Упражнение 1. Получение и исследование поляризованного света

1. На оптической скамье разместить приборы в соответствии с рисунком 4 а: источник света (ИС), поляроид (П), объектив (О), экран (Э).

ИС

П О Э

Рис.4 а. Схема размещения приборов в упражнении 1.

2. Перемещая поляроид (поляризатор) и объектив вдоль оптической скамьи, добиться четкой картины на экране в виде освещенного круга. Вращая поляризатор относительно горизонтальной оси, наблюдать за освещенностью экрана. Убрав поляроид, отметить характер изменения освещенности экрана.

3. Пояснить наблюдающиеся картины векторными диаграммами. Заменив первый поляроид другим, провести те же наблюдения, убедившись, что результат не изменится.

4. Разместить на оптической скамье приборы в соответствии с рисунком 4 б: источник света (ИС), поляроид (данный поляроид выполняет роль поляризатора) (П), второй поляроид (второй поляроид выполняет роль анализатора) (А), объектив (О), экран (Э).

13

ИС

П А О Э

Рис.4 б. Схема размещения приборов в упражнении 1

5. Добиться четкого изображения на экране в виде освещенного круга.

6. Оставляя поляризатор неподвижным, вращать анализатор относительно горизонтальной оси и наблюдать за освещенностью экрана.

7. Отметить произвольное положение шкалы поляризатора, занеся значение угла в таблицу 1.

8. Вращая анализатор относительно горизонтальной оси, отмечать отсчеты на шкале анализатора, соответствующие максимальной и минимальной освещенности экрана. Данные занести в таблицу 1.

9. Изменив положение поляризатора, занести отсчет по шкале в таблицу 1. Повторить измерения п.8.

10. Еще раз изменив положение поляризатора, занести отсчет по шкале в таблицу 1. Повторить измерения п.8.

11. Объяснить наблюдающуюся закономерность на основании закона Малюса (формула (1)).

Таблица 1

Исследование поляризованного света

Угол на	Угол на	Угол на	Угол на	Угол на
шкале П	шкале А	шкале А	шкале А	шкале А
	макс.осв.	мин.осв.	макс.осв.	мин.осв.

14

Упражнение 2. Исследование свойств обыкновенного и необыкновенного лучей, полученных с помощью двояко преломляющего кристалла.

Разместить на оптической скамье приборы в соответствии с рисунком 4 в: источник света (ИС); диафрагма (Д); двояко преломляющий кристалл (ДПК); объектив (О); экран (Э). Диафрагма и двояко преломляющий кристалл смонтированы вместе (Д+ДПК), поэтому кристалл должен быть размещен на стойке так, чтобы та его грань, которая закрыта диском (диск выполняет роль диафрагмы), была обращена к источнику света. При этом свет должен проходить через самое маленькое отверстие в диске.

е

ИС о

Д+ДПК О Э

Рис. 4 в. Схема расположения приборов в упражнении 2.

2. Перемещая кристалл вдоль оптической скамьи, добиться четкого изображения двух светящихся точек на экране, т.е. изображений обыкновенного и необыкновенного лучей.

3. Вращая кристалл относительно горизонтальной оси, определить, какой из лучей является обыкновенным, а какой необыкновенным (при этом необыкновенный луч вращается вокруг обыкновенного).

4. Поместить между двояко преломляющим кристаллом (Д+ДПК) и объективом (О) анализатор (А). Вращая анализатор относительно горизонтальной оси, отмечать углы на его шкале, которые соответствуют максимумам и минимумам интенсивности обыкновенного и необыкновенного лучей. Данные занести в таблицу 2 в графу "Без поляризатора".

5. Разместить на оптической скамье приборы в следующей последовательности в соответствии с рисунком 4 г: источник света (ИС); поляризатор (П); анализатор (А); объектив (О); экран (Э). Вращая один из

15

поляроидов относительно горизонтальной оси, добиться минимальной освещенности экрана. Это соответствует положению поляроидов с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации (скрещенные поляроиды).

