Порядок выполнения работы
2.1. Соберите на оптической скамье схему, показанную на рис.6.
Рис.6. 1. Анализатор, 2. Поляризатор 3. Матричный приёмник изображения (ПЗС),
4. Осветитель, 5. Монитор, отображающий изображение на приёмнике
2.2. Задайте в окне свойств поляризатора, выведенном щелчком правой кнопки «мыши» по держателю поляризатора, любой угол в диапазоне от 90 до180 градусов.
2.3. Задавайте в окне свойств анализатора, выведенном щелчком правой кнопки «мыши» по держателю анализатора, такие углы в диапазоне от 0 до 360 градусов, чтобы разница φ = - принимала значения от –90 до +90 через 10 градусов.
2.4. Регистрируя в таблице 1 долю излучения прошедшего через поляризатор и анализатор на приёмник, постройте график зависимости этой величины от угла φ
2.5. Сравните результаты с графиком, построенном по формуле (1).
2.6. Повторите пункты 2.2 –2.5 для трёх других углов в диапазоне от 90 до180 градусов.
Сформулируйте выводы по проделанной работе
Таблица 1
φ |
P |
½ cos2 φ |
φ |
P |
½ cos2 φ |
φ |
P |
½ cos2φ |
+ 90 + 80 . . + 10 0 |
|
|
+ 90 + 80 . . + 10 0 |
|
|
+ 90 + 80 . . + 10 0 |
|
|
3. Контрольные вопросы.
3.1. Дайте определение света с линейной поляризацией.
3.2. В каком случае доля прошедшего поляризаторы излучения может быть больше 50%
3.3. В каком случае доля прошедшего поляризаторы излучения может отличаться для различных значений угла но при одинаковых углах φ.
3.4. Сформулируйте закон Малюса.
Лабораторная работа № 8 Качественное изучение явления рефракции в среде с плавно изменяющимся показателем преломления.
Цель: качественно исследовать явление рефракции и понять механизмы формирования миражей и прочих рефракционных явлений в атмосфере.
1. Краткое теоретическое описание
Луч света распространяется прямолинейно, если среда на его трассе изотропна, в частности абсолютный показатель преломления среды везде одинаков. Однако, если показатель преломления среды плавно изменяется на трассе луча, траектория луча света искривляется (рис.1), причём луч смещается в сторону увеличения показателя преломления.
рис.1. Траектория луча в среде с плавно изменяющимся показателем преломления.
Если луч проходит трассу длинной Z в среде, в которой показатель преломления увеличивается поперёк трассы с величины n1 до n2 (на величину ∆n) на поперечном расстоянии ∆r, то направление его распространения изменится на угол , рассчитываемый по формуле:
(1)
Это явление получило название рефракция излучения, хотя в буквальном переводе слово рефракция означает преломление. Типичной средой, в которой постоянно происходят явления рефракции, является атмосфера с уменьшающимся с высотой показателем преломления. Излучение от любого космического источника света, поступающее на поверхность Земли, испытывает рефракцию в атмосфере. Таким образом, при астрономических наблюдениях за светилами, в расчеты их движения нужно вводить поправку на рефракцию, которую впервые ввёл Клавдий Птолемей в эпоху поздней античности II век н.э.
Если светило находится на горизонте, то средняя рефракция при температуре 10оС и давлении 760 мм рт. ст. составляет 35'24''. Она быстро уменьшается по мере поднятия светила над горизонтом. Уже при поднятии на один градус, средняя рефракция уменьшается до 24'37''. Этим объясняется сплюснутая форма Солнца при восходе и заходе (рис.2).
Рис. 2. Закат Солнца. На самом деле Солнце зашло уже несколько минут назад.
С рефракцией связано некоторое удлинение дня. Для средних широт оно составляет в среднем 3 - 4 минуты.
Рефракция зависит от длины волны. Поэтому при заходе Солнца сначала должны исчезать красные и желтые лучи, а оставшийся сегмент солнечного диска должен окрашиваться на одну - две секунды в зеленый или даже синий цвет. Когда заходящее солнце исчезает за горизонтом, оно бросает свой последний, ярко-зеленый луч, который виден невооруженным глазом. При восходе Солнца, наоборот, должна сначала появляться кратковременная зеленая вспышка. Это явление "зеленого луча" наблюдается на море, да и то крайне редко, так как необходимы исключительно спокойная атмосфера и ясная погода (рис. 3).
рис.3 Образование зелёного луча на закате солнца
Миражи
Так как показатель преломления среды возрастает вместе с ее плотностью вниз, то, достигнув высоты h, луч может загнуться книзу в сторону поверхности Земли. На указанной высоте происходит нечто аналогичное полному отражению (рис.4). Такое явление может возникнуть при сильно аномальном распределении плотности воздуха по высоте и является причиной различного рода миражей, наблюдаемых в атмосфере.
Р
ис.
4.
Обычно наблюдается верхний или нижний мираж. При верхнем мираже, помимо самих предметов, видны их изображения, расположенные сверху; при нижнем мираже изображение получается ниже самого предмета. Нижний мираж наблюдается в пустынях и в степях в теплое время года, когда прилегающий к земной поверхности слой воздуха сильно нагрет, а его плотность и показатель преломления быстро возрастают с высотой. Из каждой точки предмета в глаз наблюдателя всегда попадают прямые лучи, т.е. лучи, не испытавшие полного отражения в воздухе; им соответствует обычно - прямое - изображение предмета. Но при больших градиентах показателя преломления могут также попасть лучи, испытавшие полное отражение. Они дают обратное изображение предмета, как в зеркале (рис.5). Поскольку лучи от кусочков неба над предметом испытывают такое же отражение, создается иллюзия водной поверхности, в которой, как в зеркале, видно изображение неба.
Рис. 5. Образование нижнего миража (ход лучей).
Аналогично объясняется и верхний мираж (рис.6). Если над слоем прохладного воздуха оказывается более нагретый и сильно разреженный воздушный слой, то лучи света описывают большую дугу и возвращаются вниз за десятки километров от источника. С Лазурного берега иногда можно увидеть Корсику, расположенную за 200 километров оттуда. Жители бельгийского города Вервье в 1815 году увидели в небе целую армию. За сто километров от этого города в это утро произошла битва при Ватерлоо.
рис. 6. Образование верхнего миража (ход лучей).