Исследование поляроидов методические указания к лабораторной работе в практикуме по физике для студентов всех видов обучения и всех направлений

Лабораторная работа №16

ИССЛЕДОВАНИЕ

ПОЛЯРОИДОВ

Методические указания к лабораторной работе в практикуме по физике для студентов всех видов обучения и

всех направлений

Санкт-Петербург

2012

Р а с с м о т р е н ы и р е к о м е н д о в а н ы к и з д а н и ю м е т о д и ч е с к о й к о м и с с и е й ф а к у л ь т е т а Х Т Б С П б Г Л Т У

. . 2 0 1 1

С о с т а в и т е л и :

к а н д и д а т ф и з и к о - м а т е м а т и ч е с к и х н а у к , д о ц е н т И . А . Ф е р с м а н ;

к а н д и д а т т е х н и ч е с к и х н а у к , д о ц е н т

И. А . О б у х о в а

От в . р е д а к т о р

д о к т о р ф и з и к о - м а т е м а т и ч е с к и х н а у к , п р о ф е с с о р

С. М . Г е р а с ю т а

Ре ц е н з е н т

ка ф е д р а ф и з и к и С П б Г Л Т У

Т е м п л а н 2 0 1 1 . И з д . №

3

Введение

Электромагнитной волной называется распространяющееся в пространстве электромагнитное поле. В каждой точке пространства на пути волны (вдоль луча) происходит периодическое изменение напряженностей электрического и магнитного полей. Луч —

перпендикулярных лучу. На рис.1 представлено графическое изображение (как бы «моментальный снимок») электромагнитной волны. Как видно из рисунка, в каждой точке, расположенной на луче ОУ, векторы Е и Н перпендикулярны друг другу и лучу.

Рис.1.

Существуют электромагнитные волны всевозможной длины— от бесконечности до тысячных долей ангстрема (γ-лучи). Средний человеческий глаз воспринимает электромагнитные волны в узком интервале длин волн — от 390 мкм (фиолетовые лучи) до 750 мкм

(красные лучи). Эти волны называются световыми.

Так как фотохимическое действие света обусловлено, главным образом, воздействием электрического поля, то в качестве вектора,

характеризующего направление колебаний, соответствующих световой

источник света содержит бесчисленное множество отдельных элементарных излучателей — атомов. Атом излучает энергию в виде цуга электромагнитных волн в течение времени 10-8 с, когда

возвращается из возбужденного состояния в нормальное (основное). В

каждый данный момент волна, испускаемая отдельным атомом, имеет

волн, плоскости колебаний которых расположены различно. Кроме того,

в результате взаимодействия атомов в процессе теплового движения,

направление колебаний в цуге волн, испускаемых каждым отдельным атомом, беспрерывно меняется. Поэтому в свете, испускаемом любым

всевозможных плоскостях. Такой свет называется естественным.

Очевидно, что, если спроектировать все световые векторы на два взаимно перпендикулярных направления, то проекции окажутся равными. Поэтому естественный свет можно рассматривать как сумму двух компонентов, т. е. двух волн одинаковой интенсивности, в которых колебания происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях.

поляризованной. Свет называется частично поляризованным, если колебания светового вектора происходят преимущественно в одной плоскости.

5

распространяющихся перпендикулярно плоскости чертежа: а) в

естественной световой волне, б) в линейно поляризованной и в) в

частично поляризованной волне.

a) б) в)

Рис. 2

Если изображается луч, лежащий в плоскости чертежа, то для того, чтобы отразить степень поляризации соответствующей волны,

принято колебания светового вектора, происходящие в плоскости чертежа, изображать черточками, а колебания, совершающиеся перпендикулярно чертежу, — точками. На рис.3 изображены: а ) луч

перпендикулярно чертежу); в) луч света поляризованного в плоскости,

перпендикулярной чертежу (вектор E колеблется в плоскости чертежа);

г) лучи частично поляризованного света интенсивности компонентов

различны). а) б) в) г))

Рис.3

Всякий прибор, служащий для получения поляризованно го света из естественного, называется п о л я р и з а т о р о м . Всякий прибор,

6

позволяющий обнаружить поляризацию света, называется

а н а л и з а т о р о м . Устройство анализатора и поляризатора может быть совершенно одинаковым. Наиболее распространенный способ поляризации света основан на использовании явлений двойного лучепреломления, которое имеет место при пропускании света через

анизотропную среду, например, через прозрачные кристаллы.

«Анизотропной» называется среда, свойства которой зависят от направлений.

При двойном лучепреломлении световой луч разделяется на два луча одинаковой интенсивности, поляризованные во взаимно перпен -

дикулярных плоскостях.

