Методички / Т.А. Балашова Изучение закона Малюса

Министерство образования Российской Федерации

Государственное учреждение Кузбасский государственный технический университет

Кафедра физики

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА МАЛЮСА

Методические указания к лабораторной работе № 75 по курсу общей физики для студентов всех направлений подготовки

Составители Т.А. Балашова Э.Н. Лебединская

Утверждены на заседании кафедры Протокол № 5 от 28.01.02

Рекомендованы к печати методической комиссией 550600 Протокол № 10 от 30.01.02

Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса ГУ КузГТУ

Кемерово 2002

1

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 75 ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА МАЛЮСА

1. Приборы и принадлежности: источник света – лампа накаливания, две поляроидные пленки, фотоэлемент, микроамперметр и стабилизированный выпрямитель.

2. Цель работы: изучить явление поляризации, проверить закон Малюса.

3. Подготовка к работе: ознакомиться с описанием лабораторной работы, изучить в [1, §§ 190-191, 193-194] и в [2, § 34.1].

4. Теоретические положения

Из теории Максвелла следует поперечность световыхr волн: векторы напряженностей электрического Еr и магнитного Н полей

волны взаимно перпендикулярны (причем их колебания всегда происходятr в одинаковой фазе) и колеблются перпендикулярно вектору

скорости v распространения волны, то есть перпендикулярно лучу. Несмотря на то, что световые волны поперечны, они не обладают

асимметрией относительно луча. Это обусловлено тем, что в естественном свете (то есть свете, испускаемом обычными источниками) присутствуют колебания, совершающиеся в самых различных направлениях, перпендикулярных лучу. Излучение светящегося тела складывается из волн, испускаемых его атомами, причем одновременно «излучают» много атомов. Возбужденные ими волны, налагаясь друг на друга, образуют испускаемую телом световую волну. Плоскость колебаний для каждой волны ориентирована случайным образом, поэтому в результирующей волне колебания

колебания различных направлений быстро и беспорядочно сменяют

2

друг друга. Свет, в котором направления колебаний каким-либо образом упорядочены, называется поляризованным. Поскольку на электрические заряды среды, в которой распространяетсяr свет,

действует в первую очередь электрический вектор Е, то для описания закономерностейr распространения световой волны обычно используют

вектор Е, который называют световым вектором (не забываяr об

обязательном существовании перпендикулярного ему вектора Н ). Если колебания светового вектора происходят только в одной

проходящей через луч плоскости, свет называется плоско- (или линейноr)

поляризованным (рис. 1, в). Упорядоченность колебаний вектора Е может заключаться в том, что он поворачивается вокруг луча, одновременноr пульсируя по величине, в результате чего конец вектора

Е описывает эллипс. Такой свет называется эллиптически поляризованным. Плоскополяризованный свет является предельнымr

случаем эллиптически поляризованного. Если конец вектора Е описывает окружность, свет называется поляризованным по кругу.

Плоскость, в которой колеблется световой вектор в плоскополяризованной волне, называется плоскостью колебаний. По историческим причинам плоскостью поляризации была названа не

плоскость, в которой колеблется вектор Еr, а перпендикулярнаяr к ней

плоскость (то есть плоскость колебаний вектора Н ). Плоскополяризованный свет можно получить из естественного с

помощью приборов, называемых поляризаторами. Эти приборы свободно пропускают колебания, параллельные плоскости, которая называется плоскостью поляризатора, и полностью или частично задерживают колебания, перпендикулярные этой плоскости. Если поляризатор неидеальный, то на выходе из него получается свет, в котором колебания одного направления преобладают над колебаниями других направлений. Такой свет называется частично поляризованным (рис. 1, б). Его можно рассматривать как смесь естественного и плоскополяризованного.

Если пропустить частично поляризованный свет через поляризатор, то при вращении прибора вокруг направления луча интенсивность прошедшего света будет изменяться в пределах от Imax

3

до Imin, причем переход от одного из этих значений к другому будет совершаться при повороте на угол, равный π 2 . Выражение

называется степенью поляризации. Для плоскополяризованного света

Imin = 0 и Р = 1; для естественного света Imax = Imin и Р = 0. К эллиптически поляризованному свету понятие степени поляризации не

применимо (у такого света колебания полностью упорядочены). Колебание амплитуды А, совершающееся в плоскости,

образующей с плоскостью поляризатора угол ϕ , можно разложить на два колебания с амплитудами AII = A cosϕ и A = A sin ϕ (на рис. 2 луч перпендикулярен плоскости чертежа). Первое

Аплоскости поляризатора, имеет интенсивность,

доля света, прошедшего через поляризатор, будет равна среднему

плоскостью поляризатора. Тогда интенсивность прошедшего света I будет определяться выражением

которое носит название закона Малюса: интенсивность (I) света,

прошедшего через анализатор, равна интенсивности (I0) света, прошедшего через поляризатор, умноженной на квадрат косинуса угла(ϕ) между анализатором и поляризатором.

