FP_Opt_i_at_f_2

Если на пути плоскополяризованного луча поставить второй поляризатор (называемый в этом случае анализатором), то, вращая последний, можно погасить луч. В качестве анализатора используются те же поляризаторы (диэлектрики, николи, поляроиды).

На рис. 9. изображен поляризатор Р, из которого выходит

поляризованный свет (вектор Е колеблется в направлении РР), и анализатор

А (колебания вектора Е по АА).

По закону Малюса: Интенсивность света І, выходящего из

анализатора, пропорциональна квадрату косинуса угла α между

направлением плоскостей колебаний (вектора Е ) поляризатора и

анализатора, т.е.

где І0 – интенсивность света, выходящего из поляризатора. (поскольку поляризатор пропускает только необыкновенный луч, то

половина интенсивности естественного света, І0 , падающего на поляризатор теряется, т.е., І0=І /2).

Закон Малюса очень легко выводится. Поскольку интенсивность волны всегда пропорциональна квадрату амплитуды колебаний, то

где ЕР и ЕА - амплитуды колебаний, прошедших поляризатор и анализатор. Из рис. 9 видно

отсюда

31

Если направления плоскостей колебаний поляризатора и анализатора перпендикулярны α = 90о , то говорят, что поляризатор и анализатор скрещены (установлены на гашение света – через скрещенные поляроиды свет не проходит).

Если направления плоскостей поляризатора РР и анализатора АА совпадают α = 0о, то интенсивность проходящего света будет максимальной. Для любого другого угла α интенсивность света вычисляется по закону Малюса.

ОПИСАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ

Установка для проверки закона Малюса представляет собой штатив от микроскопа 1, на котором укреплены: осветитель 2, поляризатор 3,

анализатор 4, смонтированный на лимбе 5, и фотоэлемент 7. Лампочка осветителя на 8 В питается от источника 8, который включается тумблером 9. Лимб 5 вместе с анализатором 4 может вращаться вокруг вертикальной оси. Лимб имеет деления от 0 до 360, и угол поворота считывается против нуля нониуса 6 .

32

Свет, прошедший через анализатор, регистрируется фотоэлементом 7. Фототок измеряется микроамперметром 10 . Таким образом, по силе фототока можно судить об интенсивности света, прошедшего через анализатор (сила фототока пропорциональна интенсивности света).

Оптическая схема установки показана на рис. 10 .

ПОРЯДОК РАБОТЫ

Цель работы - проверить, действительно ли интенсивность света I 0 ,

выходящего из анализатора, пропорциональна квадрату косинуса угла между направлением плоскостей колебаний поляризатора и анализатор, как это утверждает закон Малюса .

Для этого:

1. Задавшись значениями угла от 0 до 90 через 10 и значениями I 0

(задается преподавателем), рассчитайте по закону Малюса

I I 0 cos 2

теоретическое значение I теор для разных . Данные расчетов занесите в таблицу:

33

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРА САХАРА ПОЛЯРИМЕТРОМ

Приборы и принадлежности: поляриметр, раствор сахара.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Вращение плоскости поляризации, обнаруженное впервые на кристаллах кварца, заключается в повороте плоскости поляризации плоскополяризованного света при прохождении через вещество.

Вещества, обладающие способностью вращать плоскость поляризации, называются оптически активными.

Пусть свет падает от источника S на систему «поляризатор» Р – «анализатор» А, которые поставлены «скрещено», т.е., их плоскости

поляризации взаимно-перпендикулярны рр аа. В этом случае свет до наблюдателя не дойдет, так как анализатор не пропускает свет в соответствии с законом Малюса (φ=90°).

Если же между поляризатором и анализатором поместить оптически активное вещество Т, происходит просветление поля зрения, которое, однако, можно погасить, повернув анализатор на угол φ. Следовательно,

свет по выходе из вещества остается плоскополяризованным, но плоскость

колебаний его светового вектора Е оказывается повернутой на угол φ. Оптической активностью могут обладать кристаллы (кварц, киноварь),

жидкости (скипидар, никотин) и их пары, растворы оптически активных веществ (водные растворы сахара, спиртовые растворы камфары и др.)

Угол поворота φ плоскости поляризации пропорционален толщине слоя d оптически активного вещества:

φ=αd,

где α – постоянная вращения, равная углу поворота плоскости поляризации слоем вещества единичной толщины.

