random books / Зубова И.И., Гришина С.Ю., Гольцова Л.И. - Практикум по физике (ч3. Оптика. Квантовая и атомная физика) (2015)

В бегущей электромагнитной волне векторы электрического и

магнитного полей E и B в каждой точке пространства в данный момент времени перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения. Это свойство волны называют поперечностью. Поперечность обуславливает важнейшую характеристику электромагнитных волн - поляризованность.

Мгновенная картина векторов электрического и магнитного полей в разных точках вдоль линии распространения монохроматической плоской волны показана на рис.7.1.

Плоскость, в которой совершаются колебания электрического вектора

E , называется плоскостью колебаний этого вектора. Зрительные ощущения, фотоэлектрическое и фотохимическое действия света вызывают колебания

именно электрического вектора E , который возбуждает колебание электрических зарядов вещества и определяет таким образом большинство явлений, связанных с воздействием электромагнитной волны на вещество.

Поэтому часто электрический вектор E называют световым вектором. Если вектор Е в данной точке при прохождении волны совершает

колебания вдоль определенного направления, волну называют плоско поляризованной или линейно поляризованной (рис.7.1).

рис. 7.1

Если вектор E в данной точке, оставаясь неизменным по модулю, вращается вокруг направления распространения, волну называют циркулярно поляризованной или поляризованной по кругу.

41

Рис. 7.2

Волну круговой поляризации можно представить как сумму (наложения) двух волн одинаковой амплитуды линейно поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях и сдвинутых по фазе на /2 (т.е. на четверть длины волны).

Свет, излучаемый любым нагретым телом, представляет собой наложение огромного количества волн, испущенных его отдельными атомами. Каждый возбужденный атом при излучении посылает колебания в какой-либо одной плоскости. В течение очень малого промежутка времени на смену излучившего энергию атома приходит в возбужденное состояние другой и испускает колебания в иной плоскости. Так происходит со всем множеством атомов светящегося тела, т.е. в естественном свете присутствуют

колебания с любой пространственной ориентацией светового вектора E в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Поэтому естественный свет – неполяризованный свет (рис. 7.3,а).

Как отмечалось выше, свет, в котором колебания вектора E происходят в одном направлении (в одной плоскости) называют плоско поляризованным

(рис.7.3,б).

Рис. 7.3

Свет, в котором вектор E имеет преимущественную ориентацию колебаний в каком-либо направлении, называется частично поляризованным

42

(рис.7.3, в).

Преобразование естественного света в поляризованный называется поляризацией. Основными методами получения линейно поляризованного света являются:

1. Отражение света от диэлектрической пластинки. Отраженный от диэлектрика свет всегда частично поляризован. Полная поляризация отраженного света достигается при падении под углом Брюстера, который определяется соотношением

где n2, n1 – показатели преломления диэлектрика и среды, в которой находится диэлектрик.

2. Преломление света в стеклянной пластинке. Поскольку отраженный от диэлектрической пластинки свет оказывается поляризованным, то проходящий (преломленный) свет также частично поляризуется. Максимальная поляризация проходящего света достигается при падении под углом Брюстера. Для увеличения степени поляризации преломленного света используют стопу стеклянных пластинок, расположенных под углом Брюстера к падающему свету.

3.Преломление света в двоякопреломляющих кристаллах. Некоторые кристаллы обладают свойством двойного лучепреломления. Преломляясь в таком кристалле, световой луч разделяется на два луча со взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний. Отклоняя один из лучей в сторону, можно получить плоскополяризованный свет; так устроена поляризационная призма Николя.

4.Поглощение света в дихроических пластинах. У некоторых двоякопреломляющих кристаллов (например, турмалина) коэффициенты поглощения света для двух взаимно перпендикулярно поляризованных лучей отличаются настолько сильно, что уже при большой толщине кристалла один из лучей поглощается практически полностью, и из кристалла выходит линейно поляризованный пучок света. Это явление носит название дихроизма. Дихроизм обнаруживают не только кристаллы, но многие некристаллические тела, обладающие анизотропией. Дихроические пластинки изготовляются в виде тонких пленок - поляроидов.

