Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лабораторная работа 5.2 - Проверка з-на Малюса.doc
Скачиваний:
49
Добавлен:
13.02.2016
Размер:
187.9 Кб
Скачать

Лабораторная работа №5 изучение закона малюса

Задание: изучить явление поляризации света, экспериментально проверить закон Малюса.

Приборы и принадлежности: фотометрическая скамья, селеновый элемент, анализатор, поляризатор, источник света и цифровой амперметр.

Элементы теории

Видимый свет представляет собой электромагнитные колебания, длина волны которых лежит в пределах от до метра. Электромагнитная волна характеризуется колебаниями двух векторов: вектора напряженности электрического поля и вектора напряженности магнитного поля

Световые волны, как и всякие другие электромагнитные волны, являются поперечными волнами. Вектор колеблется всегда в плоскости перпендикулярной к плоскости колебаний вектора . Причем, каждый из этих векторов перпендикулярен направлению распространения света.

Все источники света излучают световые волны, колебания векторов и в которых неупорядочены. Иными словами, векторы напряженности электрического и, соответственно, магнитного полей лежат во всевозможно ориентированных и беспрерывно меняющих свое направление плоскостях (рис. 1). Такой свет называется естественным.

Это обусловлено тем, что макроскопические источники света, как правило, представляют собой хаотическую совокупность элементарных излучателей. Поэтому, хотя в отдельных элементарных актах испускается свет определенной поляризации, в целом мы получаем неполяризованный свет.

Свет, в котором вектор напряженности электрического поля колеблется все время только в одной плоскости, называется плоско- или линейно поляризованным светом. Можно получить эллиптически поляризованный свет, наложив две монохроматические линейно поляризованные световые волны, плоскости колебаний электрических векторов которых взаимно перпендикулярны. В такой волне конец вектора описывает в данной точке пространства эллипс.

Эллиптически поляризованный свет может иметь правую или левую поляризацию. Если наблюдатель смотрит навстречу лучу, то при правой поляризации вектор вращается по часовой стрелке, а при левой – против часовой стрелки. Частным случаем является круговая (циркулярная) поляризация, когда эллипс вырождается в окружность.

Свет, у которого изменения направления светового вектора в пространстве упорядочены лишь частично, называется частично поляризованным. Его можно рассматривать как смесь естественного и поляризованного света.

Поляризация может наблюдаться при отражении света от поверхности диэлектриков. Малюсом в 1810 г. было обнаружено, что отраженный и преломленный лучи частично поляризованы. Позднее Брюстер установил, что при некотором угле падения, названным его именем, отраженный свет полностью линейно поляризован, причем значение угла зависит от относительного показателя преломления по закону

,

где φБ – угол Брюстера, п21 = п2/п1 – показатель преломления второй среды по отношению к первой.

Поляризация света возникает также при прохождении света через анизотропные среды, например, кристаллы кварца, турмалина, исландского шпата и др. При прохождении естественного света через такие среды наблюдается явление, получившее название двойного лучепреломления, при котором из кристалла выходят две волны, распространяющиеся в общем случае в разных направлениях и имеющих разную поляризацию.

В случае анизотропной среды, какой являются кристаллы некубической системы, показатель преломления п будет различен для разных направлений распространения света, т.е. он будет функцией угла падения. Кроме того, из анизотропии среды вытекает, что электромагнитным волнам с различными направлениями колебаний вектора соответствуют разные значения показателя преломления п.

Кристаллы, обладающие двойным лучепреломлением подразделяются на одноосные и двуосные. У одноосных кристаллов один из преломленных лучей подчиняется обычному закону преломления, в частности он лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к преломляющей поверхности. Этот луч называется обыкновенным и на рис. 2 обозначается буквой о. Для другого луча, называемого необыкновенным (его обозначают буквой е), отношение синусов угла падения и угла преломления не остается постоянным при изменении угла падения. Даже при нормальном падении света на кристалл (рис. 2) необыкновенный луч в кристалле отклоняется от нормали. Кроме того, необыкновенный луч не лежит, как правило, в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к преломляющей поверхности. Примерами одноосных кристаллов являются исландский шпат, кварц, турмалин. У двухосных кристаллов (слюда, гипс) оба луча необыкновенные – показатели преломления для них зависят от направления в кристалле.

