Уфимский государственный авиационный технический университет

Лабораторная работа №66 по курсу общей физики.

Изучение поляризованного света и внутренних напряжений в твердых телах оптическим методом.

Выполнил: студент группы ИИТ-225 Усманов К.Р.

Уфа 2001

1. Цель работы

Экспериментальная проверка закона Малюса и изучение механических напряжений в деформированной балке из оргстекла поляризационно-оптическим методом.

2. Теоретическая часть

Световая волна, исходящая от светящегося тела представляет собой наложение огромного количества волн, испускаемых отдельными атомами светящегося тела. Атомы излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому направления световых колебаний в таких волнах не связаны друг с другом. Свет, в котором в каждый момент времени векторы напряженностей электрического и магнитного полей и , перпендикулярные к вектору скорости распространения волны, хотя и остаются взаимно перпендикулярными, но их направления беспорядочно изменяются с течением времени, называется естественным. Свет, в котором направления колебаний векторов напряженностей электрического и магнитного полей каким-либо образом упорядочены, называется поляризованным. Если колебания светового вектора происходят в одной плоскости, свет называют плоскополяризованным.

При падении естественного света на поляризатор П из последнего выходит поляризованный луч, интенсивность которого равна половине начальной. Если на пути полоскополяризованного света поставить поляризатор А так, чтобы плоскости пропускания П и А были параллельны, то поляризованный свет пройдет через анализатор, не снижая своей интенсивности. Иначе интенсивность света, прошедшего через систему, будет зависеть от взаимной ориентации А и П.

Закон Малюса:

, (2.1)

где I – интенсивность света, прошедшего через анализатор;

I₀ – интенсивность света, прошедшего через поляризатор;

  угол между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора;

a₀ – амплитуда колебаний световой волны, прошедшей через поляризатор;

a₁₁ – составляющая амплитуды колебаний, параллельной плоскости анализатора.

Поместим прозрачный образец между скрещенными поляризатором и анализатором. При отсутствии деформации в образце свет, прошедший через поляризатор, согласно закону Малюса полностью задерживается анализатором. При механических деформациях изотропный образец становится анизотропным и возникает преимущественная ориентация и изменение расположения молекул в пространстве, что приводит к возникновению двойного лучепреломления. Разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей n_o – n_e я является мерой возникшей анизотропии.

Разность фаз колебаний обыкновенного и необыкновенного лучей, вышедших из напряженного образца

, (2.2)

где   оптическая разность хода, равная

, (2.3)

где d – толщина образца.

Опыт показывает, что в области упругих деформаций оптическая разность хода в образце линейно зависит от упругих напряжений , возникающих в образце под действием давления P, и толщины образца:

. (2.4)

3. Экспериментальная часть

   1. Схема установки

где 1 – скамья;

2 – осветитель;

3 – конденсор;

4 – поляризатор;

5 – образец;

6 – анализатор;

7 – круговая шкала;

8 – объектив;

9 – экран;

10 – фотоэлемент;

11 – микроамперметр;

12 – блок питания;

13 – реостат.

2. Проверка закона Малюса

, o	i, мкА	, o	i, мкА	, o	i, мкА	, o	i, мкА	, o	iср, мкА	cos2
0	12,0	180	11,5	180	11,5	360	12,0	0	11,75	1,000
10	9,0	170	14,0	190	9,0	350	14,0	10	11,50	0,970
20	6,5	160	16,0	200	6,0	340	15,5	20	11,00	0,883
30	4,0	150	17,5	210	4,0	330	17,0	30	10,63	0,750
40	3,0	140	17,5	220	3,0	320	17,5	40	10,25	0,587
50	2,5	130	16,5	230	2,5	310	17,0	50	9,63	0,413
60	3,0	120	16,0	240	3,0	300	16,0	60	9,50	0,250
70	4,0	110	14,0	250	4,0	290	14,0	70	9,00	0,117
80	6,5	100	11,5	260	6,0	280	11,0	80	8,75	0,030
90	9,0	90	9,0	270	8,5	270	8,5	90	8,75	0,000

мкА i

Cos²

Вывод: экспериментально выяснить справедливость закона Малюса не удалось из-за влияния внешних факторов (источников света), в результате чего показания получились неточными.

4. Ответы на контрольные вопросы

1. Какой свет называется естественным, плоскополяризованным?

Свет, в котором в каждый момент времени векторы напряженностей электрического и магнитного полей и , перпендикулярные к вектору скорости распространения волны, хотя и остаются взаимно перпендикулярными, но их направления беспорядочно изменяются с течением времени, называется естественным. Свет, в котором направления колебаний векторов напряженностей электрического и магнитного полей каким-либо образом упорядочены, называется поляризованным. Если колебания светового вектора происходят в одной плоскости, свет называют плоскополяризованным.

2. Какие способы поляризации вам известны?

Существует много способов поляризации света, основанных на поляризации света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков, дихроизме и двойном лучепреломлении.

3. Сформулируйте закон Малюса.

Интенсивность плоскополяризованного света, проходящего через анализатор, прямо пропорциональна квадрату косинуса угла между плоскостями поляризации плоскополяризованного света и анализатора.

4. Физическая сущность двойного лучепреломления.

Оптически анизотропия среды проявляется различной по разным направлениям способностью среды реагировать на действие падающего света. Под воздействием поля световой волны происходит смещение электрических зарядов атомов вещества. Для оптически анизотропных сред величина смещения в поле данной напряженности зависит от направления электрического вектора световой волны. То есть диэлектрическая проницаемость, а значит и показатель преломления среды различны для разных направлений. Следовательно, и скорость света зависит от направления распространения световой волны и плоскости ее поляризации. При переходе луча света из среды изотропной в среду анизотропную наблюдается двойное лучепреломление. В результате преломления в анизотропной среде распространяется два луча – обыкновенный и необыкновенный, которые линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях и распространяются с различными скоростями.

5