Контрольные вопросы

1. В чем заключается явление дифракции света. При каких ус­ловиях она наблюдается?

2. Какие волны называются когерентными?

3. Сформулируйте принцип Гюйгенса - Френеля.

4. Поясните устройство и назначение дифракционной решетки. Что называется периодом решетки?

5. Напишите условие возникновения максимумов света для диф­ракционной решетки.

6. Почему при освещении белым светом появляются цветные спектры?

7. Почему спектр нулевого порядка при освещении щели белым светом не имеет цветной окраски?

8. Чем отличается дифракционный спектр от дисперсионного?

9. Какой луч света, красный или фиолетовый, сильнее отклоняет­ся дифракционной решеткой ?

10. Как влияет размер дифракционной решетки на дифракционную картину.

11. Рассчитайте максимальный порядок спектра, который может дать применяемая в работе решетка.

12. Что называется полосой пропускания светофильтра?

13. Как проявляется явление дифракции в природе? Приведите примеры.

Работа№3.6 изучение явления поляризации света и проверка законов брюстера и малюса

Цель работы: ознакомиться с явлением поляризации света и изучить основные законы поляризации света.

Приборы и принадлежности: установка для проведения эксперимента, диэлектрическое зеркало, источник питания, микроамперметр.

Введение

Естественный луч представляет собой сложное явление, имеет двойственную корпускулярно-волновую природу. В одних случаях он ведет себя как электромагнитные волны, в других случаях—как поток частиц (квантов и фотонов).

При изучении явления поляризации свет проявляет свои свойства поперечных электромагнитных волн.

Рис. 6.1

График электромагнитной волны представлен на рис. 6.1. Как видно из рисунка (мгновенной фотографии электромагнитной волны) — это одновременное распространение колебание во времени и в пространстве электрического поля, описываемого вектором Е — напряженностью электрического, и Н — напряженностью магнитного поля. Оба поля колеблются в одинаковой фазе, т. е. одновременно достигают mах и min, во взаимно перпендикулярных плоскостях, перпендикулярных скорости распространения волны.

Как показывает опыт, физиологические, фотохимические, фотоэлектрические и другие действия света обусловлены взаимодействием электрического вектора с веществом. Поэтому вектор напряженности электрического поля Е часто называют “световым” вектором, а плоскость колебаний этого вектора называют плоскостью колебаний луча, а перпендикулярную плоскость — плоскостью поляризации. Последнее понятие обладает меньшей наглядностью, имеет только историческое значение и при объяснении явлений поляризации света не употребляется.

Следует отметить, что световая волна, показанная на рис. 6.1, является абстрактным понятием. Естественный свет излучается возбужденными атомами вещества отдельными вспышками в виде цуга волн, длительностью порядка 10^-8с. Каждый цуг волн имеет свою амплитуду, фазу и плоскость колебаний.

Волны естественного света складываются из отдельных цугов, излучаемых миллиардами атомов. Поэтому плоскость колебаний и амплитуда “светового” вектора волны быстро и беспорядочно меняются во времени и пространстве. Мгновенное положение плоскостей и амплитуд светового вектора показаны на рис. 6.2. Свет, в котором плоскости колебаний упорядочены, называется поляризованным (рис. 6.3).

Большинство источников излучает естественный свет, который можно превратить в поляризованный, если на его пути поставить такой прибор, который выделил бы из всех плоскостей колебаний только одну. Прибор, поляризующий свет, называется ПОЛЯРИЗАТОРОМ. Так как глаз человека не может отличать естественный луч от поляризованного, то для этой цели применяется другой прибор, называемый АНАЛИЗАТОРОМ. Поляризатор и анализатор имеют аналогичное устройство и принцип работы и могут взаимно заменять друг друга.

Рис. 6.2 Рис. 6.3

Если на анализатор падает естественный луч света, то при вращении анализатора вокруг луча, как вокруг оси. интенсивность луча, прошедшего через анализатор, не меняется.

Если на анализатор падает уже поляризованный свет, то при вращении анализатора вокруг луча, как вокруг оси, интенсивность прошедшего через анализатор света, меняется.

Малюс установил, что интенсивность поляризованного света, прошедшего через анализатор, прямо пропорциональна квадрату косинуса угла между оптическими плоскостями анализатора и поляризатора.

Пусть АА — след плоскости пропускания анализатора (оптическая ось анализатора), е_р — амплитуда электрического вектора плоскополяризованного луча, прошедшего через поляризатор (см. рис. 6.4) РР — оптическая ось поляризатора, φ — угол между оптическими плоскостями поляризатора и анализатора. Из простых рассуждений Е₂ = Ер• соs φ, а так как интенсивность колебаний пропорциональна квадрату амплитуды, то

(6.1)

Уравнение (5.1) выражает закон Малюса.

