Физика-на май 2014-часть 2-бакалавр / Материалы комплекса / Лабораторные работы / Лаб. работы, 2 часть / Лаб._9-ВО-(дубль старой)

Лабораторная работа № 9-ВО

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЗАКОНА МАЛЮСА

1.ВВЕДЕВИЕ. ПОЛЯРЯЗАЦИЯ СВЕТА

Согласно электромагнитной теории Максвелла свет представляет собою поперечную электромагнитную волну. Это означает, что в каждой точке, через которую проходит световая волна, характеризующие ее вектора напряженности электрического и магнитного полей, остава­ясь взаимноперпендикулярными, колеблются перпендикулярно направлению распространения волны, т.е. вектору скорости . (рис.1,1).

Как показывает опыт, физиологическое, фотохимическое и другие свой­ства света вызываются колебаниями электрического вектора , который называют световым вектором.

Свет, распространяющийся от источника, представляет собой суммар­ное электромагнитное излучение его атомов. Процесс излучения отдель­ного атома продолжается около 10^-8с.

Атомы излучают электромагнитные волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая источником в целом, характеризует­ся всевозможными равновероятными направлениями колебаний вектора (). Такой свет называется естественным (рис.1.2,а).

Свет, в котором вектора упорядочены каким-либо образом, называ­ется поляризованный. Свет, в котором вектор колеблется в опреде­ленной плоскости, называется плоскополяризованным, а сама плоскость - плоскостью колебаний (рис.1.2,б,в,г).

Явление поляризации заключается в выделении из естественного све­та волн с определенной ориентацией светового вектора. Преобразование естественного света в поляризованный происходит при отражении и пре-

Рис. 1.1

Рис. 1.2

Рис. 1.3

ломлении на границе изотропных диэлектриков, при двойном лучепрелом­лении в кристаллах. Преломляясь в таком кристалле, световой луч разделяется на два линейно поляризованных луча со взаимно перпенди­кулярными направлениями колебаний вектора . Один из лучей называет­ся обыкновенным и обозначается буквой «о», второй необыкновенным и обозначается буквой «е» (рис.1.3). В некоторых кристаллах один из лу­чей поглощается сильнее другого. Это явление называется дихроизмом. Сильным дихроизмом в видимых лучах обладает кристалл турмалина и по­ляроид (целлулоидная пленка, в которую введено большое количество одинаково ориентированных кристалликов сульфата йодистого хинина). Приборы, служащие для получения плоскополяризованного света из естественного, называются поляризаторами. Эти же приборы можно использовать и для анализа поляризованного света, тогда они выступают в роли анали­заторов.

2. УКАЗАНИЯ ПО ОРГАНИЗАЦИЙ

САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1. Изучить теоретический материал по лекциям и учебнику [I, § 191-194]

II. Изучить содержание выполняемой работы (№9-ВО или №1O-BO).

III. Подготовить конспект выполняемой работы [2].

Лабораторные работы оформляются в отдельной тетради, куда записывается:

номер лабораторной работы и ее название;

цель работы;

принципиальная рабочая схема установки в виде рисунка с краткими пояснениями;

расчетные формулы с расшифровкой входящих в них величин;

таблицы для записи результатов измерений;

формулы для расчета погрешностей;

собственно расчеты, произведенные в системе СИ.

IV. Подготовить ответы на вопросы к защите (в конце соответствую­щей лабораторной работы).

V. Подготовить ответы на вопросы к допуску лабораторной работы:

1. Что представляет собой световая волна с точки зрения электро­магнитной теории?

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

3. В чем состоит явление двойного лучепреломления. Какой луч и почему называется обыкновенным, необыкновенным? Как они поляризованы?

4. В чем состоит явление дихроизма?

5. Что собой представляют и как называются устройства, служащие для получения и анализа плоскополяризованного света?

6. Сформулируйте закон Малюса.

7. Сформулируйте закон Брюстера.

8. Изложите методику измерений и порядок выполнения работы.

Цель работы: изучение явления поляризации света, ознакомление с методами получения плоскополяризованного света и экспериментальная проверка закона Малюса.

