2.3. Контрольные вопросы

1. Явление дифракции. При каком условии оно наблюдается?

2. Сформулируйте принцип Гюйгенса-Френеля.

3. Какие волны называются когерентными?

4. В чем заключается метод зон Френеля?

5. Запишите условия минимума и максимума при дифракции на щели и поясните их.

6. Докажите, что разность хода между соседними лучами, идущими от правых краев каждой щели дифракционной решетки, равна Δ=d•sinφ.

7. Каков порядок следования цветов в дифракционных спектрах? Какова окраска нулевого максимума?

8. Интерференционная картина представляет собой чередование минимумов и максимумов. Почему через дифракционную решетку мы видим цветную картину?

9. Какова область видимого света по длине волн и частоте?

Литература

[1], §§ 125-130;

[2], §§ 32.1-32.4;

[3], §§ 177, 178, 180, 181;

[4], ч. II, гл. VII, §§ 54-55;

[5], §§ 33, 39, 40, 44, 46;

[6], стр. 264-268.

3. Определение концентрации раствора сахара с помощью сахариметра

Целью настоящей работы является изучение явления поляризации, исследование явления вращения плоскости поляризации, определение концентрации раствора сахара, проверка законов Малюса и Брюстера.

Приборы и принадлежности: сахариметр СУ-2, трубки с раствором сахара, газовый гелий-неоновый лазер, диэлектрическая пластинка.

3.1. Теоретическое введение

С точки зрения электромагнитной теории свет представляет собой поперечную электромагнитную волну, в которой колебания векторов напряженности электрического и магнитного полей происходят перпендикулярно направлению распространения света (рис.3.1).

Вектор напряженности электрического поля волны Е часто называют 2 световым вектором. Это обусловлено тем, что физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются колебаниями электрического вектора.

Е и Н - вектора напряженности - соответственно электрического и магнитного полей; С - вектор скорости распространения волны.

Излучение светящегося тела слагается из волн, испускаемых отдельными атомами тела. Излучение отдельного атома продолжается 10^-8с. От каждого атома (атомы ориентированы хаотично) распространяются колебания Е и Н, происходящие в определенной плоскости (рис.3.1). Мы же наблюдаем всегда суммарное действие многих атомов, а именно: множество всех возможных ориентировок Е и Н и быструю смену этих возможных ориентировок.

Таким образом, свет, испускаемый обычными источниками, не имеет пре имущественного направления колебаний, в нем представлены все направления колебанийЕ, перпендикулярные к лучу. На рис.3.2 показаны некоторые из возможных колебаний вектора.Е(векторНне указан).

Свет со всеми возможными ориентировками вектора Е (а, следовательно, и вектора Н) называется естественным. В естественном свете колебания различных направлений представлены с равной вероятностью (рис.3.2).

Свет, в котором Е (а, следовательно, и Н) имеет одно единственное направление, называется плоскополяризованным (см. рис.3.1).

Плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектораЕ и направление распространения волны, называется плоскостью поляризации.

На рис.3.3 показано направление колебания вектора Е в плоскополяризованном свете. Из сказанного следует, что естественные источники света излучают волны не поляризованные. Плоскополяризованный свет можно получить из естественного с помощью приборов, называемых поляризаторами (призма Николя, поляроид и т.д.).

Эти приборы способны свободно пропускать световые волны, электрический вектор напряженности которых колеблется лишь в строго определенном направлении. Это направление называется главным направлением. На рис.3.4 РР - главное направление поляризатора.

Для того чтобы установить направление колебаний поляризованного света, на его пути ставят анализатор, который по своему устройству не отличается от поляризатора. Анализатор, как и поляризатор, может пропускать только те колебания, которые совпадают с его главным направлением АА (рис 3.4.) если же анализатор повернуть так, что его главное направление АА составит угол 90⁰ с главным направлением поляризатора РР, то за анализатором будет темнота, интенсивность проходящего света будет равна нулю (рис. 3.4.). Такое положение анализатора называется скрещенным. В том случае, когда главные направления поляризатора и анализатора, которые составляют между собой угол φ, интенсивность проходящего света будет принимать промежуточные значения. Зависимость между интенсивностью J и углом φ можно понять из векторной диаграммы (рис. 3.5.).

ПустьРР и АА соответственно главные направления поляризатора и анализатора, которые составляют между собой угол φ.

Е_Р - амплитуда светового вектора Ē_Р., пропускаемого поляризатором;

Е_A - амплитуда светового вектора Ē_А, выходящего из анализатора.

Как видно из рис. 3.5, Е_А равна проекции Е_Р на главное направление анализатора АА, т.е. Е_А = Е_Р•cos φ.

Так как известно, что интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды J ~ Е², то J = J₀ cos²φ (закон Малюса), где J₀ - интенсивность света, падающего на анализатор, J - интенсивность света, прошедшего через анализатор.

Если cos φ =1, то J= J₀, т.е. J₀ есть интенсивность поляризованного света в случае совпадения главных направлений поляризатора и анализатора.

При прохождении плоскополяризованного света через некоторые вещества наблюдается вращение его плоскости поляризации. Вещества, обладающие такой способностью, называются оптически активными. К ним относятся: кристаллические тела (например, кварц, киноварь), чистые жидкости (скипидар, никотин) и растворы оптически активных веществ (водные растворы сахара, винной кислоты и др.). Направление вращения различных веществ различно: правовращающие и левовращающие. Правовращающим называется тело, в котором плоскость колебаний для наблюдателя, смотрящего навстречу световому лучу, поворачивается по часовой стрелке. Левовращающие тела вращают плоскость колебаний того же луча против часовой стрелки.

Если между скрещенными поляризатором и анализатором, дающими темное поле зрения, поместить оптически активное вещество, то поле зрения просветлеет. Однако если повернуть анализатор на некоторый угол φ, то можно вновь получить темное поле зрения.

В растворах угол поворота плоскости поляризации пропорционален длине пути луча в растворе l и концентрации активного вещества С.

φ=[α]•С•l, (3.1)

где [α] - величина, называемая удельной постоянной вращения данного вещества. Она численно равна углу поворота плоскости поляризации в слое раствора 1 дм при концентрации 100 г вещества в 100 см³ раствора при температуре 20⁰С. Она также зависит от длины волны проходящего света. Поэтому формула справедлива только в случае монохроматического света, для получения которого используются светофильтры. Например, для желтой линии натрия удельная постоянная вращения раствора сахара при нормальной температуре равна:

[α] = 52,6 град•дм^-1г^-1•см ³.