Описание установки и методики проведения измерений

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 331

ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА

Цель работы: исследование прохождения света через поляроиды.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Свет является электромагнитной волной, т.е. волной, в которой происходят колебания векторов  и  (  – вектор напряженности электрического поля,  – вектор напряженности магнитного поля). Электромагнитная волна поперечна, так как колебания векторов  и  перпендикулярны направлению ее распространения. Таким образом, три вектора ,  и скорость распространения волнового фронта  взаимно перпендикулярны и образуют правую тройку векторов. Как показывает опыт, физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются колебаниями электрического вектора. Поэтому его принято называть световым вектором. В дальнейшем мы будем говорить только о векторе  (направление вектора  всегда можно определить, зная направление ).

Естественный свет (т.е. свет, испускаемый обычными световыми источниками) есть совокупность световых волн со всевозможными направлениями колебания вектора , перпендикулярными к лучу света, быстро и беспорядочно сменяющими друг друга. Такой характер колебаний обусловлен спецификой излучения света. Излучение светящегося тела слагается из волн, испускаемых его атомами. Процесс излучения отдельного атома длится около 10^–8 с. За это время испускается цуг волн протяженностью примерно 3 м. Через некоторое время после излучения атом возбуждается и снова начинает излучать. Одновременно испускают энергию множество атомов. Цуги волн, излучаемые ими, накладываются друг на друга, образуя световую волну. Нам одновременно приходится наблюдать излучение огромного числа атомов, посылающих свет с различным направлением колебаний векторов  и . Кроме того, в естественном свете наблюдается быстрая смена этих ориентацией.

Свет, направление колебаний в котором упорядочены каким-либо образом, называют поляризованным. Свет, в котором имеется единственное направление колебаний вектора  (а, следовательно, и ), называют плоскополяризованным. Если конец вектора  описывает эллипс – эллиптически-поляризованным. В случае если конец вектора  описывает окружность, свет называется поляризованным по кругу.

Свет, в котором имеется преимущественное направление колебаний вектора , но при этом имеются и другие направления колебаний, называют частично поляризованным.

Анализ поляризованного света осуществляется с помощью поляризационных приборов. Если поляризационный прибор используется для получения поляризованного света, то он называется поляризатором. При использовании прибора для анализа поляризованного света его называют анализатором.

Если на пути естественного света поставить поляризатор, то из него выйдет плоскополяризованный свет, интенсивность которого I _о составит половину интенсивности естественного света I _ест:

.

Рассчитаем интенсивность света на выходе из второго поляризатора (анализатора). Пусть АА¢ (рис. 2) – плоскость, в которой колеблется световой вектор  в волне, выходящей из первого поляризатора (плоскость главного сечения поляризатора); ВВ¢ – плоскость главного сечения анализатора. Колебания  в луче, выходящем из анализатора, происходят в плоскости ВВ¢.

Из рис. 2 видно, что . Так как интенсивность света пропорциональна квадрату напряженности поля, получаем

,                              (2)

где I – интенсивность света на выходе из анализатора. Эта формула известна, как закон Малюса.

Интенсивность света I будет максимальной в том случае, когда  (главные сечения поляризатора и анализатора параллельны). При  интенсивность, света на выходе из анализатора равна нулю, т.е. скрещенные поляризаторы света не пропускают.

Реально прохождение света через анализатор и поляризатор связано с потерями световой энергии, т.е. световой луч при выходе из них имеет интенсивность меньшую, чем . Отношение интенсивности света, реально выходящего из поляризатора (или анализатора) к интенсивности выходящего света при отсутствии потерь, можно назвать коэффициентом пропускания k.

Если поляризатор вращать вокруг направления луча, то для частично поляризованного света наблюдается изменение интенсивности от I _max до I _min. Выражение

                                      (3)

называется степенью поляризации.

Для плоскополяризованного света I _min = 0 и Р = 1.

 

Виды поляризованного света.

