Изучение поляризованного света

Цель работы: 1) ознакомиться с методами получения поляризованного света;

2) проверить выполнение закона Малюса;

3) определить показатель преломления стекла с помощью закона Брюстера.

Схемы экспериментальных установок

Лабораторная работа включает два упражнения, которые выполняются на различных установках (рис. 1 и 2). При этом упражнение 1 может выполняться в двух вариантах: 1а – на установке, где естественный свет от лампы накаливания проходит последовательно через поляризатор и анализатор;1б – на установке, где источником света является лазер, дающий поляризованный свет, который проходит через анализатор.

Описание установок и методики измерений

Прохождение света через вещество. Двойное лучепреломление

При взаимодействии света с веществом электромагнитное поле световой волны приводит в колебание электрические заряды (диполи) внутри вещества, которые в свою очередь испускают вторичные волны. Таким образом, световая волна в веществе представляет собой результат наложения первичной и вторичной волн. Свойства проходящей через среду волны будут зависеть от структуры данной среды. Среда называется изотропной, если ее свойства одинаковы по всем направлениям. В такой среде световая волна не меняется в результате прохождения через такую среду.

В других средах, называемых анизотропными, ее свойства (скорость распространения света, а следовательно, и показатель преломления) зависят от направления. При прохождении естественного света через такую среду следует ожидать нарушения симметрии колебаний векторов и относительно направления распространения. Такую среду можно использовать для получения поляризованного света. В этом случае световая волна внутри вещества разделяется на две, поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях. Скорости распространения v₁ и v₂ и показатели преломления и этих волн различны Поэтому на границе раздела с веществом они преломляются неодинаково. Внутри вещества образуются две волны. Это явление получило название двойного лучепреломления.

Двойным лучепреломлением обладают кристаллы. Типичными представителями являются кристаллы исландского шпата и кварца. Лишь вдоль направления в кристалле, называемогоглавной оптической осью (г.о.о.) не происходит двойного лучепреломления (). Двойное лучепреломление на таком кристалле, когда направление падающего луча не совпадает с осьюг.о.о., изображено на рис.3. При прохождении через такой кристалл образуется два луча, называемые обыкновенный (о) и необыкновенный (е). Они поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях: о – в плоскости, перпендикулярной чертежу (показаны колебания вектора точками), и е – в плоскости чертежа (показаны колебания вектора стрелками).

Обыкновенный луч подчиняется закону преломления, необыкновенный имеет показатель преломления, зависящий от направления, и не подчиняется закону преломления.

Поляризаторы. Закон Малюса

Некоторые кристаллы (турмалин, геранотит, иодистый хинин) кроме двойного лучепреломления сильно поглощают один из лучей. В результате из такого кристалла выходит один практически полностью поляризованный луч. Изготовленные из них пленки называются поляроидами(поляризаторами).

Более совершенным поляризатором является призма Николя (рис.4). Она изготовлена из монокристалла исландского шпата, который разрезается по диагонали АВ и затем склеивается специальным клеем – канадским бальзамом. Показатель преломления склейки таков, что один из лучей (о) испытывает полное внутреннее отражение и отбрасывается. Второй луч (е) проходит через призму, практически не меняя своего направления, и из призмы выходит полностью поляризованным.

При прохождении через поляризатор интенсивность естественного неполяризованного света уменьшается в два раза, не считая потерь на поглощение, так как в основе получения поляризованного света лежит явление двойного лучепреломления, а по интенсивности оба луча одинаковы.

Рассмотрим прохождение света через два поляроида (рис.5). Первый из них является поляризатором, его плоскость поляризации обозначим Р. Второй поляроид играет роль анализатора, его плоскость поляризации – А. Амплитуду колебаний вектора поляризованного света обозначим. Угол между плоскостями Р и А обозначим. Тогда из анализатора выйдет поляризованный в плоскости А свет с амплитудой

.

Так как интенсивность I света пропорциональна квадрату амплитуды, то

, (1)

где – интенсивность света, прошедшего анализатор;– интенсивность света, вышедшего из поляризатора.