Распространенным источником поляризованного света являются лазеры. Человеческий глаз не ощущает различие между поляризованным и

естественным светом. Для исследования поляризованных лучей применяются анализаторы, которые являются теми же приборами (стопа, Николь, поляроид), используемыми при поляризации.

Если естественный свет пропустить через два последовательно расположенных Николя (поляризатор и анализатор), то яркость света J, прошедшего через второй Николь (анализатор), изменяется по закону Малюса

43

где J0 – яркость света, вышедшего из поляризатора (первый Николь);- угол между плоскостями поляризацией Николей.

При прохождении плоскополяризованного света сквозь некоторые вещества плоскость, в которой колеблется электрический вектор, постепенно поворачивается. Такие вещества называются оптически активными. К их числу принадлежат как твердые (кварц, киноварь), так и жидкие тела (водный раствор сахара, скипидар, винная кислота).

Направление вращения плоскости поляризации принято устанавливать для наблюдателя, смотрящего навстречу световому пучку. Если плоскость поляризации поворачивается по часовой стрелке, то вещество называют правовращающим, или положительным, а в противном случае - левовращающим, или отрицательным.

Оптически активные вещества играют большую роль в жизни человека. Так, например, сахар, обладающий правовращающим эффектом, способствует образованию диабета, в отличие от левовращающей фруктозы. По-разному действуют правовращающие и левовращающие лекарства.

Угол , на который поворачивается плоскость поляризации в растворах, прямо пропорционален толщине слоя 1 раствора и концентрации С оптически активного вещества

где l – измеряется в дм;

С – в граммах растворенного вещества в 1см3 раствора;- коэффициент, называемый удельным вращением растворенного

вещества, численно равен углу поворота плоскости поляризации света, прошедшего путь длиной 1 дм в растворе концентрации 1 г/см3. (Удельное вращение зависит от природы вещества, длины волны света и слабо зависит от температуры).

Основы теории вращения плоскости поляризации разработаны Френелем. Согласно этой теории, скорость распространения света в оптически активных средах различна для лучей, поляризованных по кругу вправо и влево.

Описание прибора и метода измерений

Упрощенная схема поляриметра, используемого в данной работе для исследования вращения плоскости поляризации водного раствора сахара и фруктозы, приводится на рис.7.4.

Рис. 7.4

44

Монохроматический свет от источника S проходит поляризатор, стеклянную трубу с раствором сахара, где плоскость поляризации поворачивается на угол , и попадает в анализатор. Вращая анализатор добиваются темного поля зрения, что, согласно формуле (7.3), означает перпендикулярность плоскостей поляризации анализатора и света, прошедшего раствор сахара. Угол поворота определяется по разности отсчетов, соответствующих затемнению поля зрения анализатора при наличии раствора сахара в приборе и без него.

Определив угол поворота плоскости поляризации в трубке длинной l с известной концентрацией сахара С, можно легко найти удельное вращение из соотношения

а неизвестную концентрацию раствора сахара по формуле

В действительности реальная конструкция поляриметра сложнее. Человеческий глаз чувствителен не к изменению интенсивности света, а к малейшему нарушению равномерности освещенности поля зрения при слабом уровне света. Поэтому с целью повышения точности отсчета в прибор вводится дополнительный небольшой Николь или кварцевый компенсатор, в результате чего зрительное поле анализатора делится на две (рис. 7.5) или три части (рис. 7.6)

Рис. 7.5 Рис. 7.6

В этом случае установка отсчета производится не на полную темноту поля зрения анализатора, а на равномерное затемнение всего поля (рис. 7.5, б

или 7.6, б).

Порядок выполнения работы

1.Включают установку и, вращая окуляры, добиваются резкого изображения поля зрения и четкого изображения шкалы отсчета углов.

2.Производят пять отсчетов нулевого положения шкалы n0, каждый раз устанавливая поле зрения на полутень (равномерное освещение). Подсчитывают среднее арифметическое значение <n0>.

3.Помещают в камеру прибора трубку с раствором сахара известной концентрации C1 и добиваются резкого изображения поля зрения.

Производят пять измерений угла вращения 1 плоскости поляризации и

45

определяют его среднее значение с учетом знака поправки <n0>:

1 n1 n0 .

4.Используя формулу (7.4), определяют удельное вращение 1 .

