычисленные значения внести в таблицу 1.

 

Таблица 1 Результаты измерений расстояний и определения

длин световых волн

Обозначения физических величин
№ опыта	d, м	k	, м	хф,, м	хk, м	lф нм	Dlф нм	(Δλф^2)i	lk, нм	Dlk
среднее

 

3.12 По таблицам Стьюдента (Приложение А) для четырех опытов (N = 4) и доверительной вероятности Р = 0,95 найти коэффициент t_P,N.

Найти границы доверительного интервала

(4)

 

и относительную ε_λ погрешность (%):

.

 

3.13 Для сравнения точности эксперимента (4) и точности инструментов провести расчет инструментальной погрешности Dl.. Максимальные погрешности определения х и по миллиметровой линейке Dх=D = 1 мм (им соответствует доверительная вероятность 0,997). Для косвенных измерений длин волн расчет погрешности провести по формуле:

,

затем найти абсолютную инструментальную погрешность:

. (5)

Сравнить эту инструментальную погрешность (5) с экспериментальной (4). Из них взять ту, которая больше, и записать окончательный результат.

Расчеты погрешностей провести для обеих длин волн и .

3.14 Окончательный результат выразить в нанометрах

(1 нм = 10^{-9 м} ) и представить числовой результат в виде:

,

.

3.15 Сделать вывод. Сравнить найденные длины волн l_ф и l _k с видимым диапазоном шкалы электромагнитных волн.

4 Контрольные вопросы

5.1 Какие волны называются когерентными?

5.2 Сформулировать принцип Гюйгенса-Френеля.

5.3 Что такое зона Френеля и как объяснить дифракцию на одной щели с помощью зон Френеля?

5.4 Как происходит дифракция на двух и более щелях?

5.5 В чем суть графического метода сложения амплитуд?

5.6 От чего зависит разрешающая способность дифракционной решетки и как ее определить в данной лабораторной работе?

5.7 Чем отличается дифракционный спектр, полученный от решетки, от спектра, полученного с помощью призмы?

5.8 Почему центральная полоса в дифракционной картине получается белой, в то время, как полосы первого и второго порядков – радужные?

5.9 Для чего применяются дифракционные решетки?

5.10 Почему нельзя построить микроскоп на линзах для наблюдения атомов и молекул?

 

 

Лабораторная работа №5

Общие сведения

Поляризация света – свойство света, проявляющееся в пространственно–временном упорядочении векторов напряженности электрического и магнитного полей электромагнитных волн.

Применение поляризации света весьма разнообразно: исследование строения кристаллов, плавное изменение и регулировка интенсивности световых потоков, светоблокировка, высокочастотная модуляция света в оптических счетных машинах, сахариметрия, метод фотоупругости, применяемый для изучения распределения механической нагрузки в прозрачных моделях деталей машин и в строительстве и др.

Согласно волновой теории свет представляет собой поперечные электромагнитные волны. Реальные источники света содержат множество возбужденных атомов, излучающих по данному направлению волны, плоскости колебаний которых произвольно ориентируются в пространстве. Свет, в котором наблюдаются различные ориентации плоскости колебаний, называется естественным светом (рисунок 1а). А свет, в котором колебания вектора совершаются в одной плоскости, называется линейно - поляризованным светом (рисунок 1в). На рисунке 1б показано расположение векторов напряженности электрического поля в частично поляризованном свете. Фотохимическое, физиологическое и фотоэлектрическое действие оказывает электрическое поле, поэтому вектор считается более важным. В дальнейшем мы не будем упоминать о магнитном поле, хотя оно неотделимо от электрического в электромагнитной волне и всегда вектор напряженности магнитного поля перпендикулярен вектору напряженности электрического поля.

Рисунок 1 Изображения направлений векторов в пучке электромагнитных волн в: а – естественном; б - частично поляризованном и в - линейно поляризованном свете

 

Устройства, при помощи которых естественный свет превращается в поляризованный, называются поляризаторами.

В качестве поляризаторов часто используются призмы Николя. Призма Николя вырезается из кристалла исландского шпата. Грани и углы призмы имеют определенные размеры (рисунок 2).

Рисунок 2 Ход лучей в призме Николя:1 – кристалл исландского шпата, 2 – оптическая ось кристалла, 3 – обыкновенный луч (о), 4 – необыкновенный луч (е), 5 - склеивающий слой

канадского бальзама

 

В призме распространяются две волны по разным направлениям. Обе волны поляризованы, но поляризованы они во взаимно перпендикулярных плоскостях. Один луч – обыкновенный (о), для него выполняется закон преломления света. Показатель преломления исландского шпата n₀ для обыкновенного луча постоянен (n = 1,66). Другой луч – необыкновенный (е), он не подчиняется закону преломления, показатель преломления n_е зависит от угла падения естественного света на грань призмы. Для показателей преломления n_к, n₀ и n_е выполняется условие:

n₀ > n_к > n_е ,

где n_к – показатель преломления склеивающего слоя (канадского бальзама).

Обыкновенный луч, падая на слой клея, испытывает полное отражение и поглощается затемненной гранью призмы. Необыкновенный луч, преломившись, проходит через призму (рисунок 2).

Причиной двойного лучепреломления является анизотропия поляризуемости молекул, которая ведет к тому, что диэлектрическая проницаемость, а, значит, и показатели преломления среды будут различны для разных направлений электрического вектора световой волны в кристалле.

В учебных лабораториях для получения линейно поляризованного света используются доступные и дешевые приборы – поляроиды, в которых происходит явление оптического дихроизма, т.е. различного поглощения обыкновенного и необыкновенного лучей. Из поляроида выходит свет, поляризованный в одной плоскости, совпадающей с главной плоскостью поляроида.

Закон Малюса

Если на пути распространения поляризованного света, вышедшего из поляроида 1 (поляризатор), расположить поляроид 2 (анализатор), то можно определить степень поляризации света, падающего на анализатор (рисунок 3).

Через анализатор пройдут только колебания с амплитудой:

. (1)

Другая часть - Е₂ = Е_о sin α поглотится анализатором.