Рис. 6.4

Свет может поляризоваться при:

1) отражении от поверхности диэлектрика;

2) преломлении на поверхности раздела двух диэлектриков;

3) прохождении через кристаллы, обладающие двойным лучепреломлением.

Всем этим способам поляризации присуще одно общее свойство: естественный свет поляризуется в том случае, если имеет место анизотропия оптических свойств среды, где свет распространяется.

Если электромагнитная волна естественного света падает на поверхность диэлектрика, то она своим электрическим полем вызывает колебания электронов в атомах и в молекулах, которые становятся источниками вторичных волн.

Вследствие взаимодействия света с веществом граница двух сред как бы “сортирует” лучи падающей волны по плоскостям колебаний электрического вектора. В результате такого взаимодействия отраженный и преломленный лучи оказываются всегда частично поляризованными в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 6.4).

В отраженном луче 1 преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения (на рис. 6.4 эти колебания обозначены точками). В преломленном луче 2 — колебания, параллельные плоскости падения (на рис. 6.5 они изображены двусторонними стрелками).

Рис. 6.5

Степень поляризации лучей зависит от угла падения и оказывается неодинаковой для отраженного и преломленного лучей.

Брюстер установил закон, согласно которому отраженный луч оказывается полностью поляризованным, если тангенс угла падения равен относительному похитителю преломления второй среды, относительно первой.

(6.2)

где n₁, n₂ — абсолютные показатели преломления сред I и II,

α_Б — угол Брюстера.

Согласно закону преломления

(6.3)

Если положить , то из уравнения (6.2) и (6.3) получим

(6.4)

Из элементарной тригонометрии известно, что соотношение (6.4) выполняется в случае, если

α_Б+β=90⁰ (6.5)

Следовательно, если угол падения а равен углу Брюстера, то угол между отраженным и преломленным лучами равен 90°. При этом отраженный луч будет полностью поляризован, а преломленный — частично. Чтобы полностью поляризовать преломленный луч, его направляют под углом Брюстера на стопу стеклянных пластин, называемых стопой Столетова; однако при этом преломленный луч значительно ослабляется вследствие поглощения. Поэтому практически может быть использован только отраженный поляризованный луч.

Простейшим поляризатором может быть диэлектрическое зеркало, если на его поверхность направить естественный луч от источника света. Отраженный луч будет полностью поляризован в случае падения лучей на зеркало под углом Брюстера (см. рис. 6.5. Здесь 00' — поверхность диэлектрического зеркала, 1 — луч падающий, 1΄ — луч отраженный).

По изменению интенсивности отраженного поляризованного луча, проходящего через анализатор, в данной работе производятся проверка закона Брюстера и Малюса.

Зная коэффициент преломления материала n_2,1 зеркала, можно рассчитать коэффициент отражения этого зеркала при нормальном падении лучей.

(6.6)

где I_отр- — интенсивность отраженного луча;

I_пад- — интенсивность падающего луча;

n_2,1 — показатель преломления материала зеркала.

Описание установки

Установка для проверки законов поляризации света собрана на диске из школьного демонстрационного набора по геометрической оптике (см. рис. 6.6).

Рис. 6.6

Диск (D) имеет по краю градусные деления, что позволяет отсчитывать углы падения и отражения лучей. Диск закреплен вертикально на штативе. В центре диска устанавливается исследуемое диэлектрическое зеркало АВ. По краю диска перемещаются в одну сторону осветитель с лампой Л, создающие узкий параллельный пучок лучей, падающих на исследуемое зеркало АВ; а в другую сторону перемещаются на равный угол смонтированные вместе анализатор и фоторезистор (А и Ф) (см. рис. 6.6). Фоторезистор включается в электрическую цепь, содержащую источник постоянного напряжения. Анализатор может вращаться вокруг отраженного луча, как вокруг оси. Угол поворота анализатора можно измерять на шкале, закрепленной неподвижно относительно анализатора. На рис. 6.7 показана шкала и анализатор с указателем, с помощью которого отсчитывается угол поворота анализатора вокруг оси — отраженного луча.

Естественный свет от лампочки Л падает на зеркало АВ, изготовленное из исследуемого диэлектрика. Это зеркало играет роль поляризатора. Отраженный от зеркала свет является частично поляризованным. Он падает на анализатор А. Прошедший через анализатор световой поток падает на фоторезистор, увеличивая его проводимость. При постоянном напряжении на фоторезисторе ток в цепи увеличивается пропорционально падающему световому потоку.

Рис. 6.7

Таким образом, установка позволяет менять угол падения лучей и измерять их; изменять и измерять угол между плоскостями пропускания анализатор—поляризатор, измерять интенсивность света, прошедшего через анализатор, т.е. с ее помощью можно проверить закон Брюстера и закон Малюса.