377
.pdfФедеральное агентство по образованию
Московская государственная академия тонкой химической технологии им.М.В.Ломоносова
(МИТХТ)
Кафедра физики
Зубова Н.В., КомоваН.Н.
Лабораторные работы
по разделу оптики «Поляризация света» ПС-2 ПРОВЕРКА ЗАКОНА МАЛЮСА.
ПС-3 ОПРЕДЕЛЕНИЕКОНЦЕНТРАЦИИ
САХАРАВРАСТВОРЕПОУГЛУ
ВРАЩЕНИЯПЛОСКОСТИПОЛЯРИЗАЦИИ
(Учебно-методическоепособие)
Москва2008
www.mitht.ru/e-library
УДК: 535(076.5)
Рецензент: Доцент кафедры физики и химии
твёрдого тела, к.ф.-м.н. Ю.В.Сыров.
Зубова Н.В., Комова Н.Н.
Лабораторные работы по разделу«Оптика»
ПС-2, ПС-3
Под редакцией профессора Б.В.Алексеева
-Уч.-метод. пособие: ИПЦ МИТХТ им. М.В.Ломоносова,
2008, стр. 35, табл. 3, рис.13.
Учебно-методическое пособие предназначено для студентов второго курса дневного и вечернего отделений. Данное учебно-методическое пособие является дополнением
ксуществующим учебникам и задачникам.
Впособии кратко изложены теоретические основы лабораторных работ; приведены схемы и описания экспериментальных установок; даны указания по порядку проведения экспериментов; представлены контрольные вопросы и литература, необходимые для усвоения изучаемого материала.
Утверждено БИК МИТХТ им. М.В.Ломоносова .
©МИТХТ им. М.В.Ломоносова, 2008
2
Издание учебно-методическое
Н.В.Зубова, Н. Н. Комова
Проверка закона Малюса (ПС2).
Определение концентрации сахара в растворе по углу вращения плоскости поляризации (ПС3).
Учебно-методическое пособие.
Подписано в печать _____________.Формат 60х90/16
Бумага писчая. Отпечатано на ризографе.
Тираж 500 экз. Заказ №_______
Московская государственная академия тонкой химической технологии им.М.В.Ломоносова.
Издательско-полиграфический центр
119571 Москва, пр. Вернадского, 86.
35
www.mitht.ru/e-library
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ПС-2
ПРОВЕРКА ЗАКОНА МАЛЮСА
1.1.Цель работы.
Получение поляризационного света и проверка закона Малюса.
1.2.Теоретические основы работы.
Световые волны представляют собой короткие электромагнитные волны, длина которых лежит в интервале 10-4 -10-9 м. В электромагнитной волне одновременно происходят колебания напряженности электрического и магнитного полей. Причём вектор напряженности электрического поля Е и вектор напряженности магнитного поля Н перпендикулярны друг другу и направлению распространения световой волны ( световому лучу). Такие волны являются поперечными. В поперечной волне, в отличие от продольной, направление колебаний не задается однозначно направлением её распространения. При заданном направлении луча вектор Е может совершать колебания во всех направлениях, лежащих в плоскости, перпендикулярной лучу.
Как показывает опыт, физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются колебаниями электрического поля. Поэтому часто говорят о световом векторе, имея в виду вектор напряженности электрического поля, или, вернее, вектор электрической индукции D, совпадающий по направлению с вектором Е в изотропных телах ; в анизотропных телах вектор D в общем случае не совпадает с вектором Е .Связь между этими
34 |
3 |
www.mitht.ru/e-library
векторами определяется следующим выражением: D=εε0E. В теории волновой оптики различают три состояния
световых волн: неполяризованное (естественное), поляризованное, частично поляризованное.
Электромагнитная (световая) волна, для которой направление вектора Е не ограничено никакими дополнительными условиями, называется естественной.
Поляризованной называется такая электромагнитная волна, колебания вектора напряженности электрического поля Е которой упорядочены определенным образом по отношению к лучу ( направлению распространения световой волны).