У одноосных кристаллов имеется направление, вдоль которого обыкновенный и необыкновенный лучи распространяются не разделяясь с одинаковой скоростью (у двухосных кристаллов имеются два таких направления). Это направление называется оптической осью кристалла. Плоскость, проходящая через луч и пересекающая его оптическую ось, называется главным сечением или главной плоскостью кристалла для этого луча.

Обыкновенный и необыкновенный лучи полностью поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях. Плоскость колебаний обыкновенного луча перпендикулярна к главному сечению кристалла. В необыкновенном луче колебания светового вектора совершаются в плоскости, совпадающей с главным сечением (см. рис. 2).

Очевидно, двойное преломление света в кристаллах можно использовать для превращения естественного света в поляризованный. Падающий на пластинку свет представим как совокупность двух волн, поляризованных вдоль оптической оси и перпендикулярно к ней. Первая из этих волн необыкновенная, а вторая – обыкновенная. В пластинке обе волны распространяются с различными скоростями в разных направлениях. После выхода из кристаллической пластины, если не принимать во внимание поляризацию во взаимноперпендикулярных плоскостях, эти два луча ничем друг от друга не отличаются и идут параллельно. Но линейное расхождение лучей в кристалле l (рис. 2) очень мало. И разделить их не так-то просто. Поэтому на практике используют не линейное расхождение поляризованных лучей, а устройства, работающие на различии показателей преломления этих лучей.

Одно из них – призма Николяизображена на рис. 3. Она состоит из двух треугольных призм, вырезанных из кристалла исландского шпата и склеенных канадским бальзамом. Его показатель преломления имеет промежуточное значение между показателями преломления, соответствующими обыкновенному () и необыкновенному () лучам. Первый луч на границе склеивающего слоя падает из оптически более плотной среды на менее плотную и при соответствующем выбранном угле падения (который и предусмотрен в призме Николя), испытывая полное внутреннее отражение, через призму не пройдет (поглощается на зачерненной боковой поверхности). Необыкновенный луч падает из среды оптически менее плотной на среду более плотную. Поэтому он на этом слое ни при каком угле падения не может испытать полного внутреннего отражения и пройдет сквозь призму. Вышедший из призмы свет будет линейно поляризован.

Оптическая анизотропия в некоторых прозрачных изотропных веществах (например, жидкостях) может быть создана с помощью электрического и магнитного полей.

Электрическое поле ориентирует дипольные моменты молекул вещества в преимущественном направлении электрического поля, причем полная ориентация не достигается из-за хаотического теплового движения молекул. По этой причине эффект сильно зависит от температуры. Двойное преломление света в жидкостях, помещенных в электрическое поле, называется эффектом Керра. Этот эффект в разных жидкостях различен. Наиболее сильно он проявляется в нитробензоле. Очень важной особенностью эффекта является его практическая безинерционность. Возникновение и исчезновение двойного преломления при включении и выключении поля происходит за время t = 10-9- 10-10 с. На этом основаны его важные научные и технические применения.

Аналогичный эффект наблюдается и в кристаллах. При практических использованиях указанного эффекта кристаллы удобнее, чем жидкости, ибо в первых меньше сказывается влияние температуры и они стабильнее в работе.

Искусственную анизотропию можно создать и с помощью магнитного поля. Если анизотропные молекулы (хаотически расположенные в среде) имеют постоянные магнитные моменты, то наложение сильного магнитного поля ориентирует их по направлению этого внешнего поля. Явление носит название эффекта Коттона-Мутона. Этот эффект много слабее, чем эффект Керра. Поэтому он гораздо реже применяется в научно-технических целях.

Призму Николя, как и другие приборы, с помощью которых можно получить поляризованный свет, называют поляризаторами.

Если свет проходит через поляризатор и попадает на экран, то, вращая поляризатор, мы не заметим никакого изменения интенсивности света на экране.

Глаз также не воспринимает изменения плоскости колебаний электрического вектора и не может быть анализатором поляризованного света. Наблюдаемая картина изменится, если между поляризатором и экраном поместить еще один поляризатор. Он будет пропускать колебания составляющей электрического вектора , параллельной некоторой плоскости, которую называют плоскостью поляризатора, и полностью задерживать составляющую , перпендикулярную этой плоскости (рис. 3).

Так как интенсивность прошедшей через анализатор волны пропорциональна квадрату амплитуды , то интенсивность света I, пропущенного анализатором, будет пропорциональна , т.е.

, (1)

где – интенсивность света, падающего на анализатор; - угол между плоскостями поляризации входящего света и света, пропущенного анализатором.

Соотношение (1) носит название закона Малюса.