5.Помещают в камеру прибора трубку с раствором сахара неизвестной

концентрации. Производят пять измерений нового значения угла 2 поворота плоскости поляризации и определяют его среднее значение с учетом знака поправки <n0>

2 n2 n0 .

6.Используя формулу (7.5), определяют неизвестную концентрацию раствора сахара, С2.

7.Все результаты заносят в таблицу.

8.Аналогичные измерения производят с раствором фруктозы (см. пп. 3, 4, 5, 6, 7), обращая внимание на знак вращения угла плоскости поляризации.

Контрольные вопросы

1.В чем отличие поляризованного света от неполяризованного?

2.Как опытным путем отличить поляризованный свет от неполяризованного?

3.В чем заключается закон Малюса? Закон Брюстера?

4.Что такое поляризация? Перечислите способы поляризации света.

5.Что такое угол Брюстера?

6.Какие вещества называются оптически активными?

7.В чем отличие фруктозы от сахарозы с точки зрения оптической активности?

8.От чего зависит угол поворота плоскости поляризации?

9.Какой физический смысл удельного вращения?

10.Изменяется ли угол поворота плоскости поляризации при изменении диаметра и длины трубки с исследуемым раствором?

11.Одинаково ли значение для световых лучей с разной длиной волны?

РАБОТА №3.8 ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ИЗЛУЧЕНИЯ АБСОЛЮТНО ЧЕРНОГО

ТЕЛА И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ К НЕЧЕРНЫМ ТЕЛАМ

Цель работы: изучить законы излучения тел, устройство и работу пирометра и измерить коэффициент “нечерности” тел.

Приборы и принадлежности: пирометр с исчезающей нитью, проекционная лампа накаливания, автотрансформатор, амперметр, вольтметр.

Введение Все тела при любых условиях всегда излучают и поглощают энергию.

Если температура тела выше температуры окружающих тел, то оно излучает энергии больше, чем поглощает. Более холодные тела поглощают энергии

46

больше, чем излучают. При равновесном состоянии вся энергия, поглощаемая телом, испускается им путем излучения, поэтому температура остается постоянной. Лучеиспускание происходит при любой температуре.

Спектры испускания нагретых тел являются сплошными, и они не могут характеризовать состав вещества. Спектры испускания нагретых тел зависят от температуры.

Кирхгоф ввел представление о теле, излучение которого не зависит от его физических и химических свойств и его состава, а зависит только от температуры, и всю падающую на него энергию оно поглощает. Такое тело назвали “абсолютно черным”. Такого тела в природе не существует, к нему приближается полость с поглощающими стенками и малым отверстием.

Все тела характеризуются лучеиспускательной и поглощательной способностями. Различают: лучеиспускательную способность тел или интегральную энергетическую светимость тел и спектральную энергетическую светимость или дифференциальную лучеиспускательную способность.

Лучеиспускательной способностью тел называют величину, численно равную всей энергии, испущенной всеми длинами волн с единицы площади тела в единицу времени, т. е.

Спектральной плотностью излучения называют энергию, испущенную с единицы площади тела в единицу времени в единичном интервале длин волн. Эта величина зависит не только от температуры тела, но и от интервала длин волн, которыми уносится энергия тела. Ее обозначают rλ,T. Эта величина связана с интегральной светимостью соотношением

Поглощательной способностью тел называют отношение энергии, поглощенной телом, ко всей падающей на это тело энергии.

47

Для реальных тел эта величина бывает меньше единицы. Для абсолютно черного тела она равна единице. Тела, не поглощающие энергию, называются “белыми”. Для них А = 0.

Кирхгоф установил закон, согласно которому отношение излучательной способности тела к его поглощательной способности для всех тел есть величина постоянная, зависящая только от температуры и не зависящая от химического состава тел. Этот закон справедлив как для интегральных величин, так и для дифференциальных.

rλ,T называют функцией Кирхгофа. Вид функции Кирхгофа был найден экспериментально и представлен на графике рис. 8.1 для разных температур.

Здесь Т1<Т2<Т3.

Площадь под кривой характеризует интегральную излучательную способность тел. Стефан и Больцман установили, что интегральная излучательная способность абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры.

здесь σ — постоянная Стефана-Больцмана.