Двойное лучепреломление объясняется тем, что в анизотропной среде скорость распространения (а, следовательно, и показатель преломления)

Однако, во всяком кристалле существует хотя бы одно направление,

распространяясь вдоль которого, луч не испытывает двойного луче-

преломления, т.к. в этом направлении скорости распространения обеих составляющих естественного луча одинаковы. Прямая, проведенная через любую точку кристалла в этом направлении, называется оптической осью.

Плоскость, проходящая через оптическую ось кристалла и направление па-

дающего луча, называется главным сечением кристалла.

На рис.4 показан ход лучей в главном сечении кристалла для двух случаев: а) свет падает перпендикулярно к грани кристалла, угол падения равен 0°; б) свет падает под углом к нормали.

Здесь O1O1 — оптическая ось кристалла, «о» и «е» — поляризованные лучи, на которые распадается естественный свет, входя в кристалл. Лучу «о» соответствуют колебания светового вектора, совершающиеся в направлении,

перпендикулярном главной плоскости кристалла (обозначены точками). Этот луч называется обыкновенным, т. к. подчиняется законам преломления.

Скорость его внутри кристалла одинакова во всех направлениях.

7

Рис. 4

Лучу «е», называемому необыкновенным, соответствуют колебания,

происходящие в плоскости главного сечения (обозначены черточками). Угол между световым вектором этого луча и оптической осью зависит от направления луча.

Вследствие этого необыкновенный луч распространяется в разных направлениях с разной скоростью и, следовательно, его показатель преломления зависит от угла падения света. Луч «е» не лежит в одной плоскости с лучом падающим и нормалью к преломляющей поверхности.

Существуют кристаллы, в которых по-разному поглощаются лучи обыкновенный и необыкновенный. Это явление называется дихроизмом.

Наиболее сильно выражен дихроизм в кристаллах турмалина. Однако для практических целей турмалин используется редко. Для получения широких пучков поляризованного света чаще всего применяют искусственно получаемые поляризационные пленки, называемые поляроидами.

Поляроиды представляют собой пленки из высокополимерного вещества, в

которое внедрено большое количество одинаково ориентированных микроскопических кристалликов, обладающих сильным дихроизмом.

В идеальном случае поляризатор пропускает полностью только один из компонентов естественного света — тот, которому соответствуют колебания светового вектора в плоскости главного сечения. Поэтому интенсивность света, выходящего из поляризатора Iп . в два раза меньше интенсивности

8

света падающего на него I0, т. е.

(1)

Однако поляризационные пленки не полностью поляризуют падающий на них свет. Кроме того имеют место потери света из-за отражения и поглощения света. Вследствие этого формула (1) для поляроидов выполняется не строго.

Если расположить последовательно два поляризующих прибора и пустить на них пучок естественного света, то первый прибор будет служить поляризатором, а второй — анализатором. Интенсивность света, выходящего из анализатора, максимальна в том случае, когда главные плоскости анали-

затора и поляризатора параллельны (установка на свет). Наоборот, когда главные плоскости обоих приборов взаимно перпендикулярны (анализатор и поляризатор скрещены), свет через систему не проходит совсем.

Если угол между главными плоскостями произвольный, то справедлив закон Малюса: интенсивность света, выходящего из анализатора IA,

прямо пропорциональна интенсивности света, вышедшего из

поляризатора Iп угла β между главными

определяется изменение интенсивности света при пропускании его через один поляроид, т. е. выясняется справедливость формулы (1).

Применение поляризации:

явление поляризации применяется в киноиндустрии, в рекламных целях

(светящиеся вывески). Поляризация используется в 3D-объемном изображении в кинофильмах 3D (трехмерное стереоизображение).

Поляроиды используются для защиты от ослепляющего действия солнечных лучей и фар встречного автотранспорта. Разные кристаллы по-разному пропускают поляризованный свет и можно определить оптические характеристики и провести минералогический анализ - это используется в поляризационных микроскопах.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ Для выполнения работы используется установка, схема которой

приведена на рис.5. Источник света S, два поляроида П1 и П2, фотоэлемент Ф расположены на одинаковой высоте по одной линии. Интенсивность света источника можно менять с помощью диафрагмы. Поляроиды вставлены в лимбы— круглые рамки, разделенные на 360°. Лимбы закреплены в держателях так, что их можно вращать. Для фиксирования положения поляроидов на держателях имеются неподвижные стрелки. Об интенсивности

Рис.5.

света, проходящего через поляроиды, можно судить по показаниям гальванометра G, соединенного с фотоэлементом, т. к. сила тока,

возникающего в цепи фотоэлемента, прямо пропорциональна интенсивности падающего на него света. В данной работе нас интересует отношение интенсивностей света, поэтому их можно выражать в делениях шкалы

10