Физика_2 / ЛР ин.-тех. напр / Сборник МУ Часть 4 (нов) / Оптика 2011 ЛР 47

32

Лабораторная работа № 47

ИССЛЕДОВАНИЕ ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

СВЕТА С ПОМОЩЬЮ САХАРИМЕТРА

Цель работы: 1. Ознакомиться с явлениями поляризации света и вращения плоскости поляризации.

2. Изучить устройство и принцип работы сахариметра.

3. Установить зависимость угла поворота плоскости поляризации от концентрации раствора сахара и найти неизвестную концентрацию.

Теоретическое введение

Электромагнитные волны, в частности - свет, являются поперечными, так как в них векторы и напряженностей электрического и магнитного полей перпендикулярны направлению распространения волны, то есть световому лучу. При этом они перпендикулярны и друг другу. Однако относительно луча ориентация вектора и, соответственно, вектора может быть различной, так как лучу перпендикулярно любое направление в перпендикулярной ему плоскости. Все тепловые и люминесцентные источники света дают естественный (неполяризованный) свет, представляющий собой совокупность испущенных множеством атомов волн, в которых векторы и колеблются по всем направлениям, перпендикулярным лучу. Поляризованный свет, излученный лазером или полученный из естественного, есть электромагнитная волна, в которой направление колебаний векторов и упорядочено.

Простейшим типом поляризованного света является линейно поляризованный (плоскополяризованный) свет, у которого направления колебаний векторов и постоянны в любой точке луча. Плоскостью поляризации такого света называется плоскость, проходящая через вектор и луч. Естественный свет интенсивностью можно представить, как совокупность двух линейно-поляризованных волн интенсивностью каждая с взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний.

Двулучепреломляющими называются вещества, показатель преломления которых зависит от ориентации плоскости колебаний проходящего света. Таковы некоторые кристаллы, например, исландский шпат. Оптически изотропные вещества, например, стекло, становятся двулучепреломляющими под действием механических напряжений, внешних электрических и магнитных полей. При наклонном падении на двулучепреломляющую среду естественный луч расщепляется на два линейно поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях луча, так как для них из-за различия показателей преломления различны и углы преломления.

Плоскополяризованный свет можно получить с помощью поляризатора, например, призмы Николя, изготовленной из исландского шпата, разрезанного на две части и склеенного канадским бальзамом (рисунок 1). Естественный луч из-за двулучепреломления расщепляется в призме на два луча "o" и "е", поляризованных взаимно перпендикулярно. Плоскость поляризации луча "е" совпадает с плоскостью падения естественного луча и называется главной плоскостью или главным сечением призмы. Так называемый обыкновенный луч "o" падает на слой канадского бальзама под углом, большим предельного, испытывает полное внутреннее отражение и поглощается зачерненной гранью призмы. Необыкновенный луч "е" проходит через призму и выходит из нее параллельно падающему лучу.

Рисунок 1 - Призма Николя. Ход лучей в главном сечении призмы.

В качестве поляризаторов используются также пленки из некоторых кристаллов или органических веществ (дихроичные пластинки).

Если на поляризатор падает уже поляризованный свет, то этот поляризатор называется анализатором; интенсивность выходящего из него света зависит от угла между плоскостью поляризации падающего света и главным сечением анализатора по закону Малюса:

, (1)

где - интенсивность падающего на анализатор поляризованного света. При 90° поляризатор и анализатор скрещены и =0.

Линейно поляризованным является также свет, отраженный от границы раздела двух диэлектриков, если естественный свет падает из среды с показателем преломления в среду с показателем преломления под углом Брюстера , определяемым уравнением

. (2)

Оптически активными называют вещества, поворачивающие плоскость поляризации проходящего через них линейно поляризованного света вокруг оси, совпадающей с лучом. Примеры: кварц, раствор сахара. Различают правовращающие вещества, поворачивающие плоскость поляризации по часовой стрелке с точки зрения наблюдателя, к которому идет луч, и левовращающие, поворачивающие плоскость поляризации в обратном направлении. Угол поворота плоскости поляризации в твердой среде пропорционален толщине пройденного светом слоя, а в растворах - также и концентрации активного вещества. Кроме того, он зависит от длины световой волны. Для растворов имеем:

, (3)

где - удельное вращение активного вещества, то есть угол поворота при прохождении слоя единичной толщины из чистого () оптически активного вещества. Величина зависит от длины световой волны.

Приборы для определении концентрации сахара в растворе по величине угла поворота плоскости колебаний поляризованного света называются сахариметрами.

Описание установки и метода

Установка содержит сахариметр, оптическая схема которого показана на рисунке 2, и набор трубок с растворами сахара различной концентрации.