Плоскополяризованной (линейно поляризованной)является такая волна, колебания вектора Е которой лежат в одной плоскости, проходящей через луч.
Простейшую структуру имеет линейно-поляризованная (или плоско-поляризованная) волна, изображенная на рис.1. 1а. Ориентация вектора Е в такой волне сохраняется неизменной, т. е. колебания Е происходят в одной плоскости (например, в плоскости xz на рис.1. 1а). Эта плоскость называется плоскостью колебаний.
По причинам исторического характера под плоскостью поляризации обычно понимают плоскость, в которой лежат магнитный вектор и направление распространения волны. Чтобы избежать недоразумений, используют термины
«направление колебаний» и «плоскость колебаний»,
определяя их относительно электрического вектора Е.
В плоскости, перпендикулярной направлению лучу, колебания вектора Е в случае плоскополяризованной волны имеют вид, изображенной на рис. 1.1. б.
Если колебания вектора Е совершаются так, что конец вектора описывает круг или эллипс, то свет называется соответственно поляризованным по кругу или эллиптически
4 |
33 |
www.mitht.ru/e-library
поляризованным (рис.1.2).
б)
z
Рис.1.1.Характеристики плоскополяризованной волны: а) Мгновенное состояние плоскополяризованной
волны;
б) Колебания вектора Е в плоскополяризованной волне.
32 |
5 |
www.mitht.ru/e-library
Рис.1.2. Пространственная структура эллиптически поляризованной волны.
Солнечный свет, свет от ламп накаливания, люминесцентных ламп является неполяризованным или естественным, так как каждый источник является совокупностью множества самостоятельных излучателей световых волн – отдельных атомов, посылающих электромагнитные волны. Плоскость колебаний вектора Е этих волн ориентирована случайным образом. В результирующей волне колебания различных направлений представлены с равной вероятностью. В плоскости, перпендикулярной направлению луча, колебания вектора Е в данном случае имеют хаотический характер (рис.1.3).
6 |
31 |
www.mitht.ru/e-library
Рис. 1.3. Колебания светового вектора в естественном свете.
Колебания светового вектора в результирующей волне в каждый момент времени могут быть представлены в виде двух взаимноперпендикулярных световых векторов, которые являются результатом проектирования множества векторов на два взаимноперпендикулярных направления (рис.1.4).
Рис.1.4. Разложение вектора Е по осям.
Это означает, что любую волну (поляризованную и неполяризованную) можно представить как суперпозицию двух линейно-поляризованных во взаимно перпендикулярных
30 |
7 |
www.mitht.ru/e-library
направлениях волн: Е(t)= Ex(t) + Ey(t) .Но в поляризованной волне обе составляющие Ex(t) и Ey(t) когерентны, а в неполяризованной – некогерентны, то есть в первом случае разность фаз между Ex(t) и Ey(t) постоянна, а во втором она является случайной функцией времени.
Естественный свет можно поляризовать. Существует несколько способов получения поляризованного света. 1. Поляризация света при отражении от поверхности диэлектрика.
При отражении от границы раздела двух диэлектриков свет всегда становится хотя бы частично поляризованным, если угол падения его не равен 0 или π/2. Существует такой угол падения β, при котором отраженный луч полностью поляризован. Этот угол удовлетворяет следующему условия:
tg β= n,
где n- относительный показатель преломления двух сред,β – угол Брюстера.
Представленное выражение носит название закона Брюстера.
Если естественный свет от источника падает на поверхность диэлектрика под углом Брюстера( угол падения), то отраженный луч будет полностью поляризованным и при этом колебания вектора происходят перпендикулярно плоскости падения луча (рис.1.5).
Рис.1. 5. Поляризация света при отражении от поверхности диэлектрика.
8
С%= 0,346α / 0,666 d ,
где α – отсчёт угла поворота по шкале сахариметра, d – длина трубки, выраженная в дециметрах.