Для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение лишь одного из векторов, характеризующих электромагнитную волну. Обычно все рассуждения ведутся относительно светового вектора-вектора напряженности электрического поля (при действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества).

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы же излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора (рис. 3, а; луч перпендикулярен плоскости рисунка).

рис. 3

В данном случае равномерное распределение векторов объясняется большим числом атомарных излучателей, а равенство амплитудных значений векторов -одинаковой (в среднем) интенсивностью излучения каждого из атомов. Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора называется естественным. Неполяризованный (естественный) свет испускают большинство типовых источников, например лампы накаливания.

Свет, в котором направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным. Так, если в результате каких-либо внешних воздействий появляется преимущественное (но не исключительное) направление колебаний вектора (рис. 3, б), то мы имеем дело с частично поляризованным светом. Свет, в котором вектор колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу (рис. 3,в), называется плоско поляризованным (линейно поляризованным).

Плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоско поляризованной волны и направление распространения этой волны, называется плоскостью поляризации. Плоско поляризованный свет является предельным случаем эллиптически поляризованного света-света, для которого вектор изменяется со временем так, что его конец описывает эллипс, лежащий в плоскости, перпендикулярной лучу (рис. 4,а).

рис. 4

Если эллипс поляризации вырождается в прямую (при разности фаз , равной нулю или ), то имеем дело с рассмотренным выше плоско поляризованным светом, если в окружность (при и равенстве амплитуд складываемых волн), то имеем дело с циркулярно поляризованным (поляризованным по кругу) светом (рис. 4,б и рис. 4,в соответственно).

Закон Малюса.

Закон Малюса — физический закон, выражающий зависимость интенсивности линейно-поляризованного света после его прохождения через поляризатор от угла между плоскостями поляризации падающего света и поляризатора.

где — интенсивность падающего на поляризатор света, — интенсивность света, выходящего из поляризатора, — коэффициент прозрачности поляризатора.

Установлен Э. Л. Малюсом в 1810 году.

В релятивистской форме

где и — циклические частоты линейно поляризованных волн, падающей на поляризатор и вышедшей из него.

Свет с иной (не линейной) поляризацией может быть представлен в виде суммы двух линейно-поляризованных составляющих, к каждой из которых применим закон Малюса. По закону Малюса рассчитываются интенсивности проходящего света во всех поляризационных приборах, например в поляризационных фотометрах и спектрофотометрах. Потери на отражение, зависящие от и не учитываемые законом Малюса, определяются дополнительно.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 331

ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА

Цель работы: исследование прохождения света через поляроиды.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Свет является электромагнитной волной, т.е. волной, в которой происходят колебания векторов  и  (  – вектор напряженности электрического поля,  – вектор напряженности магнитного поля). Электромагнитная волна поперечна, так как колебания векторов  и  перпендикулярны направлению ее распространения. Таким образом, три вектора ,  и скорость распространения волнового фронта  взаимно перпендикулярны и образуют правую тройку векторов. Как показывает опыт, физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются колебаниями электрического вектора. Поэтому его принято называть световым вектором. В дальнейшем мы будем говорить только о векторе  (направление вектора  всегда можно определить, зная направление ).

Естественный свет (т.е. свет, испускаемый обычными световыми источниками) есть совокупность световых волн со всевозможными направлениями колебания вектора , перпендикулярными к лучу света, быстро и беспорядочно сменяющими друг друга. Такой характер колебаний обусловлен спецификой излучения света. Излучение светящегося тела слагается из волн, испускаемых его атомами. Процесс излучения отдельного атома длится около 10^–8 с. За это время испускается цуг волн протяженностью примерно 3 м. Через некоторое время после излучения атом возбуждается и снова начинает излучать. Одновременно испускают энергию множество атомов. Цуги волн, излучаемые ими, накладываются друг на друга, образуя световую волну. Нам одновременно приходится наблюдать излучение огромного числа атомов, посылающих свет с различным направлением колебаний векторов  и . Кроме того, в естественном свете наблюдается быстрая смена этих ориентацией.

