Данные к определению длины волны по измерениям расстояний

№ опыта		1		2		3		4		5		6	7		tg Θk		k		λ, м		λk, м
L	м		5		10		15		20		25	30		35

Лабораторная работа № 66

ПРОВЕРКА ЗАКОНА МАЛЮСА

В аналитической химии, в фармации и в биотехнологии для определения концентрации растворов сахаров, 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 проверки закона Малюса.

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 правильность закона Малюса.

Оборудование (см. рис. 66.1).

Рис. 66.1. Вид установки, используемой в лабораторной работе:

1 — лампа, являющаяся источником света, 2 — поляризатор, после прохождения которого свет становится поляризованным, 3 — анализатор (поляроид), 4 — фотоэлемент, измеряющий интенсивность излучения,

5 — кнопка включения источника света, 6 — микроамперметр

Краткие теоретические сведения

Поляризованной называется световая электромагнитная волна, у 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 тогда подобно распространению волны вдоль шнура, протянутого через щель (рис. 66.2).

Рис. 66.2. Щель — модель анализатора:

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

3 — плоскость щели (плоскость пропускания анализатора)

Световые волны с такой плоскостью поляризации , совпадающей с плоскостью пропускания, анализатор пропускает полностью. В этом случае очевидно, что интенсивность световой волны (I), прошедшей через анализатор, равна интенсивности (I₀) падающей поляризованной волны I₀ = I.

Итак, когда плоскость пропускания анализатора и плоскость колебаний напряженности электрического поля в падающей волне совпадают, т.е. угол между этими плоскостями равен нулю α=0 (рис. 66.3), то анализатор (щель) пропускает весь падающий на него поляризованный свет (I=I₀). Плоскость пропускания анализатора (плоскость щели) и плоскость поляризации падающей на анализатор световой волны совпадают (α = 0).

Рис. 66.3. Световые волны с плоскостью поляризации , совпадающей с плоскостью пропускания, анализатор (щель) пропускает полностью (α = 0)

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, 66.4). В этом положении анализатор совсем не пропускает падающий на него поляризованный свет, Е = 0 и, следовательно, I=0.

Рис. 66.4. Анализатор не пропускает падающий на него поляризованный свет (I=0). Плоскость пропускания анализатора (1) и плоскость поляризации световой волны (2) перпендикулярны (α = 90°) между собой

В общем случае, когда угол α между плоскостью поляризации падающей световой волны и плоскостью пропускания анализатора 0<α<90, интенсивность поляризованной световой волны, вышедшей из анализатора (т. е. волны, прошедшей через анализатор), можно вычислить по формуле:

.

Это и есть закон Малюса.

Волна, прошедшая через анализатор — поляризована. Плоскость поляризации световой волны, прошедшей анализатор, совпадает с плоскостью пропускания анализатора («плоскостью щели»).

Очевидно, из закона Малюса I = I₀ cos² α следуют результаты, полученные ранее. 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), зависит от угла между плоскостями поляризации в волне, задаваемой поляризатором, и в волне, вышедшей из анализатора.

Согласно закону Малюса, интенсивность света, прошедшего через поляроид (I), прямо пропорциональна квадрату косинуса угла между плоскостями поляризации световых волн, выходящих из поляроида, и волн, падающих на него (cos² α). Коэффициентом пропорциональности в законе Малюса является интенсивность света, падающего на поляроид (I₀).

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

Рис. 66.5. 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

Описание установки

Вид и схема установки приведены соответственно на рис. 66.1 и 66.6. Установка состоит из источника света — лампа (1), дающей узкий пучок света, на оптической скамье укреплены поляризатор (2) и анализатор (3).

Рис. 66.6. Принципиальная схема установки для выполнения лабораторной работы: 1 —источник света, 2 — поляризатор,

3 — анализатор, 4 — фотоэлемент, 6 — микроамперметр

Анализатор может вращаться. На анализаторе укреплена шкала, относительно которой анализатор может быть установлен в любом положении. Проходя через поляризатор и анализатор, свет падает на фотоэлемент (4), соединенный с микроамперметром (6). Кнопка (5) (рис. 66.1) включает источник света (1).

Порядок выполнения работы

1. Включите установку в сеть. Нажмите кнопку (5) (рис. 66.1), после чего должна загореться лампа.

2. Измерьте зависимость I интенсивности света, прошедшего анализатор, от угла α между плоскостями поляризации света, падающего на анализатор, и света, прошедшего через него. Угол α отсчитывать по круглой шкале анализатора. Измерение проводить через каждые 10° в интервале 0°-180°. Затем повторить изменения, вращая анализатор в другую сторону. Данные измерений заносить в табл. 66.1, заполняя ее сначала сверху вниз («Ток 1»), а затем снизу вверх («Ток 2»).

Таблица 66.1