Приборы и принадлежности: установка для изучения закона Малюса, микроамперметр.

3.1. Теория метода и описание установки

В работе рассматривается изменение интенсивности света, вышедшего из анализатора, в зависимости от угла между плоскостями пропускания анализатора и поляризатора.

Расположим друг за другом две пластины турмалина T₁ и Т₂, выре­занные параллельно оптической оси кристалла О О, и направим естест­венный свет от источника перпендикулярно пластине T₁ (поляризатору) (рис. 3.1). Пластину Т₂ (анализатор) можно вращать вокруг направления луча. Обе эти пластины пропускают колебания светового вектора, на­правленные вдоль оси кристалла.

Пусть Е - амплитуда световых колебаний, вышедших из пластины T₁ и падающих на пластину Т₂, оптическая ось которой составляет с опти­ческой осью T₁ угол α. Разложим Е на компоненту E_II вдоль оптичес­кой оси Т₂, и компоненту E_┴ в направлении, перпендикулярном этой оси. Е_II пройдет через Т₂, а E_┴ полностью поглотится ею. Из рис. 8 видно, что

Е_II = Ecosα.

Возведя в квадрат обе части равенства, получим

E_II² = E²cos²α

а т.к. интенсивность света I пропорциональна квадрату амплитуды све­тового вектора Е, то получим закон Малюса в виде

I_a = I_n cos²α

где Ia = – интенсивность света, вышедшего из анализатора; I_n = E^2-поляризатора

Установка (рис.3.2) представляет собой цилиндрический кожух в од­но основание которого вмонтирован осветитель Л (лампа накаливания), а в другое - фотоэлемент Ф. Между осветителем и фотоэлементом раз­мещены неподвижно закрепленный поляризатор П и анализатор А, который можно вращать вокруг направления луча с помощью шайбы. Для определе­ния угла поворота анализатора на шайбу нанесена угломерная шкала.

Свет от источника проходит через поляризатор П, затем через ана­лизатор А и попадает на фотоэлемент Ф, в цепь которого включен микро­амперметр. Величина фототока J, протекающего через микроамперметр, пропорциональна интенсивности света I_a, вышедшего из анализатора и падающего на фотоэлемент; J~I_a, а т.к._при выполнении закона Малюса I_a ~ cos²α, то должна выполняться зависимость J~cos²α, т.е. все точки графика J = f(cos²α) должны лежать на одной прямой.

Рис. 3.1

Рис. 3.2

3.2. Порядок выполнения работы

Задание I. Изучение экспериментальной установки и визуальные наблюдения зависимости интенсивности света J_a , вышедшего из анализа­тора от угла α.

I. Снять фотоэлемент, вмонтированный в одно из оснований кожуха.

2. Включить осветитель и визуально, вращая шайбу, наблюдать изме­нение интенсивности света, вышедшего из анализатора.

3. Заметить к записать углы α_max и α_min, при которых интенсив­ность Iа принимает максимальное и минимальное значения.

Задание 2. Экспериментальная проверка закона Малюса.

1. Собрать установку, установить фотоэлемент параллельно плоскости анализатора и поляризатора, при этом указатель на шайбе установить на "О" угломерной шкалы.

2. Включить осветитель, замкнуть цепь фотоэлемента и, вращая анализатор от 0 до 90° через каждые 10°, измерить фототок J_пр.

3. Занести полученные результаты в табл. 3.1.

4. Аналогичные измерения провести при уменьшении угла от 90° до 0° и измерить J_обр.

5. Рассчитать для каждого угла <J_a> =

6. Построить график зависимости <J_a> =f(cos²α)

Таблица 3.I

№	α	Cos α	Cos2 α	Jпр	Jобр	<Ja>
1 2 2 3	0 10 20
• • 10	90

Контрольные вопросы

1. С какой целью используется в работе фотоэлемент?

2. Что такое фотоэффект?

3. Выведите закон Малюса.

4. Объясните полученный график.

5.Каковы Ваши предложения по усовершенствованию установки?

8