Физпрактикум.Оптика

!"#. $.$#

Очевидно, все части тройного зрения будут освещены одинаково только в двух случаях:

1.Когда главная плоскость анализатора перпендикулярна биссектрисе ОС угла между векторами Е1 и Е2 (рис. 2.21, а).

2.Когда главная плоскость анализатора параллельна биссектрисе ОС

(рис. 2.21, б).

Вобоих этих случаях составляющие векторов Е1 и Е2, пропускаемые анализатором, одинаковы:

В первом случае эти составляющие малы, поэтому поле зрения ос-

вещено слабо (полутень). Поворот анализатора на небольшой угол β (рис. 2.22, а) вызовет существенную разницу в компонентах Е1А! и Е2А!" а следовательно Ð и в освещенностях соответствующих частей тройного поля, легко фиксируемую глазом. Например: если анализатор установлен в положение равномерной затемненности тройного поля, то при повороте анализатора на малый угол β (главная плоскость пе-

реходит в положение А ), величины составляющих Е1А и Е2А , пропус-

каемых анализатором, изменятся (рис. 2.22, а):

Е2А = Е1 q sin(γ Ð β), Е1А = Е1 q sin(γ + β).

Их разница составляет:

c Е1А = Е1А Ð Е2А = 2 Е1 q cosγ q sinβ.

При малом β

c Е1А ≈ 2Е1 q cosγ q β.

Из полученной формулы следует, что при заданном значении β раз-

ница Е1А и Е2А , а значит, и разница в освещенностях средней и крайних

!"#. $.$$

частей тройного поля тем больше, чем меньше угол 2γ между векторами Е1 и Е2 = Е3 и чем больше интенсивность I света, используемого для измерений.

Во втором случае (рис. 2.22, б) поворот анализатора на малый угол β приведет соответственно к малому изменению компонент Е1А!""и Е2А!", а следовательно, и к малой разнице в освещенностях отдельных частей тройного поля.

Из сказанного следует, что положение анализатора фиксируется значительно точнее, если оно соответствует равномерно затемненному полю зрения (случай 1), которое и используется при измерениях оптической активности.

Измерение угла поворота плоскости поляризации света с помощью полутеневого поляриметра сводится к следующему:

1.По угломерному устройству снимают нулевой отсчет φ0, соответствующий равномерно затемненному тройному полю в отсутствие трубки с исследуемой жидкостью.

2.Помещают в поляриметр трубку с исследуемой жидкостью. При

этом векторы Е1, Е2 и Е3, показанные на рис. 2.20, а вместе с ними и плоскость поляризации повернутся на некоторый (одинаковый) угол φ, обусловленный действием на световой пучок оптически активной жидкости, вследствие чего равномерное затемнение тройного поля зрения нарушится. Его восстанавливают поворотом анализатора на такой же угол и снимают новый отсчет φ΄. Угол поворота плоскости поляризации равен:

φ = φ΄ Ð φ0.

Зная φ, С и l, по формуле (2.30) можно рассчитать [α]: [α] = φ/(C q l).

При проведении эксперимента в незатемненной комнате следует определить фоновый ток i0 при выключенном лазере. Впоследствии полученное значение необходимо учитывать при расчетах.

Ход работы

1.Измерьте фоновый ток i0, перекрывая лазерный луч экраном, до начала измерений и после их окончания. Результаты усредните.

2. Поворачивая поляризатор с шагом в 5¼ между положениями + = +/Ð 90¼, определите соответствующий ток фотоэлемента i. Повторите измерения 3Ð5 раз. Занесите их в таблицу результатов. Результаты усредните.

3.Постройте график зависимости ( iср Ð i0) от +. Найдите угол +, при котором интенсивность света, прошедшего через поляризатор, максимальна. При таком положении поляризатора его плоскость пропускания совпадает с плоскостью колебаний вектора Е лазерного луча, т. е. угол φ = 0.

4.Рассчитайте значения φ, соответствующие измеренным положениям поляризатора +.

5.Постройте график зависимости (i Ð i0)/(imax Ð i0) от cos2φ.

6.Сделайте выводы.

Таблица результатов

Контрольные вопросы

1.Запишите уравнения электромагнитной волны. Перечислите свойства электромагнитных волн.

2.Чем линейно-поляризованный свет отличается от естественного? Что называется плоскостью поляризации света?

3.Выведите закон Малюса.