ИС

П А

Д+ДПК О Э

Рис.4 г. Схема расположения приборов в упражнении 2.

6. Уже собранную схему дополнить двояко преломляющим кристаллом с диафрагмой (Д+ДПК), поместив его между поляризатором (П) и анализатором (А). Вращая кристалл относительно горизонтальной оси, отметить углы его поворота, соответствующие максимумам и минимумам интенсивности обыкновенного и необыкновенного лучей. Данные занести в таблицу 2 в графу "Скрещенные поляроиды".

7. Повторить опыт, но перед этим, вращая один из поляроидов, настроить поляроиды на максимальную освещенность экрана (плоскости поляризации обоих поляроидов параллельны). Данные занести в таблицу 2

в графу "Параллельные поляроиды".

Упражнение 3. Изучение распределения механических напряжений в балке и пластинке с помощью поляризованного света.

1. Разместить на оптической скамье приборы в соответствии с рисунком 4 д в следующем порядке: источник света (ИС); поляризатор (П); балка (Б) (балка также укреплена в стойке); анализатор (А); объектив (О).

2. Перемещая экран или балку, добиться четкого изображения балки на экране.

3. Осторожно слегка сжать балку с помощью винта.

4. Полученную картину зарисовать. Поясните наблюдающуюся закономерность

16

Таблица 2

Исследование двойного лучепреломления

Взаимное
расположение	-	-	-	-		-	-	-	-
поляроидов
	Обыкновенный луч				Необыкновенный луч
	макс.	мин.	макс.	мин.		макс.	мин.	макс.	мин.
Без
поляризатора
Скрещенные
поляроиды
Параллельные
поляроиды

() - разница углов по шкалам поляризатора и анализатора.

ИС

П А

Б О Э

Рис.4 д. Схема расположения приборов в упражнении 3.

17

Упражнение 4. Поляризация при отражении от диэлектрика.

Расположить на оптической скамье приборы в следующей последовательности: источник света, диафрагму (Д) с отверстием 10 мм, объектив (О) и диэлектрическое зеркало (ДЗ) (см. рис.4 д).

ИС

Д ДЗ

Д П О

Рис.4 е . Схема расположения приборов в упражнении 4.

2. Между зеркалом и экраном расположить поляроид, сначала держа его в руке. Луч должен проходить через поляроид перпендикулярно его поверхности. Вращая поляроид относительно оси, параллельной лучу, убедиться, что пятно на экране меняет свою яркость, т.е. свет, отраженный от зеркала частично поляризован.

3. Укрепить поляроид на оптической скамье между источником света и объективом, таким образом, на зеркало будет падать поляризованный свет. Вращая поляроид относительно оси, параллельной лучу, убедиться, что интенсивность отраженного от зеркала света изменяется, поскольку при падении на зеркало поляризованного света зеркало отражает преимущественно ту часть волны, в которой световой вектор перпендикулярен плоскости падения.

4. Поворачивая плоское зеркало на небольшой угол относительно оси, перпендикулярной направлению падающего луча (перпендикулярной плоскости рис.4 е) и вращая поляризатор, найти такое положение зеркала, при котором происходит наиболее полное гашение светового пятна на экране. По шкале, укрепленной на держателе зеркала, определить угол падения луча на зеркало -угол Брюстера . Измерения провести пять раз, каждый раз заново находя положение, соответствующее наибольшему гашению светового пятна на экране. Результаты записать в таблицу 3.

18

5. Рассчитать случайную ошибку измерений по методу Стьюдента для доверительной вероятности 0,95.

6. По закону Брюстера (формула 2) рассчитать показатель преломления nвещества, из которого сделано зеркало.

7. Вычислить погрешность показателя преломления по формуле:

где -угол Брюстера, -среднее значение угла Брюстера из таблицы 3.

Результат записать в виде:

.