Рисунок 2 - Оптическая схема сахариметра. ИС - источник света, С - светофильтр, ОБ - объектив, П - поляризатор, Б - бикварц, Р - трубка с раствором сахара, К - компенсатор, А - анализатор, ОК – окуляр.

Источник света, оранжевый светофильтр, объектив и поляризатор служат для получения узкого пучка линейно-поляризованного монохроматического света. Система поляризатор - анализатор позволяет обнаружить поворот плоскости поляризации. Если при скрещенных поляризаторе и анализаторе (угол в законе Малюса (1) равен 90°), когда поле зрения затемнено, между ними поместить оптически активное вещество, то поле зрения просветлится. Для восстановления затемнения надо повернуть анализатор на угол , равный углу поворота плоскости поляризации в веществе. Такое определение угла поворота весьма неточно, так как человеческий глаз не способен точно отметить максимальное затемнение поля зрения. Поэтому применяют полутеневой сахариметр, в котором после поляризатора установлено специальное устройство - бикварц. Оно состоит из двух склеенных кварцевых пластин, причем кварц в правой половине поля зрения - правовращающий, а в левой - левовращающий. В правой половине пучка поляризованного света, прошедшего через бикварц, плоскость поляризации поворачивается на угол по часовой стрелке, в левой половине - на такой же угол против часовой стрелки (см. рисунок 3а). Если поляризатор и анализатор скрещены, то интенсивность обеих половин прошедшего через них пучка одинакова, так как равны углы между главным сечением анализатора и плоскостями поляризации света в обеих половинах пучка.

При помещении между поляризатором и анализатором раствора сахара плоскость поляризации во всем световом пучке повернется на угол по часовой стрелке. Яркости половин поля зрения станут разными, так как углы между главным сечением анализатора и плоскостями поляризации в левой и правой половинах пучка будут неодинаковы (рисунок 3б).

Рисунок 3 - Поворот плоскости колебаний света в сахариметре: а) без раствора сахара; б) с раствором сахара. П-П и А-А - плоскости главных сечений поляризатора и анализатора.

В такой схеме для измерения угла поворота плоскости поляризации применяют компенсатор, состоящий из пластинки правовращающего кварца и двух клиньев из левовращающего кварца. При сближении клиньев толщина левовращающего кварца возрастает и плоскость поляризации в проходящем свете поворачивается против часовой стрелки, компенсируя поворот в растворе сахара. Величина этого поворота определяется по связанной с ручкой компенсатора шкале, размеченной в градусах международной сахарной шкалы. Один градус этой шкалы равен 0,34 углового градуса.

Если поворот плоскости поляризации в компенсаторе равен по абсолютной величине повороту в растворе сахара, то яркости половин поля зрения равны и малый поворот ручки компенсатора в ту или иную сторону резко изменяет освещенности половинок поля зрения. Использование монохроматического света позволяет избежать зависимости вращения плоскости поляризации от длины волны.

Порядок выполнения работы и обработки результатов измерений

Помещая в сахариметр трубки с растворами сахара различных известных концентраций , определить соответствующие углы поворота плоскости поляризации. Построить график зависимости , сделать вывод о виде этой зависимости.

Кроме того, измерить угол поворота для раствора неизвестной концентрации и с помощью построенного графика определить величину .

Подробно порядок выполнения работы изложен в инструкции на стенде.

Контрольные вопросы

1. Что представляет собой световая волна? Как ориентированы векторы и относительно друг друга и относительно направления распространения волны?

2. Что такое естественный свет, поляризованный свет, линейно поляризованный свет?

3. Способы получения линейно поляризованного света.

4. Объясните устройство призмы Николя и ход лучей в главном сечении этой призмы.

5. Сформулируйте закон Малюса.

6. Какие вещества называются оптически активными? От чего зависит угол поворота плоскости поляризации? Способы получения искусственной оптической активности.

7. Объясните устройство сахариметра и методику работы с ним.

Список рекомендуемой литературы

1. Трофимова, Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т. И. Трофимова. - 13-е изд., стер. - М.: Академия, 2007. - 560 с. - §§ 190-196.

2. Детлаф, А.А. Курс физики: учеб. пособие для студ. вузов / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. - 7-е изд., стер. - М.: Академия, 2008. - 720 с. - 30.1, 34.1-34.5.

3. Савельев, И.В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-х тт. Т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика / И.В. Савельев. - 9-е изд., стер. - СПб.: Лань, 2007. - 496 с. - §§ 110, 134-136, 140, 141.

4. Грабовский, Р.И. Курс физики: Учеб. пособие / Р.И. Грабовский. - 10-е изд., стер. - СПб.: Лань, 2007. - 608 с. - §§ 58-60.