4.Как практически можно отличить линейно-поляризованный свет от естественного?

5.Что такое оптическая анизотропия?

6.Когда наблюдается и в чем заключается двойное лучепреломление?

7.В чем отличие обыкновенного и необыкновенного лучей?

8.Что такое дихроизм?

9.Какие поляризационные устройства вам известны? Объясните принципы их действия.

2.10.2. Лабораторная работа № 16 ÒОтражение линейно поляризованного света от поверхности диэлектрикаÓ

Задача:

изучить теорию Френеля для отражения и преломления света на границе двух диэлектриков, исследовать энергетические соотношения при отражении и преломлении и проверить изменение поляризации волны.

Цель работы:

1.Получить на опыте зависимость коэффициентов отражения от угла падения для двух случаев поляризации падающей волны (параллельно и перпендикулярно плоскости падения).

2.Рассчитать зависимость коэффициентов отражения от угла падения по формулам Френеля и сравнить с опытом.

3.Определить угол полной поляризации (угол Брюстера).

4.Изучить экспериментально зависимость угла поворота плоскости поляризации при отражении.

Приборы и принадлежности:

лазер Не-Nе (1 мВт); два поляроида; призма из флинтгласа (n = 1.63, преломляющий угол 60¡); столик с транспортиром для призмы; штативы, опоры, держатели; радиальное зажимное приспособление; фотоэлемент; многопредельный измерительный прибор с усилителем.

Методика эксперимента

В работе изучается отражение лазерного излучения от поверхности призмы из флинтгласа. Подбирая положение лазера и поляроида, устанавливается определенное направление колебаний электрического поля по отношению к плоскости падения. Экспериментально исследуются зависимости коэффициентов отражения F 9 !и FP от угла падения. Экспериментальные зависимости сравниваются с теоретическими, рассчитанными по формулам (2.16) и (2.17). Опытные данные позволяют определить угол полной поляризации αБ и рассчитать показатель преломления флинтгласа.

Для более глубокого изучения теории отражения предлагается исследовать изменение направления поляризации при отражении под

!"#. $.$+. K#%'*-/7' +&"6.= +&" 10,) +'4)*"G T 5 2:

# & 6'%).*)**'G #%-&-*' +&"6.=' $ & #%-,"7' ( & %&'*#+-&%"&' ) & #%&),7'>17'6'%),8' + & E%'%"/*=< #%)&()*8' , & ,'6)&*=< ,12

Порядок работы

Упражнение 1. Изучение зависимости коэффициентов отражения от угла падения при параллельной

иперпендикулярной поляризации

1.Установите лазер на стойке в Н-образной опоре под углом 90!

кположению, изображенному на рис. 2.24. Включите лазер и прогрейте его в течение 10 минут.

2.Поляризатор установите так, чтобы плоскость колебаний электрического поля волны совпадала с плоскостью падения (90! по шкале поляроида). Анализатора перед фотодатчиком не должно быть.

3.Положение лазера подберите так, чтобы луч распространялся параллельно стержню и проходил через центр столика для призмы. Транспортир установите в положение Ç0È.

4.Разверните штативный стержень с фотоэлементом, установив его вдоль нулевого деления транспортира. Измерьте первичную ин-

тенсивность !7 луча, поляризованного параллельно плоскости

6

падения. Предел измерительного прибора возьмите ≈ 30 мкА.

5.Поместите призму на столик отражающей поверхностью в центре (рис. 2.25). Падающий луч должен отражаться в обратном направлении. Это соответствует углу падения α = 0.

6.Поворачивая столик, изменяйте угол падения в пределах от 10 до 85! с шагом 5!. При этом необходимо разворачивать и стержень с фотоэлементом, устанавливая его на максимальный ток.

Для каждого угла падения измерьте силу фототока ( "!!!"#), которая пропорциональна интенсивности отраженного света, поляризованного в плоскости падения.

7.Вычислите для каждого угла падения коэффициент отражения FP и постройте график зависимости FP (α).

8.Поверните лазер на 90! и закрепите его на штативном стержне

всоответствии с рис. 2.24. Поляризатор установите на 0!. Теперь колебания электрического поля в волне происходят перпендикулярно плоскости падения.

9.Измерьте первичную интенсивность 769 , как в п. 4.

10.Проведите измерения интенсивности отраженного света ( !!"#! !), поляризованного перпендикулярно плоскости падения, как в п. 6.