Для большинства оптически активных веществ (кварца, сахара и т.д.) обнаружено существование двух модификаций, осуществляющих вращение соответственно по и против часовой стрелки (если посмотреть по ходу луча). Первая модификация называется правовращающей, вторая – левовращающей.

В растворах, как показал Ж.Био, угол поворота φ плоскости поляризации пропорционален толщине раствора l и его концентрации с:

φ=αlс

где α – постоянная прибора, l – толщина раствора,

35

с – концентрация раствора.

Для объяснения вращения плоскости поляризации Френель предположил, что в оптически активных веществах световые волны, поляризованные по кругу вправо и влево, распространяются с неодинаковой скоростью.

Плоскополяризованный свет можно представить как суперпозицию двух

поляризованных по кругу волн, правого и левого вращения, с одинаковыми

амплитудами и частотами. На рис. 1 а обозначены: Е 1 - световой вектор

левой составляющей, Е 2 - правой, рр – направление суммарного вектора Е.

Если скорости распространения обоих волн неодинаковы, то по мере прохождения через

вещество один из векторов,

результирующий вектор Е будет поворачиваться в

сторону более «быстрого»

вектора Е 2 , и займет

положение QQ. Угол поворота будет равен φ.

Различие в скорости распространения света с разными направлениями круговой поляризации обусловлено асимметрией молекул. Молекулы право и левовращающих веществ являются зеркальным отображением друг друга. Модели зеркально-симметричных молекул яблочной кислоты показаны на рис.2.

Эти молекулы нельзя совместить ни поворотом,

ни перемещением.

В зависимости от пространственной структуры молекул одно и

то же вещество может

вращать плоскость поляризации по часовой стрелке (вправо), или против часовой стрелки

(влево).

Кроме естественной оптической активности, вещество может обладать искусственной оптической активностью, которая возникает в нем под

36

влиянием внешних воздействий, например, при внесении вещества в магнитное поле (эффект Фарадея).

Эффект Фарадея заключается в том, что оптически неактивные вещества приобретают способность вращать плоскость поляризации света, распространяющегося вдоль магнитного поля, в которое помещено вещество.

Опыт ставится по схеме (рис. 3): между скрещенными поляризатором и анализатором вводится оптически неактивное вещество, помещенное внутри катушки с большим числом витков. При включении электрического тока внутри катушки благодаря большому числу витков возникает сильное продольное магнитное поле. При этом наблюдатель видит посветление поля зрения прибора. Вращением анализатора можно убедиться, что

действительно имеет место поворот плоскости поляризации на некоторый угол φ.

Угол φ оказывается пропорциональным величине напряженности магнитного поля Н и длине исследуемого вещества l

Φ=VHl

Коэффициент V наз. постоянной Верде и зависит от рода вещества и длины волны света.

В последнее время эффект Фарадея широко используется в научных исследованиях.

Описание оборудования

Вращение плоскости поляризации нашло широкое применение для различных целей, в частности для определения процентного содержания сахара в растворах.

Вданной работе для этих целей используется прибор, называемый поляриметром. Устройства, предназначенные для исследования сахара, называются сахариметрами.

Вращение плоскости поляризации нашло широкое применение для различных целей, в частности, для определения процентного содержания сахара в растворах.

Вданной работе для этих целей используется прибор, называемый

поляриметром. Часто приборы, предназначенные для измерения

37

концентрации сахара, называют сахариметрами.

Основные части поляриметра: два николя П (поляризатор) и А (анализатор), расположенные в корпусе прибора, поддерживаемом штативом.

На поляризатор П падает естественный луч от осветителя. После поляризатора луч проходит исследуемый раствор, залитый в стеклянную трубку, помещенную в корпус прибора. Луч, прошедший через раствор, затем проходит через анализатор и попадает в окуляр. Анализатор может поворачиваться при помощи кремальеры. Угол поворота анализатора отсчитывается при помощи нониуса по разделенному на градусы лимбу.

Установить николи в положение перекрещивания по наблюдению изменения интенсивности прошедшего через них света с большой точностью очень трудно. Поэтому для повышения точности наблюдений, применяется полутеневой поляризатор, отличающийся от обычного специальной конструкцией поляризатора и анализатора. Поле зрения в таком поляриметре кажется разделенным на две половины. Анализатор необходимо вращать до тех пор, пока обе половины поля зрения не окажутся одинаково затемненными (рис.4 )

Часть стенки

корпуса прибора

представляет собой

крышку, которая может

откидываться на петлях. Во внутреннюю часть корпуса помещают поочередно трубки с исследуемыми растворами сахара.

