Экспериментальные данные к проверке закона Малюса

Угол	Измерения от 00 до 1800		Измерение от 1800 до 00		Среднее I
	№ п\п	Ток 1 (~ интен-ти)	№ п\п	Ток 2 (~ интен-ти)
00	1		39
100	2		…
…	…		21
1800	19		20

Обработка результатов наблюдений

По данным табл. 66.1 необходимо построить графики:

а) зависимости интенсивности света, выходящего из анализатора I, от угла α;

б) зависимости интенсивности света, выходящего из анализатора I, от cos² α.

По оси ординат следует откладывать среднее значение I. Эта величина измеряется в единицах показаний верхней шкалы микроамперметра.

Теоретическую зависимость I от α и I от cos²α следует провести сплошной линией, а данные из табл. 66.1 нанести точками.

Сделайте вывод о том, подтверждают или нет экспериментально полученные данные закон Малюса.

Контрольные вопросы

1. Как получают поляризованный свет?

2. Выведите закон Малюса.

3. Какой вид имеет зависимость I от cos α? Что дают результаты ваших исследований?

4. От чего зависит интенсивность света (и пропорциональный ей ток датчика) в экспериментальной установке?

5. Нарисуйте график зависимости I от cos² α в соответствии с законом Малюса. Что определяет наклон этого графика?

Лабораторная работа № 66а

ЗАКОН МАЛЮСА. ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗОВАННОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

В аналитической химии, в фармации и в биотехнологии для определения концентрации растворов cахаров, лекарств, витаминов и др. широко используются приборы (поляриметры), основанные на практическом применении свойств поляризованного света. Поэтому знание свойств поляризованного света необходимо как провизору, так и инженеру-химику и биотехнологу.

В настоящей работе закладываются основы навыков и умений, необходимых для дальнейшей работы с поляриметрами. В данной работе поляриметр используется для изучения лазерного излучения.

При подготовке к лабораторной работе ознакомьтесь с изложением закона Малюса в конспектах лекций. Следует также проработать тему «Закон Малюса» по пособию: Волновая оптика: Методические указания по курсу «Физика и биофизика». С. 32-34.

Необходимо знать материал по темам:

а) естественный и поляризованный свет;

б) закон Малюса;

в) применение явления поляризации.

Цель работы

Изучить зависимость интенсивности поляризованного света, прошедшего через анализатор, от угла между плоскостями поляризации этого света и света, падающего на анализатор, т. е. экспериментально проверить закон Малюса.

Оборудование (см. рис. 66а. 1).

Внимание! Установка настроена. Установку настраивает лаборант.

Рис 66а.1. Вид установки, используемый в лабораторной работе:

1 —лазер, являющийся источником поляризованного излучения; 2 — анализатор («поляроид»): 3 — фотоэлемент, измеряющий интенсивность лазерного излучения; 4 — каретки, фиксируемые на оптической скамье;

5 — источник питания; 6 — цифровой измеритель относительной интенсивности лазерного излучения; 7— оптическая скамья

Краткие теоретические сведения

Лазер излучает поляризованный свет. Поляризованной называется световая электромагнитная волна, в которой напряженность электрического поля совершает колебания в одной плоскости. 'Эта плоскость называется плоскостью поляризации. Устройство, обнаруживающее поляризацию светового луча, называется анализатором.

Анализатор можно представить себе как узкий промежуток между двумя пластинами — «щель». Прохождение поляризованной световой волны через анализатор подобно распространению волны вдоль шнура, протянутого через щель (рис. 66а.2).

Рис. 66а.2. Щель как модель анализатора:

1 — щель (анализатор); 2 — шнур (направление распространения света);

3 — плоскость щели (плоскость пропускания анализатора

Рассмотрим случай, когда плоскость пропускания анализатора (плоскость «щели») и плоскость колебаний напряженности электрического поля в падающей волне ( ) совпадают, т.е. угол между этими плоскостями равен нулю (α=0) (рис. 66а.3). Тогда световые волны с такой плоскостью поляризации (Е₀) проходят анализатор (щель) полностью. В этом случае очевидно, что интенсивность световой волны (I), прошедшей через анализатор, равна интенсивности (I₀) падающей поляризованной волны I₀ = I.

