Контрольные вопросы

1. Что называется дифракцией света? При каком условии это явление возникает?

2. Как объяснить явление дифракции на основе принципа Гюйгенса-Френеля?

3. В чем заключается метод зон Френеля? Как объяснить дифракцию на одной щели, используя метод зон Френеля?

4. Что представляет собой дифракционная решетка? Что называется периодом дифракционной решетки?

5. Как записывается условие главных максимумов при дифракции на дифракционной решетке? От чего зависит число главных максимумов?

6. Как объяснить расположение линий в дифракционном спектре, полученном с помощью дифракционной решетки? Как изменится этот спектр, если рассматривать его через светофильтр (например, красный)?

7. Как изменится дифракционная картина, если закрыть половину решетки черной бумагой: а) сверху (число щелей не меняется); б) сбоку (число щелей уменьшится в 2 раза)?

8. Что называется угловой дисперсией дифракционной решетки? От чего она зависит? Как в данной работе оценивали значение угловой дисперсии? Зависит ли D_ от порядка спектра (m)?

9. Что называется разрешающей способностью дифракционной решетки? Как оценить разрешающую способность решетки, используемой в данной работе?

10. Две дифракционных решетки имеют разные периоды (d₁ < d₂), но одинаковое общее число щелей (N₁ = N₂). У какой из решеток разрешающая способность больше?

11. Найти радиус пятой зоны Френеля для плоской волны, если расстояние от волновой поверхности до точки наблюдения равно 1 м. Длина волны света 500 нм.

12. Найти наибольший порядок спектра для желтой линии ( = 589 нм), если постоянная решетки равна 2 мкм? Каково общее число максимумов, которое образует данная решетка?

13. На дифракционную решетку нормально падает пучок света. На какую линию ₂ в спектре 3-го порядка накладывается красная линия ₁= 670 нм спектра 2-го порядка?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА

Цель работы: а) визуальное наблюдение явления поляризации;

б) экспериментальная проверка закона Малюса

(задание 1);

в) изучение явления вращения плоскости поляризации оптически активным веществом (задание 2)

Оборудование: а) две турмалиновые пластинки в обойме, фотоэкспонометр, оптическая скамья с осветителем, объектив, экран (задание 1);

б) поляриметр (сахариметр); набор трубок с раствором сахара различной концентрации (задание 2)

Рис. 21

Согласно теории Максвелла свет представляет собой поперечную электромагнитную волну, в которой векторы электрического () и магнитного () полей колеблются во взаимно перпендикулярных плоскостях, образуя правую тройку с вектором скорости (). Монохроматическая волна графически представлена на рис. 21. Энергия в волне распределяется поровну между электрическим и магнитным полями, т.е.

(5-1)

где ₀ = 8,8510^-12Ф/м – электрическая постоянная; ₀ = 410^-7Гн/м – магнитная постоянная;  и  - относительная диэлектрическая и магнитная проницаемость среды соответственно. Для большинства веществ, кроме ферромагнетиков,   1.

Выразим из формулы (5-1) отношение напряженностей электрического и магнитного полей. Получим:

(5-2)

Сила, действующая в вакууме на электрический заряд в атоме со стороны электрического поля, F_е = qE ; а со стороны магнитного поля

F_m = ₀qН. Найдем отношение этих сил. Получим с учетом (5-2),

Учитывая значения ₀ и ₀, найдем

Таким образом, получим, что F_e >> F_m (примерно в 3300 раз, т.к. скорость электронов в атоме порядка   1 Мм/с). Следовательно, воздействие световой волны на фотоприемник (глаз человека, фотоэлемент) обусловлено главным образом, электрическим вектором . В связи с этим электрический вектор называют световым вектором.

Рис. 22

Рис. 23

В световой волне вектор (и магнитный вектор ) колеблются хаотически, равновероятно по всем направлениям с одинаковой амплитудой, поскольку атомы излучают энергию независимо друг от друга, хаотически. В плоском изображении такая волна представлена на рис. 22а и называется естественной волной. На рис. 22б показано условное изображение естественного луча на схемах.

Если каким-либо образом выделить определенное направление колебания вектора , погасив все остальные, свет будет называться поляризованным (рис. 23а – частично поляризованный свет; рис. 23б – полностью или линейно поляризованный свет).

