Московский государственный университет

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

Кафедра «Физика-2»

ФИЗИКА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ 36

МОСКВА  2009

Работа 36

ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЯВЛЕНИЙ

ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА

Цель работы: получение и исследование поляризованного света (при прохождении поляроидов и при отражении от диэлектрического зеркала) и исследование свойств обыкновенного и необыкновенного лучей, полученных с помощью двояко преломляющего кристалла.

Приборы и принадлежности: источник света, набор поляроидов, объектив, экран, двоякопреломляющий кристалл, модель полупрозрачной балки, диафрагма, диэлектрическое зеркало.

Введение

Поляризованный свет

В рамках волновой теории свет представляет собой поперечные электромагнитные волны, в которых колебания векторов напряженностей электрического () и магнитного () полей происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях. Относительное взаимное расположение векторов напряженностей электрического поля, магнитного поля и фазовой скорости волны () составляет правую тройку векторов и показано на рисунке 1. В случае однородной, электрически нейтральной и непроводящей среды абсолютные значения векторов(его также называют световым вектором) ив бегущей волне описываются гармоническими функциями зависимости от времени и координат и изменяются синфазно.

Оставаясь всегда перпендикулярными друг другу, вектора иволны имеют любую ориентацию, беспорядочно изменяющуюся со временем, в плоскости, перпендикулярной вектору. Такой свет называетсяестественным или неполяризованным. Если в световой волне колебания векторов , совершаются только в одной плоскости, проведенной через направление распространения волны, то такая волна называетсялинейно- или плоско-поляризованной. При этом и колебания векторов , также происходят только в одном направлении. Если сложить плоско-поляризованный свет с естественным, то в результирующей волне будут преобладать колебания в плоскости вектораплоско поляризованной волны. Такой свет называетсячастично поляризованным.

Плоскость, проведенная через направление колебаний вектораи направление распространения волны (направление фазовой скорости волны), называетсяплоскостью поляризации. Плоскость, проведённая через направление колебаний вектора и направление распространения волны, называетсяплоскостью колебаний.

Поляроиды. Способы получения поляризованного света

Обычные источники света являются совокупностью огромного числа быстро высвечивающихся (10^7  10^8 с) элементарных источников (атомов или молекул), испускающих свет независимо друг от друга, с разными фазами и с разными ориентациями векторов и. Поэтому ориентация этих векторов в результирующей волне хаотически изменяется со временем, то естьт такой свет является неполяризованным. Для получения и наблюдения поляризованного света необходимо использовать специальные оптические приборы, поляризующие свет и определяющие степень его поляризации. Большинство людей, не вооруженных специальными приборами, не могут отличить поляризованный свет от неполяризованного. Оптические системы, с помощью которых световые волны становятся плоско поляризованными, называютсяполяризаторами. Оптические системы, используемые для обнаружения и исследования поляризованного света, называются анализаторами. Конструктивно это одинаковые оптические системы, называющиеся поляроидами.

Существует несколько способов получения поляризованного света. Эти способы основаны на следующих явлениях:

1. Отражение света от диэлектрической пластинки (диэлектрического зеркала); при этом отраженный луч либо частично, либо полностью поляризуется в зависимости от угла падения светового луча на поверхность пластинки.

2. Преломление света в прозрачных диэлектриках; при этом световой луч при любых условиях поляризуется частично.

3. Преломление света в некоторых кристаллах, где наблюдается явление двойного лучепреломления.

Явление двойного преломления света в кристалле состоит в следующем: некоторые кристаллы обладают анизотропией оптических свойств. Такими кристаллами, например, являются исландский шпат, турмалин. Вследствие анизотропии оптических свойств кристалла световой луч разделяется на два плоско поляризованных луча со взаимно перпендикулярными векторами напряженностей электрического поля. Если при этом каким-либо способом отклонить один из лучей в сторону, то из кристалла выйдет только один плоско-поляризованный световой луч. По такому принципу работает призма Николя (николь).

4. Поглощение света в дихроических пластинах. В этом случае наблюдается явление двойного лучепреломления в некоторых оптических средах, в которых одновременно происходит частичное или полное поглощение одного из лучей в процессе прохождения световых поляризованных лучей через эту среду. Таким свойством, например, обладает турмалин. В настоящее время дихроические пластины изготавливают в виде тонких плёнок и они носят название поляроидов, которые в оптических системах могут играть роль как поляризатора, так и анализатора (поляризаторы и анализаторы взаимозаменяемы). Поляроиды могут быть получены различными способами, например, путем специальной обработки листов целлулоида, покрытых мелкими кристалликами герапатита. Недостатком дихроичных пластин является зависимость поглощения светового луча от длины волны света. Это приводит к тому, что современные поляроиды пропускают фиолетовый и красный свет только частично поляризованным. Это можно наблюдать и в настоящей лабораторной работе при использовании в качестве поляризатора и анализатора поляроидов.

Явление двойного лучепреломления можно наблюдать не только в кристаллах, но и в некоторых прозрачных аморфных средах – жидких и газообразных, если они под действием каких-либо причин (механических деформаций, электрического или магнитного полей) становятся анизотропными.

Большинство изотропных тел состоит из анизотропных молекул или групп молекул, хаотично расположенных по объёму тела, в результате макроскопическая среда остается изотропной. Если на такую среду подействовать извне так, чтобы выявилось выраженное преимущественное направление структуры, то возможна перегруппировка анизотропных элементов, приводящая к появлению макроскопической анизотропии.

Изменение направления колебаний вектора напряженности электрического поля в световой волне при прохождении луча света через поляроиды и через двояко-преломляющий кристалл удобно рассматривать с помощью векторных диаграмм.

Введем дополнительно некоторые понятия: оптической осью кристалла называется направление, вдоль которого не происходит двойного лучепреломления в кристалле. Главным сечением кристалла называется любая плоскость, проходящая через оптическую ось кристалла и направление падающего луча.