Рис. 66а.3. Плоскость анализаторa (плоскость щели) и плоскость поляризации падающей на анализатор световой волны совпадают (α =0). Анализатор пропускает весь падающий на него поляризованный свет (I = I₀)

Рассмотрим другой случай, когда угол α между плоскостью «щели» (плоскостью пропускания анализатора) и плоскостью колебаний напряженности электрического поля в падающей световой волне ( ) равен 90°, т.е. плоскость пропускания анализатора и плоскость, в которой происходят колебания , перпендикулярны (α=90) (рис. 66а.4). В этом положении анализатор совсем не пропускает падающий на него поляризованный свет I= 0.

Рис. 66а.4. Плоскость анализатора (1) перпендикулярна плоскости поляризации падающей световой волны (2) (α =90°). Анализатор

не пропускает падающий на него поляризованный свет (I = 0)

В общем случае, когда угол α между плоскостью поляризации падающей световой волны и плоскостью пропускания анализатора произвольный, интенсивность поляризованной световой волны, вышедшей из анализатора (т.е. волны прошедшей через анализатор), следует вычислять по закону Малюса:

I = I₀ cos²α.

Плоскость поляризации световой волны, прошедшей анализатор, совпадает с плоскостью пропускания анализатора («плоскостью щели»).

I= I₀ cos²α

Рис. 66а.5. Плоскость пропускания анализатора (1) и плоскость поляризации (2) падающей световой волны ( ) составляют угол α. Плоскость поляризации (1) световой волны, прошедшей анализатор ( ) всегда совпадает с плоскостью пропускания анализатора

Плоскость анализатора и плоскость поляризации падающей световой волны составляют угол α. Плоскость поляризации I световой волны, прошедшей анализатор , всегда совпадает с плоскостью анализатора.

I= I₀ cos²α, при α = 0, cos 0 = 1 и I = I₀,

а при α = 90°, cos 90° = 0 и I = 0.

Итак, интенсивность поляризованного света, прошедшего через анализатор (поляроид), пропорциональна квадрату косинуса угла между плоскостями поляризации падающей волны и волны, вышедшей из анализатора.

Измеряя интенсивность света I, прошедшего через анализатор, при различных углах α можно проверить закон Малюса на опыте.

Описание установки

Все детали установки расположены на оптической скамье (7) (см. рис. 66а.1). В качестве источника света используется газовый гелий-неоновый лазер (1), дающий поляризованное излучение.

При излучении закона Малюса используется анализатор (2) (поляроид). Анализатор может вращаться. На анализаторе укреплена шкала, по которой можно определить угол поворота плоскости поляризации. Используется также цифровой измеритель относительной интенсивности лазерного излучения (6).

Порядок выполнения работы

Внимание! Установка настроена. Соосность лазера и датчика настраивает лаборант.

Угол α отсчитывать по круговой шкале анализатора.

Интенсивность I показывает цифровой измеритель интенсивности излучения.

1. Найдите положение плоскости поляризации падающего света (излучения лазера), с этой плоскости соответствует такое положение анализатора, при котором показания цифрового измерителя максимальны (I₀). В этом положении анализатора α = 0°.

2. Измерьте зависимость интенсивности I прошедшего анализатор излучения от угла α между плоскостями поляризации лазерного излучения и света, прошедшего анализатор.

Измерения проводите через каждые 10° в интервале 0°-180°. Повторите измерения, вращая анализатор в другую сторону. Данные изморений занесите в табл. 66а.1, заполняя ее сначала сверху вниз (Tок 1»), а затем снизу вверх («Ток 2»).

Таблица 66а. I