Методички / А.А. Колесникова Изучение поляризации света при отражении

2

k = 2λπ = V2πT = ωV ,

х - координата точкиr , доr которой дошла волна в данный момент времени t. Векторы E и H колеблются с одинаковой фазой во взаимно

перпендикулярных плоскостях и перпендикулярно вектору скорости V распространения волны (рис.1).

Е

А В

V

Е0

х

Н0

Н

D C

Рис.1

При прохождении света через вещество происходит взаимодействие электромагнитной световой волны с электронами вещества. Элек-

трическая составляющая волны действует на электроны силой Fк = eE

скую составляющую волны Е ответственной за такие процессы, как физиологическое, электрохимическое, фотохимическое и другие воздействия света на вещество. Происходит и обратное воздействие вещества на свойства электромагнитной волны опять же через ее электрическую составляющую. Поэтому описание указанных процессов произ-

водят с помощью вектора Е, называя его световым вектором, не забывая при этом о магнитной составляющей волны.

Источниками световых электромагнитных волн являются возбужденные атомы вещества. В светящемся теле атомов достаточно много, и каждый из них излучает волны независимо друг от друга. Поэтому

3

любая естественная световая волна представляет собой суперпозицию множества элементарных световых волн со всевозможными и равновероятными направлениями колебаний светового вектора, лежащих в плоскостях, перпендикулярных направлению скорости распространения волныr. Свет со всевозможными равновероятными ориентациями

вектора Е называется естественным (рис. 2, а). Различают частично поляризованный свет, когда в световой волне появляется преимущест-

венное направление колебаний вектора Е (рис. 2, б), и полностью по-

ляризованный свет, в котором вектор Е колеблется только в одной плоскости, в связи с чем его называют плоскополяризованным или линейнополяризованным (рис. 2, в). На рис. 2 луч перпендикулярен плоскости листа.

Плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоскополяризованной волны и направление распространения этой волны, называется плоскостью поляризации (АВСД, рис. 1).

Рис.2

Естественный свет преобразуется в поляризованный при прохождении его через некоторые анизотропные вещества, которые пропус-

кают колебания вектора Е определенного направления и задерживают (частично или полностью) колебания этого вектора в других направлениях. Такие вещества называют поляризаторами. К ним относятся: турмалин (природный поляризатор), поляроидные пленки, изготовленные искусственно, и другие поляризаторы. Эти приборы свободно пропускают колебания, параллельные плоскости, которую называют плос-

4

костью поляризатора, и полностью задерживают колебания, перпендикулярные к этой плоскости.

С помощью поляризатора исследуют свет на степень поляризации. Для этого на пути исследуемого светового луча перпендикулярно к нему помещают поляризатор (его в данном случае можно назвать анализатором). Поворачивая его вокруг направления луча (рис. 3), исследуют интенсивность вышедшего из поляризатора света, которая на экране может изменяться от максимального (Imax) до минимального (Imin) значений.

Степенью поляризации называется величина

Рис. 3

Если на поляризатор падает естественный луч, то на выходе из поляризатора он становится плоскополяризованным в направлении, параллельном плоскости поляризатора. Поворот поляризатораr вокруг лу-

ча изменяет только направление колебаний вектора Е , но не интенсивность поляризованного света. Освещенность экрана остается постоянной, так как Imax=Imin, а степень поляризации Р=0. Если на поляризатор падает плоскополяризованный луч, то интенсивность вышедшего из поляризатораr луча максимальна при совпадении плоскости поляри-

зации вектора Е и плоскости поляризатора и равна нулю при повороте поляризатора на 90°. Следовательно, степень поляризации такого луча

5

Р=1. При частичной поляризации исследуемого луча Imin ≠ 0 ни при

каком положении поляризатора: 0<P<1.

Поляризация света наблюдается и при отражении его от границы двух диэлектриков (например воздуха и стекла). При этом отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 4, а). Колебания светового вектора в отраженном луче преимущественно происходят в плоскости, перпендикулярной плоскости падения луча (на рис. 4 изображены точ-

ками). Колебания вектора Е в преломленном луче преимущественно происходят в плоскости падения луча (на рис. 4 изображены стрелками). При изменении угла падения луча φ степень поляризации обоих лучей изменяется. Шотландский физик Брюстер установил закон, согласно которому при угле падения ϕБ (угол Брюстера), определяемым соотношением:

отраженный луч полностью поляризован, преломленный – частично

(рис. 4, б).

