Vorobyev_Volnovaya_optika_Polyarizatsia

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

1. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3-5 АНАЛИЗ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА. ЗАКОН МАЛЮСА

Методика эксперимента

Изучение явления поляризации естественного света осуществляется на установке, собранной на оптической скамье. Оптическая схема установки показана на рис.1. Свет от лампы накаливания 1 формируется с помощью конденсора 2 в параллельный пучок и пропускается через поляризатор 3. После прохождения поляризатора естественный свет становится линейно поляризованным. Анализ поляризованного света осуществляется с помощью анализатора 4 и регистрирующего прибора - люксметра Ю117 состоящего из фотоэлемента 5 и измерительного прибора 6.

Рис. 1. Схема установки: 1 - лампа накаливания; 2 - конденсор; 3 – поляризатор; 4- анализатор; 5 – фотоэлемент; 6 – измерительный прибор.

Задание 1

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА МАЛЮСА

1. Ознакомьтесь с принципом действия и методикой измерения люксметром Ю 117 в инструкции по эксплуатации (см. Приложение 1).

2*. Подбором ослабляющих экранов люксметра и переключение диапазонов измерения добейтесь положения переключателя на измерительном

31

приборе 6, при котором минимальное и максимальное значение освещённости при вращении анализатора входят в диапазон измерения прибора.

(Пункты, обозначенные звёздочкой, выполняет лаборант или преподаватель.)

3*. Установите в корпус фотоэлемента ослабляющий экран Р (1/100). 4*. Выберете диапазон измерения 1÷30 lx. Измерьте и запишите в таблицу фоновую освещённость в лаборатории Ефон , и далее проследите за

тем, чтобы она не изменялась. 5*. Включите источник света.

6.Поворотом анализатор 4 вокруг оптической оси установите его шкалу в положение 90 по отношения к риске на держателе анализатора.

7.Вращая поляризатор 3, добейтесь минимальных показаний освещённости, регистрируемой фотоэлементом 5 по прибору 6.

8.Поверните анализатор 4 в нулевое положение и далее измерьте и занесите в таблицу показания прибора 6 через каждые 10 в интервале улов

от 0 до 180 .

9.Постройте графики зависимости освещённости от угла E f ( ) и

E f (cos2 ), где E Eизм Eфон .

Таблица 1.

Eфон

Задание 2

ОПРЕДЕЛЕНИ СТЕПЕНИ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА

1.Замените поляризатор 4 на стопу Столетова.

2.Вращая анализатор, найдите минимальное Emin и максимальное Emax

значение освещённости регистрируемой люксметром.

3. По формуле (1) рассчитайте степень поляризации света прошедшего через стопу Столетова.

32

4.По этой же формуле (1) рассчитайте степень поляризации создаваемой поляризатора в предыдущем опыте.

5.Сравните результаты, дайте объяснение и сделайте выводы.

Контрольные вопросы

1.Опишите принцип действие и устройство люксметра Ю117.

2.Дайте определение основных фотометрический величин и их единиц.

3.Что такое естественный свет? Как колеблется электрический вектор естественного света?

4.Что такое поляризованный свет? Какие существуют виды поляризации?

5.Как изменяются интенсивности естественного и поляризованного света при прохождении через идеальный поляризатор? Закон Малюса.

6.Поляризация при отражении света от диэлектрика. Закон Брюстера. Стопа Столетова.

7.Двойное лучепреломление. Свойства обыкновенного и необыкновенного лучей.

8.Прохождение плоскополяризованного света через одноосную кристаллическую пластинку. Оптическая разность хода и разность фаз обыкновенного и необыкновенного лучей на выходе из кристалла.

9.Какие существуют способы получения поляризованного света.

33

2. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3-6 ИЗУЧЕНИЕ ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ

Цели работы: изучение явления поляризации света, определение концентрации сахара в растворе.

Приборы и принадлежности: поляриметр СМ-3, кюветы с раствором сахара.

Методика эксперимента

Оптически активные вещества (кристаллы кварца, растворы сахара, скипидара и другие) обладают способностью поворачивать плоскость поляризации света, проходящего через них. Вращение плоскости поляризации было объяснено Френелем.

Плоскополяризованный свет можно представить в виде двух поляризованных по кругу волн, электрические векторы которых вращаются в противоположные стороны. В активной среде скорость распространения волны зависит от направления вращения вектора E, поэтому волны, имеющие противоположные вращения электрических векторов, будут двигаться с различными скоростями. При выходе из активного вещества лучи с круговой поляризацией вновь дают плоскополяризованный свет, электрический вектор которого будет, повернут относительно первоначального на угол , пропорциональный пути луча l в активном веществе. Для растворов активных веществ угол поворота плоскости поляризации пропорционален концентрацией С раствора:

где - удельная вращательная способность вещества.