Если на пути естественного луча поставить два поляризатора,

плоскости которых образуют угол ϕ , то из первого поляризатора выйдет плоскополяризованный свет, интенсивность I0 которого составит половину интенсивности Iест естественного света. Согласно закону Малюса, из второго поляризатора выйдет свет интенсивности

I 0 cos 2 ϕ , то есть интенсивность I света, прошедшего через два поляризатора, равна

1

Максимальная интенсивность, равная 2 I ест , наблюдается при ϕ = 0

(поляризаторы параллельны), минимальная, равная нулю, — при ϕ = =π/2 (поляризаторы скрещены).

Для изучения поляризованного света всегда используются два поляризатора. При этом первый поляризатор, преобразующий естественный свет в поляризованный, носит название поляризатора, а второй, служащий для анализа степени поляризации света, называется анализатором (оба поляризатора совершенно одинаковы, их можно поменять местами).

5. Практическая часть

Поляризатор и анализатор, используемые в экспериментальной установке, представляют собой пленочные поляроиды. Они изготовлены из нанесенных на целлулоидную пленку одинаково ориентированных анизотропных микрокристаллов герапатита (сернокислого йод-хинина). Свет, проходя через поляроид, поляризуется частично, причем степень поляризации света зависит от плотности нанесенных на пленку микрокристаллов. Существенным преимуществом поляроидов в сравнении с другими поляризационными устройствами является возможность их изготовления с большими площадями поверхностей. Однако их невысокая прозрачность (≈30 %) в

5

Так как поляроидные пленки, используемые в данной установке, не являются идеальными поляризаторами, то часть света оказывается

неполяризованной и проходит через оба поляризатора, не изменяясь по интенсивности. Обозначим ее Imin. Пусть Iп – интенсивность света, вышедшего из поляризатора (эта компонента интенсивности в эксперименте также остается неизменной, так как определяется свойствами поляроида).

Световой поток, вышедший из анализатора, интенсивностью IА попадает на фотоэлемент и вызывает фототок, который регистрируется микроамперметром (рис.1). Величина фототока пропорциональна интенсивности светового потока. Поэтому об интенсивности IА можно судить по показаниям микроамперметра.

Ход работы

1.Изучить установку для проверки закона Малюса.

2.Вращая анализатор 3, определить по шкале микроамперметра величину максимального отклонения стрелки. Это положение

анализатора будет соответствовать углу ϕ = 0, при котором направления плоскостей поляризации поляроидов совпадают. Записать показание прибора в делениях (IА).

3. Поворачивая анализатор на 10°, 20° и т.д. до 360°, измерить IА по прибору в делениях. Данные 37 измерений IА внести в таблицу.

6

4.Построить зависимость IА(ϕ). Определить по графику точки с максимальным и минимальным значением IА (в делениях), внести эти значения в таблицу.

5.Определить степень поляризации света Р по формуле (1), где Imin

–интенсивность неполяризованного света, прошедшего через оба

поляроида, Imax – сумма интенсивностей поляризованного и неполяризованного света.

6.Проверить справедливость закона Малюса. Для этого построить

зависимость (IА – Imin) = f(cos2ϕ).

7. Сделать вывод из результатов работы.

6.Контрольные вопросы

1.Какой свет называется естественным, поляризованным, частично поляризованным?

2.Каким способом можно получить поляризованный свет?

3.Как определяется степень поляризации света?

4.Что представляют собой поляроиды?

5.Как можно отличить неполяризованный естественный свет от поляризованного, используя поляроид?

6.Как изменяется интенсивность света после прохождения через поляризатор при вращении его вокруг светового луча?

7.Сформулируйте закон Малюса.

Список рекомендуемой литературы

1.Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высш. шк., 2000. - 542 с.

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

шк., 2000. – 718 с.

Составители Татьяна Александровна Балашова

Эльвира Николаевна Лебединская

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА МАЛЮСА

Методические указания к лабораторной работе № 75 по курсу общей физики для студентов всех направлений подготовки

Рецензент Н.Н.Демидова

Редактор Е.Л.Наркевич

ИД № 06536 от 16.01.02

Подписано в печать 20.02.02. Формат 60х84/16.

Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Уч.-изд. л. 0,4. Тираж 50 экз. Заказ .

ГУ Кузбасский государственный технический университет. 650026, Кемерово, ул. Весенняя, 28.

Типография ГУ Кузбасский государственный технический университет.

650099, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4А.