В уравнении (3): n21 – показатель преломления второй среды относительно первой (см. приложение).

φ

ϕб

π

Рис. 4

Если свет падает на границу раздела двух сред под углом Брюстера ϕ∆, то отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны. Отражение под углом Брюстера дает простейший способ получения поляризованного света, но имеет существенный недостаток – малую

6

интенсивность отраженного луча. Так, для стекла (n = 1,6) эта интенсивность составляет ~10% интенсивности падающего луча.

5. Описание лабораторной установки

Оптическая схема установки изображена на рис. 5.

В цепь фотосопротивления

К трансформатору

Рис.5

В трубку (1) вмонтированы лампа (2) – источник естественного света и линза (3), формирующая параллельный пучок лучей. Поляризатором служит пластинка (4) из диэлектрика. В трубке (5) расположены анализатор (6) с рукояткой для его поворота, собирающая линза (7) и фоторезистор (8). Обе трубки и пластинка смонтированы на столике теодолита. К осветительной лампе подводится напряжение от понижающего трансформатора. Столик теодолита позволяет поворачивать трубки 1 и 5 и тем самым задавать по шкале (9) угол φ падения лучей естественного света и под таким же углом (отражения) располагать трубу 5 для приема лучей, поляризованных при отражении от пластинки.

7

ФС

µА

В

Рис. 6

Интенсивность I поляризованных лучей исследуется с помощью фотосопротивления ФС (рис. 6). Сила фототока i в цепи фотосопротивления прямо пропорциональна интенсивности I света, падающего на фотосопротивление:

i=kI,

где k – коэффициент пропорциональности. Тогда формулу (2) для вычисления степени поляризации можно привести к виду

P=imax−imin, imax+imin

где максимальное (imax) и минимальное (imin) значения фототока, измеренные микроамперметром, соответствуют двум положениям поляризатора:

аr) плоскость поляризатора совпадает с плоскостью колебаний вектора

Е в поляризованной волне (отброс стрелки микроамперметра максимален);

б) плоскость поляризатора перпендикулярна вектору Е (минимальный отброс стрелки).

8

6.Порядок выполнения работы

1.Включите лампу накаливания и подайте напряжение в цепь фотосопротивления.

2.Установите трубку 1 под углом φ=40° от нулевого указателя шкалы теодолита, трубку 5 – под таким же углом по другую сторону от нулевого указателя шкалы.

3.Измерьте максимальное значение фототока imax, подобрав соответствующее положение анализатора.

4.Поверните ручку анализатора на 90° и измерьте imin.

Поиск максимального и минимального значений фототока производится не торопясь, учитывая значительные инерционные явления в фотосопротивлении.

5.Все последующие значения угла φ падения лучей рекомендованы

втаблице.

Для каждого из этих углов измерьте imax и imin

6.Рассчитайте степень поляризации для всех углов по формуле (4).

7.Постройте график зависимости степени поляризации от угла падения Р=Р(φ) и укажите максимальное значение степени поляризации Pmax и угол Брюстера (φБ).

9

8.Определите показатель преломления n диэлектрической пластинки. Какому материалу соответствует этот показатель преломления? Сделайте вывод.

7.Контрольные вопросы

1.Каково различие между естественным и поляризованным светом?

2.Какими способами получают поляризованный свет? Каково непременное условие поляризации света?

3.Как изменится угол Брюстера (φБ), если границу раздела «воз- дух-стекло» заменить на границу раздела «вода-стекло»? Абсо-

лютные показатели преломления сред: nвоздух=1; ncт=1,5; nводы=1,33.

4.Как изменится интенсивность отраженного луча, если на границу раздела двух диэлектриков будет падать под углом Брюстера плоскополяризованный свет?

5.Предскажите, как будет изменяться сила фототока при повороте анализатора от 90° до 360°.

6.Проанализируйте экспериментальные значения степени поляризации и сделайте вывод: частично или полностью поляризовался отраженный луч при угле Брюстера.

7.Можно ли по показаниям микроамперметра установить пропуск-

ное для вектора Е положение анализатора? Как точнее установить угол отражения в опытах?

Список рекомендуемой литературы

1.Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высш. шк., 2000. – С. 306309.

2.Детлаф А.А. Курс физики / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. – М.:

Высш. шк. 2000. – С. 465-466.