Свет, направление колебаний в котором упорядочены каким-либо образом, называют поляризованным. Свет, в котором имеется единственное направление колебаний вектора  (а, следовательно, и ), называют плоскополяризованным. Если конец вектора  описывает эллипс – эллиптически-поляризованным. В случае если конец вектора  описывает окружность, свет называется поляризованным по кругу.

Свет, в котором имеется преимущественное направление колебаний вектора , но при этом имеются и другие направления колебаний, называют частично поляризованным.

Анализ поляризованного света осуществляется с помощью поляризационных приборов. Если поляризационный прибор используется для получения поляризованного света, то он называется поляризатором. При использовании прибора для анализа поляризованного света его называют анализатором.

Если на пути естественного света поставить поляризатор, то из него выйдет плоскополяризованный свет, интенсивность которого I _о составит половину интенсивности естественного света I _ест:

.

Рассчитаем интенсивность света на выходе из второго поляризатора (анализатора). Пусть АА¢ (рис. 2) – плоскость, в которой колеблется световой вектор  в волне, выходящей из первого поляризатора (плоскость главного сечения поляризатора); ВВ¢ – плоскость главного сечения анализатора. Колебания  в луче, выходящем из анализатора, происходят в плоскости ВВ¢.

Из рис. 2 видно, что . Так как интенсивность света пропорциональна квадрату напряженности поля, получаем

,                              (2)

где I – интенсивность света на выходе из анализатора. Эта формула известна, как закон Малюса.

Интенсивность света I будет максимальной в том случае, когда  (главные сечения поляризатора и анализатора параллельны). При  интенсивность, света на выходе из анализатора равна нулю, т.е. скрещенные поляризаторы света не пропускают.

Реально прохождение света через анализатор и поляризатор связано с потерями световой энергии, т.е. световой луч при выходе из них имеет интенсивность меньшую, чем . Отношение интенсивности света, реально выходящего из поляризатора (или анализатора) к интенсивности выходящего света при отсутствии потерь, можно назвать коэффициентом пропускания k.

Если поляризатор вращать вокруг направления луча, то для частично поляризованного света наблюдается изменение интенсивности от I _max до I _min. Выражение

                                      (3)

называется степенью поляризации.

Для плоскополяризованного света I _min = 0 и Р = 1.

 

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

Для исследования закона Малюса используется специальная установка (рис.3), которая крепится на оптической скамье ОС. Свет от осветительной лампы падает на поляризатор П, а затем на анализатор А. После анализатора свет попадает на фотоэлектрический преобразователь ФЭП, который преобразует световую энергию в электрическую. Показания ФЭП пропорциональны интенсивности падающего на него света.

При изменении положении плоскости пропускания  анализатора от 0 до 180 градусов через 15 градусов по показаниям ФЭП определяется интенсивность света, прошедшего через поляризатор и анализатор (в делениях прибора). Результаты измерений заносятся в таблицу.

Таблица результатов измерений

,град	0	15	30	45	60	75	90	105	120	135	150	165	180
, дел.	29	25	18	11	5	2	0	5	12	19	25	28	29
	1,00	0,96	0,76	0,98	0,24	0,06	0,00	0,06	0,24	0,48	0,76	0,98	1,00
	1,00	0,94	0,75	0,50	0,25	0,06	0,00	0,06	0,25	0,50	0,75	0,94	1,00
	1,00	0,97	0,87	0,77	0,50	0,26	0,00	-0,26	-0,50	-0,71	-0,87	-0,97	-1,00

 

Сравнить результаты в третьей и четвертой строках.

По результатам измерений построить график зависимости

 

I=I/I_o=29/29=1

Cos²0=1

Cos0=1

График зависимости поляризации света

 

 

 

Контрольные вопросы

 

1. Естественный и поляризованный свет. Виды поляризованного света.

2. Способы получения поляризованного света.

3. Поляризация при отражении света от диэлектрика. Закон Брюстера.

4. Закон Малюса.

5. Вывод формулы для закона Малюса с учетом потерь световой энергии.