Таблица 3

Измерения угла Брюстера

Nn.n.	1	2	3	4	5

Упражнение 5. Интерференция поляризованных лучей.

1. Собрать схему для наблюдения интерференции поляризованных лучей на оптической скамье в соответствии с рисунком 4 ж: источник света ИС); поляризатор (П); слюдяную пластинку (СП) с переменной толщиной; анализатор (А); объектив (О); экран (Э).

2. Получить на экране четкую окрашенную картину.

3. Вращая анализатор, наблюдать за изменением окраски картины.

4. Зарисовать распределение цветов до и после поворота анализатора на 90°

При зарисовывании цветов экрана следует использовать цветные карандаши.

При записи результатов каждого из упражнений зарисовать схему расположения приборов на оптической скамье.

19

ИС

П СП А О Э

Рис.4 ж. Схема расположения приборов в упражнении 5.

Рекомендация:

при проведении двухчасового занятия рекомендуется выполнять упражнения 1 и 2; при четырехчасовом занятии - все упражнения.

Контрольные вопросы.

1. Что такое электромагнитная волна?

2. Что такое поляризованный свет?

3. Каковы методы получения поляризованного света?

4. Как отличить поляризованный свет от неполяризованного?

5. Сформулировать закон Малюса.

6. Сформулировать закон Брюстера.

7. Что такое двойное лучепреломление?

8. Чем отличаются свойства обыкновенного и необыкновенного лучей?

9. Опишите метод векторных диаграмм, пояснив его на примере.

10. Приведите примеры использования свойств поляризованного света.

20

Работа 43

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ

ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА

Цель работы.Ознакомление с оптическим методом определения концентрации растворов оптически активных веществ по измерению зависимости угла поворота плоскости поляризации от концентрации оптически активного вещества в растворе.

Приборы и принадлежности.Источник света, матовый фильтр, конденсорная линза, трубка с исследуемыми растворами, кварцевый компенсатор, поляроид-анализатор, окуляр.

Введение

Электромагнитные волны являются поперечными: колебания векторов напряженности электрического поля Еи напряженности магнитного поляНперпендикулярны направлению скорости распространения волны и совершают колебания во взаимно перпендикулярных плоскостях. Если источником света служит множество атомов или молекул, то испускаемые ими волны не являются когерентными, поскольку пространственная ориентация векторовЕиНв них, а также моменты испускания волн быстро и беспорядочно меняются. Таким образом, в естественном свете, испускаемом обычными источниками (некогерентными), колебания вектора напряженности электрического поляЕсовершаются вдоль всевозможных хаотически изменяющихся направлений, перпендикулярных направлению распространения волны. Если в световой волне колебания вектораЕсовершаются только в одной плоскости, проведенной через направление распространения волны, то такая волна называется линейнойили плоскополяризованной.При этом и колебания векторовНтакже происходят только в одном направлении. Плоскость, проведенная через

21

направление колебаний вектора Ни направление распространения волны, называетсяплоскостью поляризации.Плоскость, проведенная через направление колебаний вектора Е и направление распространения волны,

называется плоскостью колебаний.

Поляризация света наблюдается при отражении, преломлении и рассеянии света, а также при прохождении света через кристаллы и некоторые растворы.

Многочисленными опытами установлено, что именно вектор напряженности электрического поля Епреимущественно обуславливает физиологическое (такова оптика человеческого глаза), фотоэлектрическое, фотохимическое и другие воздействия. Это связано с тем, что наибольший результат взаимодействия света с веществом определяется воздействием электрического поля световой волны на элементарные заряды (в первую очередь свободные и связанные электроны). Именно поэтому вектор напряженности электрического поля называют световым вектором.

При прохождении через кристаллы и оптически активные растворы плоско поляризованного света может происходить поворот плоскости поляризации (вращение плоскости поляризации). Вещества (кристаллы и растворы), при прохождении которых происходит вращение плоскости поляризации проходящего через них света, называются оптически активными:а само явление -естественное вращение плоскости поляризации.Примером оптически активных веществ являются: кварц, киноварь (кристаллы), скипидар, никотин (чистые жидкости), водные растворы сахара и глюкозы, раствор камфоры в бензоле (жидкие растворы) и другие.