Формула (1) – закона Малюса, который в дальнейшем проверяется в упражнении 1.

Поляризация света при отражении

При отражении естественного света на границу раздела двух диэлектриков наблюдается поляризация света. Если свет будет падать так, что угол между отраженным и преломленным лучом равен 90^о, то отраженный свет будет полностью поляризован в плоскости перпендикулярной плоскости падения. Такие колебания вектораназываютS-колебаниями и обозначают точками (рис. 6). Преломленный свет частично поляризован в плоскости падения (Р-колебания). На рис.6 они обозначены стрелками. КолебанияРв преломленном луче превалируют над колебаниямиS.

Действительно, падающая световая волна приведет в колебание диполи вещества, которые будут излучать вторичные волны в направлениях отраженной и преломленной волны. Когда угол между отраженным и преломленным лучом будет равен 90^о, диполи могут совершатьS-колебания вектораи в отраженном, и преломленном лучах, аР-колебания – только в преломленном луче, так как свет представляет собой электромагнитную поперечную волну. Таким образом, при угле падения, когда, закон преломления примет вид

, (2)

где – относительный показатель преломления второй среды по отношению к первой.

Условие (2) – закон Брюстера,который проверяется в упражнении 2.

Порядок измерений и обработки результатов

Упражнение 1.ПРОВЕРКА ЗАКОНА МАЛЮСА

1. Включите источник света и регистрирующий прибор в сеть переменного напряжения 220 В.

2. Направьте свет на поляризатор и анализатор (вариант 1а) или на анализатор (вариант1б). Вращая анализатор, добейтесь максимальных показаний прибора, регистрирующего интенсивность проходящего света. Если показание прибора менее половины шкалы, то отрегулируйте положение осветителя и приемника так, чтобы показания на приборе были во второй половине его шкалы.

3. Вращая анализатор вместе с лимбом, добейтесь минимальных показаний на приборе, что соответствует углу между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора . Снимите показание по лимбу в градусах и запишите его в первую строку таблицы.

Угол при повороте		α,о	90	75	60	45	30	15	0
Интенсив-ность света	вправо	I1
		I2
	влево	I1
		I2
	среднее значение	Iср

4. Продолжая вращать анализатор с лимбом вправо, снимите показания прибора через каждые 15^одо угла(максимальное показание прибора).

5. Повторите п.4 в обратном направлении до угла и запишите показания во вторую строку таблицы.

6. Повторите п. 4 и 5, вращая анализатор влево. Показания запишите в 4 и 5 строки таблицы.

7. Вычислите средние значения показаний . Результаты запишите в 6 строку таблицы.

8. Постройте график зависимости .

Примечание. Если при углепоказание прибора не равно нулю, то необходимо вычитать его значение из значенийI при других углахα.Это происходит из-за попадания света от побочных источников в анализатор.

Упражнение 2.ПРОВЕРКА ЗАКОНА БРЮСТЕРА

1. Включите источник света.

2. Поверните стеклянную пластинку так, чтобы свет от источника попадал на зеркало и геометрический центр отверстия совпадал с центром зеркала.

3. Вращая анализатор и меняя угол падения α, добейтесь максимального затемнения света, проходящего через анализатор. Отсчитайте по транспортиру угол падения луча при полной поляризациии запишите его значение в таблицу.

4. Сбивая настройку, повторите измерение угла полной поляризации три раза. Результаты запишите в таблицу.

5. Рассчитайте среднее значение угла полной поляризации .

6. По закону Брюстера определите показатель преломления стекла nи сравните его с табличным значением.

Контрольные вопросы

1. Какой свет является естественным, частично поляризованным, полностью (линейно или плоско) поляризованным?

2. В чем состоит явление двойного лучепреломления?

3. Как с помощью одного поляроида определить, какой свет падает на него?

4. Как получить полностью поляризованный свет?

5. Сформулируйте и объясните действие законов Малюса и Брюстера.

Лабораторная работа №5.8