Плоскость, в которой колеблется световой вектор, называется плоскостью поляризации.

Степень поляризации света определятся отношением:

(5-3)

где I_max и I_min – максимальная и минимальная интенсивности света, соответствующие двум взаимно перпендикулярным компонентам светового вектора Е_х и Е_y.

Для естественного света все направления равновероятны и амплитуды по всем направлениям одинаковы. Поэтому I_max = I_min, а степень поляризации Р_ест = 0.

Для плоскополяризованного света (рис. 23б) I_min = 0 и степень поляризации Р_пол = 1. Во всех остальных случаях частичной поляризации света (рис. 23а) степень поляризации лежит в пределах от 0 до 1, т.е. .

Устройство, с помощью которого естественный свет преобразуется в поляризованный, называется поляризатором. Устройство, с помощью которого оценивается степень поляризации световой волны, называется анализатором.

Роль поляризатора (и анализатора) может играть пластинка, вырезанная определенным образом из кристалла турмалина. В силу свойства дихроизма такая пластинка будет пропускать необыкновенный луч, который поляризован в плоскости падения, и полностью поглощать обыкновенный луч, поляризованный в плоскости, перпендикулярной плоскости падения.

Если на турмалиновую пластинку (поляризатор) направить естественный луч, то на выходе из нее свет будет поляризованным. Поставив на пути этого луча другую турмалиновую пластинку (анализатор), можно оценить степень поляризации луча (качественный анализ). Вращая анализатор вокруг луча, обнаруживается, что в случае поляризованного света, интенсивность света меняется от максимальной (пятно на экране яркое) до минимальной (яркость пятна сильно уменьшается) и вплоть до полного гашения. В случае естественного света при вращении анализатора вокруг луча интенсивность света не изменяется.

ЗАДАНИЕ 1. Экспериментальная проверка закона Малюса

Пусть естественный свет интенсивностью I₀ падает на поляризатор Р (рис. 24). После прохождения сквозь поляризатор свет поляризуется, а интенсивность света уменьшается в 2 раза

(5-4)

Рис. 24

Далее поляризованный свет интенсивностью I_Р падает на анализатор и выходит из него, имея интенсивность I_а. При вращении анализатора вокруг луча интенсивность изменяется от максимальной до нуля в соответствии с законом Малюса.

(5-5)

где  - угол между плоскостями пропускания поляризатора и анализатора (на рис. 24 – угол между АВ и ).

Таким образом, при вращении анализатора вокруг направления поляризованного луча будет меняться угол , а следовательно, и интенсивность света. При  = 0, когда , интенсивность света максимальна (яркость пятна на экране максимальна); при  = /2 (анализатор и поляризатор скрещены) интенсивность I_а = 0 (пятно на экране исчезает).

Рис. 25

Блок-схема экспериментальной установки приведена на рис. 25. Свет от осветителя (ОСВ) проходя систему турмалиновых пластинок Р (поляризатор) и А (анализатор) падает на экран Э. Анализатор и поляризатор закреплены во вращающихся лимбах, которые имеют шкалу, проградуированную в градусах от 0 до 360⁰. Объектив (Об) служит для получения четкого изображения светово-

го пятна на экране.

В качестве регистрирующего устройства в данной лабораторной работе используется фотоэкспонометр, состоящий из фотоэлемента ФЭ (рис. 25) и измерительного прибора (чувствительного гальванометра). Фотоэлемент ФЭ закрепляют в центре светового пятна на экране.

Величина фототока i_Ф пропорциональна интенсивности падающего света (по закону Столетова для фотоэффекта): чем больше интенсивность света I, тем больше величина i_Ф. От интенсивности, в свою очередь, зависит время экспозиции: чем больше интенсивность I падающего света, тем меньше время экспозиции:   1/I.

С учетом того, что i_Ф  I можно записать, что   1/ i_Ф. Учитывая последнюю зависимость, производят градуировку шкалы гальванометра в секундах.

Таким образом, вращая анализатор вокруг луча, по времени экспозиции можно оценить интенсивность (в усл. ед.): I  1/.

Измеряя угол  по шкале лимба, можно установить зависимость . Линейный характер этой зависимости будет подтверждением справедливости закона Малюса.