11.Вычислите для каждого угла падения коэффициент отражения F 9 и постройте график зависимости F 9 3+4 .

12.По экспериментальной зависимости FP (α) определите величину угла Брюстера. Сравните полученное значение с теоретическим.

Упражнение 2. Исследование изменения направления поляризации при отражении

1.Установите лазер, как в п. 8 упражнения 1. Поляризатор установите в положение 45! по его шкале. Теперь колебания электрического поля в волне происходят под углом 45! к плоскости падения, т. е. азимут колебания падающей волны δ = π/4.

2.Поворачивая столик с призмой, изменяйте угол падения α от 20 до 80¡ с шагом 10¡. При этом поворачивайте штативный стержень с фотоэлементом, устанавливая его на максимальный ток.

3.Вращая анализатор, установленный в отраженном пучке, найдите для каждого угла падения направление колебаний в отраженной волне (ω). Оно соответствует максимальной интенсивности света, пропускаемого анализатором. Угол поворота плоскости поляризации при отражении ψ = δ Ð ω = π/4 Ð ω. Постройте график зависимости ψ(α).

4.По формуле (2.28) рассчитайте значения ψ, соответствующие разным углам падения (20Ö80¡) и постройте теоретическую зависимость ψ(α).

5.Сравните экспериментальную и теоретическую зависимости. Оп-

ределите угол Брюстера αБ, зная, что при угле падения, равном αБ, плоскость колебаний при отражении поворачивается на π/4.

Контрольные вопросы

1.Запишите формулы Френеля. Какие величины они связывают? Для какого света применимы?

2.Что называется коэффициентом отражения? От чего зависит его величина?

3.Как рассчитать коэффициент отражения при нормальном падении света на границу двух диэлектриков, а также при произвольном угле падения?

4.Какой свет называется естественным? Линейно поляризованным? Частично поляризованным?

5.В чем заключается закон Брюстера?

6.Что такое степень поляризации?

7.Что называется азимутом колебания электрического поля волны?

8.Если на границу двух диэлектриков падает под углом Брюстера естественный свет, то каким будет состояние поляризации отраженного света? Преломленного света?

9.Почему при отражении линейно поляризованной волны происходит поворот плоскости поляризации?

10.Начертите график зависимости коэффициента отражения от угла падения для волны:

а) поляризованной в плоскости падения; б) поляризованной перпендикулярно плоскости падения; в) неполяризованной.

11.Объясните существование угла полной поляризации, исходя из особенностей излучения атомного диполя.

2.10.3. Лабораторная работа № 15 ÒПолучение и исследование поляризованного светаÓ

Цель работы:

1.Проверить закон Малюса.

2.Получить и исследовать циркулярно поляризованный свет.

3.Получить и исследовать эллиптически поляризованный свет.

Приборы и принадлежности:

монохроматор УМ-2 с осветителем, фотоэлемент, гальванометр, два поляроида и слюдяная пластина.

Правила техники безопасности

1.Монохроматор УМ-2 Ð точный оптический прибор. Будьте аккуратны и внимательны при работе с ним. Запрещается работа с прибором без разрешения преподавателя. В электрическом отношении прибор безопасен.

2.Источник света питается от понижающего трансформатора.

3.Студентам категорически воспрещается производить регулировки, связанные с работой измерительной техники. При неполадках следует обращаться за помощью к инженеру.

4.Фотогальванометр подключается к сети на 220 В.

5.Соблюдайте правила техники безопасности. После окончания работы приведите в порядок свое рабочее место.

Экспериментальная установка

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 2.26.

!"#. $.$,. D5).' L7#+)&".)*%',8*-< 1#%'*-/7":

# & -#/)%"%),8 0#$>/'%%*'G ,'.+-27'3 +-47,92').'G

7 +-*"('9H).1 %&'*#?-&.'%-&1.' $' " $: & 7-*4)*#-&*=) ,"*6='

(& .-*-5&-.'%-& # :'&':'*-. 0('.' ) & 4)&('%),8 +-,G&-"4'>+-,G&"6'%-&''

+& 4)&('%),8 +-,G&-"4'>'*',"6'%-&' " #,94G*-< +,'#%"*7"

/2)%/)&%8 /-,*=3 #*':()**=< 0&'41#*=." E7','."'

,& ?-%-L,).)*%' - & 0',8/'*-.)%&