Порядок выполнения работы

I. Изучение закона брюстера

1. Собрать схему по рис. 6.6.

2. Подать напряжение на лампочку Л и фоторезистор Ф.

3. Убедившись, что свет от лампочки, отразившись от зеркала АВ, попадает на фоторезистор, вращать анализатор вокруг отраженного луча до тех пор, пока микроамперметр не покажет минимальный ток. В этом положении поляризатор и анализатор будут скрещены, т. е. оптическая ось анализатора будет перпендикулярна плоскости поляризации отраженного луча.

4. Изменяя угол падения луча а от 30 до 70°, записывайте показания микроамперметра в таблицу 6.1.

Таблица 6.1

Проверка закона Брюстера

Углы α, град.	30˚	40˚	50˚	55˚	60˚	70˚	80˚
Сила тока, мкА

5. Когда микроамперметр показал минимальный ток, провести повторные измерения, меняя угол падения лучей через каждые 2—5°.

6. Постройте график зависимости силы тока от угла падения лучей.

7. Найдите минимальный ток и соответствующий ему угол падения. Этот угол будет равен углу Брюстера или углу полной поляризации.

8. По закону Брюстера найдите относительный показатель преломления материала диэлектрика, из которого изготовлено зеркало по уравнению (6.2).

9. По уравнению (6.6) рассчитайте коэффициент отражения лучей при их нормальном падении.

10. По указанию преподавателя произвести описанные выше измерения для других зеркал.

II. Изучение закона малюса

1. Установить угол падения лучей света от лампочки Л на зеркало АВ, равный углу Брюстера.

2. Вращать анализатор А вокруг отраженного луча.

3. Отмечать силу тока в цепи фоторезистора при углах от 0° до 90° по шкале анализатора (см. рис. 6.7).

Таблица 6.2

Проверка закона Малюса

Угол φ	0˚	10˚	20˚	30˚	40˚	50˚	60˚	70˚	80˚	90˚
Сила тока
cos φ
cos2φ

4. Результаты опыта занесите в таблицу 6.2.

5. Построить график зависимости силы тока через фоторезистор от квадрата косинуса угла φ, где φ — угол между плоскостями поляризатора и анализатора.

Контрольные вопросы

1. В чем сущность поляризации света?

2. Какой свет называется естественным, плоскополяризованным, частично поляризованным?

3. Перечислите способы получения поляризованного света.

4. Сформулируйте закон Брюстера..

5. Что такое коэффициент отражения?

6. Чему равен коэффициент отражения при перпендикулярном падении лучей?

7. Как определить, поляризован свет, или нет?

8. Назовите способы поляризации света?

9. Назовите приборы, использующие явление поляризации света.

Работа №3.7 исследование вращения плоскости поляризации света

цель работы: ознакомление с явлением поляризации, исследование вращения плоскости поляризации света в водных растворах сахара (фруктозе и сахарозе), определение удельного вращения и концентрации сахара.

Приборы и принадлежности: полутеневой поляриметр, источник света со светофильтром, набор съемных стеклянных трубок с водным раствором фруктозы и сахарозы различной концентрации.

Введение.

Свет - это электромагнитное излучение, по своей физической природе ничем не отличающееся от других электромагнитных излуче­ний, например, радиоволн, тепловых, рентгеновских или  - лучей.

В бегущей электромагнитной волне векторы электрического и магнитного полей ив 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 , называется плоскостью колебаний этого вектора. Зрительные ощущения, фотоэлектрическое и фотохимическое действия света вызывают колебания именно электрического вектора, который возбуждает колебание электрических зарядов вещества и определяет таким образом большинство явлений, связанных с воздействием электромагнитной волны на вещество. Поэтому часто электрический векторназывают 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 в данной точке, оставаясь неизменным по модулю, вращается вокруг направления распространения, волну называют циркулярно поляризованной или поляризованной по кругу.

Е Z

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 в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Поэтому естественный свет – неполяризованный свет (рис. 7.3,а).

Как отмечалось выше, свет, в котором колебания вектора про­исходят в одном направлении (в одной плоскости) называют плоско поляризованным (рис.7.3,б).

Рис. 7.3

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

(7.1)

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

(7.2)

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

(7.3)

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.