Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА

В ИЗОТРОПНОЙ СРЕДЕ

Методические указания

к учебно-исследовательской лабораторной работе

по курсу общей физики

для студентов всех специальностей

САРАТОВ 2005

Цель работы:

1) изучение явления поляризации световых волн в изотропной среде на примере плоских монохроматических электромагнитных волн;

2) экспериментальное выявление состояния поляризации света, прошедшего в общем случае через поляризатор (поляроид) и кристаллическую пластинку в четверть волны; определение параметров поляризации эллиптически поляризованного света.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Свет представляет собой электромагнитные волны. В вакууме (пустом пространстве) электромагнитные волны распространяются со скоростью света м/с. Основные свойства электромагнитных волн (света), распространяющихся в изотропной среде*, следуют из фундаментальных законов электромагнитного поля, выражаемых уравнениями Максвелла. Наибольшей простотой отличаются плоские монохроматические волны. Более сложные волны (сферические и др.) в малых областях пространства практически неотличимы от плоских. Эти свойства заключаются в первую очередь в поперечности и поляризации электромагнитных волн.

Электромагнитная природа света. Основные свойства электромагнитных волн

Как известно, возникновение в каком-либо месте среды переменного электрического тока (или поля) сопровождается появлением в окружа-ющем пространстве переменного магнитного поля (электромагнетизм). Это переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле (электромагнитная индукция) и т.д. Таким образом, в окружающем пространстве возникает последовательность взаимных превращений электрического и магнитного полей, распространяющихся от точки к точке. Этот процесс является периодическим во времени и в пространстве и представляет собой электромагнитную волну. Максвеллом (во второй половине XIX в.) была предложена система дифференциальных уравнений, описывающая электромагнитные волны.

______________

* Изотропной средой называется среда, имеющая одинаковые (тождественные) свойства для любых направлений. Если же эти свойства являются неодинаковыми по различным направлениям, то среда называется анизотропной.

Уравнения Максвелла устанавливают связь между изменениями напряженностей электрического ( ) и магнитного ( ) полей. Для однородной (диэлектрическая и магнитная проницаемости: , ) непроводящей (поверхностная и объемная плотности электрических зарядов: , ) изотропной среды* уравнения Максвелла имеют вид:

(в СИ) (1)

где и - электрическая и магнитная постоянные.

Из системы уравнений (1) следуют выводы, доказательство которых приведено в [1-4]:

1. Взаимосвязанные изменяющиеся во времени и в пространстве электрическое и магнитное поля являются вихревыми.

2. Электромагнитное поле распространяется в виде электромагнитной волны со скоростью , где – скорость света в вакууме ( ).

3. Электромагнитные волны являются волнами поперечными, т.е. векторы напряженности электрического и магнитного полей перпендикулярны направлению распространения самой волны (рис.1): и , где – вектор скорости распространения волны в данной среде.

Рис. 1. Взаимное расположение векторов напряженности электрического и магнитного полей и вектора скорости в электромагнитной волне

______________

* Применительно к уравнениям Максвелла, однородность и изотропность среды означает, что величины , характеризующие материальные свойства среды, не зависят от времени и координат, а также от величины векторов поля и .

Экспериментально было подтверждено, что световая волна обладает всеми перечисленными свойствами электромагнитной волны.

Как следует из электромагнитной теории света, показатель преломления, определенный как отношение скорости света в вакууме к фазовой скорости света в некоторой среде, равняется квадратному корню из произведения диэлектрической проницаемости на магнитную, т.е.

.

Для подавляющего большинства прозрачных сред . Поэтому можно считать, что

.

Эта формула связывает оптические свойства среды с ее электрическими свойствами.

Длина световой волны в среде с показателем преломления n связана с длиной волны в вакууме соотношением:

.

Модуль среднего во времени значения плотности потока энергии, переносимой световой волной, носит название интенсивности света I в данной точке среды:

.

При распространении света в однородной среде (показатель преломления такой среды ) интенсивность света I есть величина, прямо пропорциональная квадрату амплитуды световой волны:

.