Длина стеклянной трубки в нашем приборе – 2 дм.

Порядок выполнения работы

1.Включить источник света.

2.Открыв крышку и убедившись, что из прибора вынута трубка с раствором сахара, смотрят в нижний окуляр и вращением кремальеры устанавливают анализатор так, что обе половины поля зрения окуляра будут затемнены одинаково.

3.В верхнем окуляре наблюдают лимб с нониусом. При правильной

установке угол φ будет равен нулю, т.е. против нуля верхней шкалы (нониуса) стоит нуль нижней (лимба).

4. Определяют постоянную. Прибора следующим образом: заливают в стеклянную трубку раствор сахара известной концентрации и измеряют длину трубки в дециметрах, затем помещают трубку в корпус прибора, закрывают крышку и смотрят в нижний окуляр. Вращением кремальеры добиваются того, чтобы обе половины поля зрения были одинаково затемнены, как это было при начальной установке прибора.

38

Глядя в верхний окуляр, определяют угол поворота плоскости поляризации φ0.

5. Подставляя найденное значение φ0, известное значение с0 и измеренную длину трубки l в дм, из формулы

φ=κlс0

находят постоянную прибора к:

к= φ0/ lс0 (град/дм %).

6. Измерения угла φ делают 3 раза и находят три соответствующих значения к, из которых вычисляют среднее значение кср.

7.Выливают известный раствор, моют трубку, споласкивая

дистиллированной водой, и заливают раствор неизвестной концентрации с1. Помещают трубку в прибор и определяют угол φ1.

8.Подставляя φ1, кср, l в формулу: φ1= кср l с определяют концентрацию с1 (%)

9.То же самое проделывают со вторым раствором.

10.Все данные заносят в таблицу.

Контрольные вопросы

1.Явление вращения плоскости поляризации. Оптически активные вещества.

2.Гипотеза Френеля о вращении плоскости поляризации.

3.От чего зависит угол поворота плоскости поляризации? Как его измерить?

ЛИТЕРАТУРА:

1.И.В.Савельев. Курс общей физики, т2.- М.: «Наука», 1978, с.440-442.

2.Т.И.Трофимова. Курс физики, М.: «Высшая школа», 2002г., с.365-

367.

3. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. Курс физики, т.3. – М.: «Высшая школа», 1979г., с.162-165.

39

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.8

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ СТЕФАНА-БОЛЬЦМАНА ПРИ ПОМОЩИ

ОПТИЧЕСКОГО ПИРОМЕТРА

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Электромагнитное излучение обусловлено колебаниями электрических зарядов, в частности зарядов, входящих в состав атомов и молекул вещества. Так, например , колебательное и вращательное движение молекул и атомов создает инфракрасное излучение , определенные перемещения электронов в атоме создают видимое и ультрафиолетовое излучение , торможение свободных электронов создает рентгеновское излучение и т.д.

Самым распространенным в природе видом излучения является тепловое излучение ; оно совершается за счет внутренней энергии вещества , и поэтому ведет к охлаждению излучающего тела .

Тепловое излучение присуще всем телам при любой температуре, отличной от нуля Кельвина . Оно имеет сплошной спектр , однако , распределение энергии в нем существенно зависит от температуры : при низких температурах тепловое излучение является преимущественно инфракрасным ( с длиной волны от 0,76 до 2000 мкм , при высокой температуре некоторую долю излучения составляют видимые световые лучи ( от 0,4 мкм до 0,76 мкм ) и невидимые ,ультрафиолетовые лучи.

Всякое тело, излучая энергию, вместе с тем поглощает часть энергии, излучаемой другими (окружающими) телами. Процесс поглощения ведет к нагреванию тела. Очевидно, что, теряя энергию путем испускания и в то же время получая энергию путем поглощения, данное тело, в конце концов, должно прийти в состояние теплового равновесия, при котором потеря энергии за счет испускания компенсируется энергией за счет поглощения. Температура, соответствующая этому состоянию, называется температурой теплового равновесия.

Тепловое излучение - единственное, которое может находиться в равновесии (термодинамическом) с излучающим телом.

Характеристики теплового излучения.

Для количественной оценки процессов теплового излучения и поглощения вводят следующие характеристики.

Энергической светимостью (излучательностью) тела называется физическая величина εт , численно равная энергии электромагнитных волн всевозможных частот ( или длин волн ) от 0 до ∞ , излучаемых за единицу времени с единицы площади поверхности тела .

40