Простейшим способом измерения вращения плоскости поляризации является метод скрещенных поляроидов (теневой метод). В отсутствии кюветы с активным веществом поляризатор и анализатор устанавливают так, чтобы плоскости пропускания поляризатора и анализатора были взаимно перпендикулярны, при этом поле зрения будет максимально тёмным. Затем помещают кювету с активным раствором между поляроидами. Активный раствор повернет вектор E на угол , интенсивность прошедшего через анализатор света увеличится, и поле зрения станет менее тёмным. Для получения максимального затемнения поля зрения требуется повернуть анализатор на угол , который определяется по шкале лимба.

Недостатком данного метода является его большая погрешность из-за неточности визуального определения минимальной освещенности. С дру-

34

гой стороны, зрение человека имеет высокую чувствительность при оценке уровней освещенности соседних участков.

В более точном полутеневом методе измерений поле зрения разбивается на две части (см. описание поляриметра СМ-3) введением между поляроидами узкой кварцевой пластинки, которая занимает левую часть поля зрения. Кварцевая пластина поворачивает электрический вектор поляризованного света параллельно плоскости пропускания поляризатора. Вращением анализатора добиваются уравнивания освещенностей правой и левой частей поля зрения. Если между анализатором и поляризатором внести кювету с оптически активным раствором, то равенство яркостей поле нарушается. Оно может быть восстановлено поворотом анализатора на угол равный углу поворота плоскости поляризации раствором. Следовательно, разность двух отсчётов, соответствующих равенству яркостей полей сравнения с оптически активным веществом и без него, определяет угол вращения плоскости поляризации данным раствором.

где 0 - отсчёт угла положения анализатора при равенстве освещённостей правой и левой частей поля зрения без кюветы, - отсчёт с кюветой.

Порядок выполнения работы

1.Ознакомиться с описание поляриметра СМ-3, с инструкцией его эксплуатации и техники безопасности в Приложении 2

2.Аккуратно извлеките из прибора кювету, если она установлена, закройте крышку, включите поляриметр в сеть. Вращая лимб поворота анализатора, уравняйте освещенности левой и правой частей поля зрения, снимите по шкале лимба отсчет угла 0 . Яркости полей сравнения

уравнивают вблизи полного затемнения поля зрения. Измерение необходимо проделать не менее трех раз и данные занести в таблицу.

3. Поместите в прибор кювету с раствором сахара неизвестной концентрации С . Снимите отсчет угла согласно пункту 2. Отсчёты снимаются с учётом показаний нониуса с точностью ±0,04°. По формулам (1) и (2) рассчитайте С . Экспериментальные измерения и расчётные данные занесите в таблицу 1.

35

5. Сделайте не менее трёх измерений угла поворота , найдите среднее значение концентрации С и по формуле Стьюдента рассчитайте абсолютную погрешность измерений. Результат запишите в формате:

С С С

Контрольные вопросы

1.Опишите принцип действия и устройство поляриметра СМ-3.

2.Что такое естественный свет? Как колеблется электрический вектор естественного света?

3.Что такое поляризованный свет? Какие существуют виды поляризации?

4.Как изменяются интенсивности естественного и поляризованного света при прохождении через два идеальный поляризатор? Закон Малюса.

5.Поляризация при отражении света от диэлектрика. Закон Брюстера. Стопа Столетова.

6.Двойное лучепреломление. Свойства обыкновенного и необыкновенного лучей.

7.Прохождение плоскополяризованного света через одноосную кристаллическую пластинку. Оптическая разность хода и разность фаз обыкновенного и необыкновенного лучей на выходе из кристалла.

8.Какие существуют способы получения поляризованного света.

9.Как объяснить механизм вращения плоскости поляризации оптически активными веществами?

10 .Какие существуют методы измерения угла поворота плоскости поляризации световой волны оптически активной средой?

36

3. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3-25 ОПРЕДЕЛЕНИНИЕ СТЕПЕНИ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА

Цели работы: изучение поляризации света, определение степени поляризации поляризатора и степени поляризации лазерного излучения, проверка закона Малюса.

Приборы и принадлежности: лабораторный комплекс ЛКО-5.

Методика эксперимента

Лабораторная работа выполняется на модульном учебном комплексе ЛКО-5. Перед началом работы необходимо ознакомиться с описанием комплекса, инструкцией по его эксплуатации и техники безопасности в При-

ложении №3

Задание 1 ОПРЕДЕЛЕНИНИЕ СТЕПЕНИ ПОЛЯРИЗАЦИИ ПОЛЯРИЗАТОРА

1*. Установите на излучателе линзу-насадку (объект 42). Установите на оптическую скамью фотодатчик (объект 38) в поворотном столе (объект 13), подключите фотодатчик к микроамперметру.