Рис. 8.1

Вин экспериментально подтвердил, что длина волны, на которую приходится максимальная излучательная способность абсолютно черного тела, обратно пропорциональна абсолютной температуре

max Tb (8.7)

здесь b — постоянная Вина.

Найти теоретически вид функции Кирхгофа, исходя из волновых представлений о природе теплового излучения, не удалось.

В 1901 году вид функции установил М. Планк, отказавшись от старых представлений на природу излучения, предполагая, что энергия уносится отдельными порциями — квантами. Энергия кванта зависит от частоты излучения

48

здесь E - нергия одного кванта; h - постоянная Планка; ν - частота излучения;

λ - длина волны излучения.

Используя закон Кирхгофа (уравнение 6.4), можно применить закон Стефана-Больцмана к нечерным телам.

Отсюда можно заключить, что поглощательная способность тел показывает, во сколько раз нечерное тело излучает меньше энергии, чем абсолютно черное тело. Поэтому этот коэффициент еще называют коэффициентом “нечерности”. В данной работе его необходимо определить экспериментально.

Описание установки

В качестве нечерного тела используется нить накала проекционной лампы, которая разогревается до определенной температуры электрическим током. Лампа включается по схеме рис. 8.2.

Рис. 8.2

Лампа имеет прямоугольную светящуюся площадку—нить накала. Питается лампа от сети переменного тока через автотрансформатор. В цепь лампы включены вольтметр и амперметр для измерения напряжения на лампе и силы тока, чтобы измерить энергию, подводимую к лампе в единицу времени, чтобы рассчитать мощность, излучаемую лампой с единицы площади.

Для измерения температуры нити используется пирометр с исчезающей нитью (схема пирометра приведена на рис. 8.3).

Рис. 8.3

49

Градуированный миллиамперметр пирометра (шкала пирометра) имеет две шкалы. Верхняя шкала соответствует температурам от 700°С до 1400°С; а нижняя — от 1200 до 2000°С. Температура от 700 до 1000°С измеряется без светофильтров, так как при этих температурах яркости малы и их различия легко заметны глазом. При измерении температур от 1000 до 1400°С вводится красный светофильтр 6. Для этого поворачивают кольцо на окулярной трубке на 90°. Температуры выше 1400°С измеряются при, введении дымчатого светофильтра.

Оптический пирометр состоит из зрительной трубы 1, пирометрической лампы 2, дымчатого светофильтра 3, объектива 4, окуляра 5, красного светофильтра 6, гальванометра 7, источника питания 8, реостата 9.

Лампа 2 включается в цепь источника постоянного тока 6, последовательно с гальванометром 7 и реостатом 9, заключенными в корпус пирометра.

Объектив зрительной трубы направляется на исследуемое тело так, чтобы четкое изображение его находилось в плоскости нити лампы 2. При этом изображение нити при смещении глаза в сторону перед окуляром не должно смещаться. Это достигается перемещением объектива пирометра.

При измерении температуры раскаленного тела яркость накала нити пирометрической лампы регулируется реостатом (большое кольцо со стрелкой на корпусе пирометра) до тех пор, пока яркость нити сравняется с яркостью исследуемого тела. При совпадении яркостей тела и нити нить исчезает на фоне светящегося тела. Поэтому пирометр называют пирометром с исчезающей нитью, а этот метод измерения температуры называют «яркостным методом».

Так как температура нити меньше у держателей вследствие теплоотдачи, следует сравнивать яркость нити и тела в середине нити, в виде дуги.

Порядок выполнения работы

1.Пирометр укрепляется на штативе и устанавливается на 0,5—1 м от исследуемой лампы. Концы соединительных проводов, идущих от пирометра, соедините с аккумулятором. Соблюдайте полярность соединения.

2.Соедините исследуемое тело по схеме рис. 8.2.

3. Поворачивая ребристое кольцо на пирометре, получите свечение нити пирометрической лампы. Перемещением окуляра добейтесь ее четкого изображения.

4.Включите ток через исследуемую лампу, получите ее свечение.

5.Передвигая объектив, получите резкое изображение исследуемого объекта.

6.Вращая кольцо пирометра, добейтесь исчезновения пирометрической нити на фоне излучаемого объекта.

7.Заметьте температуру по шкале пирометра, силу тока и напряжения на исследуемом теле.

8.Все данные занесите в таблицу 8.1.

50