В оптически активных кристаллах и чистых жидкостях угол поворота плоскости поляризации света б» пропорционален толщине слоя вещества , пройденного светом:

(1).

Коэффициент называется удельным вращением(удельным вращением называется физическая величина, численно равная углу поворота плоскости поляризации при прохождении светом оптически активного вещества единичной толщины). Величина удельного вращения зависит от природы вещества, температуры вещества и длины волны в вакууме проходящего сквозь вещество света (вращательная дисперсия).

22

В оптически активных растворах (эксперименты Ж.Био):

(2),

где - удельное вращение раствора,С -концентрация растворенного в жидкости вещества,- толщина, пройденная светом.

Качественная теория вращения плоскости поляризации предложена Френелем. Для многих оптически активных веществ обнаружено две их модификации, осуществляющие вращение плоскости поляризации в двух взаимно противоположных направлениях - по часовой стрелке и против (наблюдатель смотрит навстречу лучу). Соответственно, первая модификация называется правовращающейили положительной(> 0) и левовращающейилиотрицательной(< 0). Любую линейно поляризованную волну (падающую на оптически активное вещество) можно представить как векторную сумму двух составляющих, поляризованных по кругу с правым и левым вращением. Эти волны имеют разные скорости распространения в веществеV- для волны с левым вращением и V- для волны с правым вращением. Соответственно, показатели преломления для этих волн также различны:и,. ПриV> Vоптически активное вещество называется правовращающим, а при V> V- левовращающим.

Поскольку векторы напряженностей электрического поля в каждой поляризованной по кругу волне вследствие разной скорости распространения в среде при прохождении одинаковой толщины повернутся на разные углы (при угле поворота больше 360° совершат разное количество оборотов), то результирующий вектор при выходе из среды окажется повернутым на некоторый угол ,9 относительно направления плоскости поляризации падающего на вещество плоско поляризованного света.

С точки зрения современной электромагнитной теории каждую молекулу или атом кристалла (жидкости) можно рассматривать как совокупность электромагнитных осцилляторов. В молекулах отсутствует центр симметрии или плоскость симметрии. В кристаллических веществах возможно смещенное расположение молекул (например, смещение их по спирали относительно проходящего луча света сквозь кристалл). Вращение

23

плоскости поляризации световой волны является результатом взаимодействия волны с этими осцилляторами и связано с некоторой асимметрией в их структуре.

Соотношение (2) позволяет быстро определить концентрацию растворенного в жидкости вещества и служит основой сахариметров -приборов для определения концентрации сахара в водных растворах. Сахариметры используются в процессе контроля за производством на сахарных заводах, при выпуске соков и виноградных вин.

Простейший способ наблюдения естественного вращения плоскости поляризации предполагает поместить оптически активное вещество между двумя поляроидами: поляризатором и анализатором. Если плоскости поляризации обоих поляроидов взаимно перпендикулярны, то в отсутствие оптически активного вещества на выходе системы света не будет (поле зрения будет темным). При внесении между поляроидами оптически активного вещества происходит поворот плоскости поляризации света на некоторый угол, поэтому поле зрения становится светлым. Отметив положение анализатора и повернув его так, чтобы поле зрения стало опять темным, можно найти угол поворота плоскости поляризации света в исследуемом оптически активном веществе.

Определение угла поворота плоскости поляризации визуальным способом по положению анализатора, соответствующего темному полю, сопряжено с достаточно большими погрешностями измерений. Большую точность удается достигнуть полутеневым методом, в котором отсчет производится от положения анализатора, соответствующего полям сравнения, имеющим одинаковую яркость. Измерения угла вращения плоскости поляризации производятся с помощью поляриметров. В основе простейшего полутеневого поляриметра лежит использование призмы Николя.