Во внешней части корпуса сахариметра расположены два окуляра зрительной трубы 3 : нижний – для наблюдения поля зрения, верхний – для отсчёта по шкале прибора ( на рис. 2.2
не показаны).
Шкала прибора состоит из двух частей: нижней –
основной подвижной шкалы и верхней – неподвижной шкалы
нониуса (рис.2.6)
На рис. 2.6 изображена измерительная шкала и указаны примеры отсчётов по ней для правовращающего и левовращающего вещества.
а б
Рис.2.6. Шкала прибора: внизу-основная шкала, вверху-
шкала нониуса. а) отсчёт +11,4; б) отсчёт -5,3.
29
www.mitht.ru/e-library
2.Поляризация света при преломлении.
Преломленный луч также является поляризованным, но всегда только частично, даже при падении луча под углом полной поляризации. При падении естественного света под углом Брюстера интенсивность отраженного света меньше, чем интенсивность преломленного.
Как следует из формул Френеля, преломленный луч при падении света под углом Брюстера оказывается частично поляризованным. Так, у обычного стекла степень поляризации преломленного света составляет 15%. При других углах падения доля поляризованного света в преломленном луче будет ещё меньше.
Если преломленный луч подвергнуть второму, третьему и последующим преломлениям, то степень поляризации преломленных лучей возрастает. Стопа из 10-15 стеклянных пластинок почти полностью поляризует свет, падающий на неё под углом Брюстера. Такая система называется стопой Столетова.
3.Поляризация при двойном лучепреломлении.
Почти все прозрачные диэлектрики оптически анизотропны, то есть свойства света при прохождении через них зависят от направления. Физическая природа анизотропии связана с особенностями строения молекул диэлектрика или особенностями кристаллической решетки, в узлах которой находятся атомы или ионы.
Вследствие анизотропии кристаллов при прохождении через них света возникает явление, называемое двойным лучепреломлением. Оно заключается в том, что свет, падающий на кристалл, преломляясь, создает не один преломленный луч, как в изотропных средах, а два, идущие в общем случае в различных направлениях и с разными скоростями. Явление двойного лучепреломления наблюдается для одноосных и двухосных кристаллов.
28 |
9 |
www.mitht.ru/e-library
У одноосных кристаллов один из преломленных пучков подчиняется обычному закону преломления. Его называют обыкновенным. Другой пучок называется необыкновенным, он не подчиняется обычному закону преломления. Даже при нормальном падении светового пучка на поверхность кристалла необыкновенный луч может отклоняться от нормали. Как правило, необыкновенный луч не лежит в плоскости падения. Если через такой кристалл посмотреть на окружающие предметы, то каждый предмет будет раздваиваться. При вращении кристалла вокруг направления падающего луча обыкновенный луч остается неподвижным, а необыкновенный будет двигаться вокруг него по окружности.
К одноосным кристаллам относятся, например, кристаллы кальцита или исландского шпата (СаСО3). Кристалл исландского шпата представляет собой разновидность кальцита, который кристаллизуется в виде ромбоэдра. В одноосных кристаллах существует выделенное направление, вдоль которого обыкновенная и необыкновенная волна распространяются не разделяясь пространственно и с одинаковой скоростью. Направление, в котором не наблюдается двойного лучепреломления, называется оптической осью кристалла. Следует иметь в виду, что оптическая ось–это не прямая линия, проходящая через какую-то точку кристалла, а определенное направление в кристалле. Любая прямая, параллельная данному направлению, является оптической осью.
Любая плоскость, проходящая через оптическую ось кристалла, называется главным сечением или главной плоскостью кристалла. Обычно пользуются главным сечением, проходящим через световой луч в кристалле.
Исследование обыкновенного и необыкновенного лучей показывает, что оба луча полностью плоскополяризованы во взаимно перпендикулярных направлениях. Колебания вектора напряженности электрического поля в обыкновенной волне
10
Рис.2.5. Компенсатор Солейля.
Компенсатор Солейля представляет собой совокупность
платинок правого и левого кварца (рис.2.6)
27
www.mitht.ru/e-library