2*. Включите лазерный излучатель и подберите расстояние от излучателя до фотодатчика так, чтобы показания микроамперметра на шкале 200 мкА (или 2000 мкА) были близкими к максимальным, но не «шкаливали», когда на индикаторе гаснут все цифры, кроме единицы.

Внимание! Пункты, помеченные звёздочкой, выполняет преподаватель или лаборант.

3.Установите сразу после излучателя поляризатор (объект 37) в кассете поворотного держателя (модуль 10). Подберите ориентацию поляризатора по максимуму показаний микроамперметра.

4.Установите перед фотодатчиком анализатор в поворотном держателе (модуль 12). Подбирая ориентацию анализатора, зафиксируйте минимальное Imin и максимальное Imax показания микроамперметра. Перекройте ру-

кой пучок излучения и зафиксируйте фоновый отсчет Iфон . 5. По формуле

рассчитайте степень поляризации данного поляризатора.

37

6. Не меняя схему опыта, установите анализатор (модуль 12) в положение a 0 по шкале модуля 12. Поворотом рукоятки модуля 10 установите поляризатор (объект 37) в положение соответствующее максимальному току фоторегистратора. В этих положениях а 0, где угол между плоскостями пропускания поляризатора и анализатора.

7. Снимите зависимость фототока от ориентации анализатора (модуль

12)с шагом 10° во всем диапазоне углов поворота держателя. Данные занесите в таблицу

, град

I , мкА

, град

I , мкА

7. Постройте графики зависимости I f и I f cos2 . Дайте объ-

яснение наблюдаемым зависимостям.

Задание 2

ОПРЕДЕЛЕНИНИЕ СТЕПЕНИ ПОЛЯРИЗАЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

1.Используя схему опыта задания 1, снимите с оптической скамьи первый поляризатор (объект 37).

2.Повторяя пункты 4 и 5 первого задания, т. е. подбирая ориентацию

анализатора (модуль 12), зафиксируйте минимальное Imin , максимальное

Imax и фоновое Iфон показания микроамперметра. 3. По формуле

Pлазер Imax Imin

Imax Imin 2Iфон

рассчитайте степень поляризации лазерного излучения.

4. Сравните значения степени поляризации Pлазер и Pполяр . Результат достоверен, если Pлазер Pполяр .

38

Контрольные вопросы

1. Нарисуйте оптическую схему проведенных опытов и дайте объяснения наблюдаемым эффектам.

2.Что такое естественный свет? Как колеблется электрический вектор естественного света?

3.Что такое поляризованный свет? Какие существуют виды поляризации?

4.Как изменяются интенсивности естественного и поляризованного света при прохождении через два идеальных поляризатора? Закон Малюса.

5.Поляризация при отражении света от диэлектрика. Закон Брюстера. Стопа Столетова.

6.Двойное лучепреломление. Свойства обыкновенного и необыкновенного лучей.

7.Прохождение плоскополяризованного света через одноосную кристаллическую пластинку. Оптическая разность хода и разность фаз обыкновенного и необыкновенного лучей на выходе из кристалла.

8.Какие существуют способы получения поляризованного света.

39

4. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3-26 ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЛЯРИЗАЦИИ ЛАЗЕРНОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ

Цели работы: изучение вращения плоскости поляризации света оптически активным веществом – раствором сахара, определение концентрации сахара в растворе.

Приборы и принадлежности: лабораторный комплекс ЛКО-5.

Методика эксперимента

Лабораторная работа выполняется на модульном учебном комплексе ЛКО-5. Перед началом работы необходимо ознакомиться с описанием комплекса, инструкцией по его эксплуатации и техники безопасности в Приложении №3. Для определения концентрации сахара нужно снять разницу отсчётов углов, соответствующих наиболее полному затемнению луча при наличии кюветы и без неё, по шкале выходного анализатора.

Задание 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ САХАРА В РАСТВОРЕ

1*. Приготовьте раствор сахара:

Масса сахара m 22,2г;

Объем раствора V 200мл.

Парциальная плотность 111кг/м3.

2*. Залейте раствор в кювету (объект 44, длина l = 0,120 м).

3*. Удалите с излучателя линзу-насадку (объект 42), если она установлена. Установите фотодатчик (объект 38) в поворотном столе (объект 13) на оптическую скамью комплекса ЛКО-5 в крайнее правое положение.

4*. Подключите фотодатчик к микроамперметру и включите излучатель. Убедитесь в том, что отсутствует «зашкаливание» микроамперметра на шкале 200 мкА (или 2000 мкА), когда на индикаторе гаснут все цифры кроме единицы.

Внимание! Пункты, помеченные звёздочкой, выполняет преподаватель или лаборант.

5. Установите сразу после излучателя поляризатор (объект 37) в кассете поворотного держателя (модуль 10). Подберите ориентацию поляризатора по максимуму показаний микроамперметра.

40