Порядок выполнения работы на компьютерной модели

1. Войти в режим меню и с помощью «мыши», нажав ее левую кноп­ку, открыть лабораторную работу. Данная программа пред­став­ляет собой имитатор лабораторного микроинтерферометра Линника. Открыть окошко «ПОМОЩЬ». Прочитав весь ниже описанный ход работы, нажмите кнопку «OK».

2. Для начала работы необходимо выбрать царапину. Для этого вы­­ставьте перекрестие на любую линию этой царапины, осу­щест­вляя управление перекрестием на клавиатуре с помощью стре­лок.

3. Нажать на кнопку «Ввести значение ». Значение линии автоматически введется в представленную ниже таблицу.

4. Передвинуть перекрестие на линию и нажать кнопку «Ввес­ти ». В таблице, кроме значения , появит­ся автоматически подсчитанное значение .

5. Оставив перекрестие на прежнем месте (у вершины ца­ра­пи­ны), нажмите кнопку «Ввести ».

6. Переведите перекрестие к «подошве» царапины и нажмите кноп­ку «Ввести », в таблицу автоматически занесется ().

7. Нажмите кнопку «Рассчитать ».

8. Переходя к 2 и 3 опыту, повторите операции с пп.1 по 7.

9. После проведения всех опытов нажмите кнопку «Рассчитать ». В нижнюю строку таблицы автоматически занесется рассчи­тан­ный класс шероховатости исследуемой поверхности.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается явление интерференции света?

2. Каковы условия, необходимые для получения интерференционной картины?

3. Какие вол­ны называются когерентными?

4. Опишите методы получения когерентных световых пучков.

5. Расчет интерференционно картины от двух когерентных источников. Условия максимума и минимума интерференционной картины?

4. Каков принцип работы интерферометров?

5. Почему искривляются интерференционные полосы в интер­фе­рометре?

Литература

1. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2001 г.

2. Бондарев Б.В. Курс общей физики: Учебное пособие. В 3-х кн. Кн. 2. Электромагнетизм. Оптика. Квантовая физика / Б.В. Бон­да­рев, Н.П. Калашников, Г.Г. Спирин. – М.: Высшая школа, 2003 г.

3. Савельев И.В. Курс общей физики. Оптика. М. 2001 г.

4. Матвеев А.И. Оптика. М. Высшая школа, 1983 г.

5. ГОСТ 2789‑73* Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики.

Лабораторная работа №3

Проверка закона Малюса

Цель работы – экспериментальная проверка закона Малюса.

Приборы и принадлежности – фотометрическая скамья, фотометрическая головка, поляризатор, анализатор, источник естественного света, эталонная лампа.

Теоретическая часть

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями вектора напряженности электрического поля (светового вектора) и вектора напряженности магнитного поля. Векторы и взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости распространения волны (перпендикулярно лучу).

Рис. 3.1

Обычно все рассуждения ведутся относительно вектора , потому что при действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества.

Плоскость, в которой происходят колебания вектора , называется плоскостью поляризации.

Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора называется естественным.

Свет, в котором направление колебаний вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным.

Поляризацией света называется выделение линейно поляризационного света из естественного или частично поляризованного. Для этой цели используются специальные устройства, называемые поляризаторами. Их действие основывается на поляризации света при его отражении и преломлении на границе раздела двух диэлектрических сред, а также на явлениях двойного лучепреломления и дихроизма.

Чтобы убедиться в том, что свет поляризован, и определить направление поляризации, используют второй поляризатор, который помещают после первого поляризатора (рис.3.2). Второй поляризатор в этом случае называют анализатором.

Рис. 3.2

Если плоскости пропускания поляризатора и анализатора параллельны друг другу, то плоскополяризованный свет проходит анализатор, почти не изменяя своей интенсивности (рис.3.2а). Если же плоскости пропус­кания поляризатора и анализатора взаимно перпендикулярны, то ана­лизатор полностью поглощает падающий на него свет, и интенсив­ность прошедшего света равна нулю (рис. 3.2б). В остальных случаях интенсивность света, прошедшего через анализатор, будет иметь некоторое промежуточное значение, зависящее от угла между направлениями пропускания поляризатора и анализатора (рис.3.2в).

Зависимость между интенсивностью света, прошедшего через анализатор , и углом может быть установлена следующим образом. Обозначим амплитуду вектора волны, прошедшей через поляризатор, буквой . Разложим вектор на два взаимно перпендикулярных со­ставляющих вектора и _II таким образом, чтобы вектор _II был параллелен направлению пропускания анализатора. Это соответствует разложению волны, на две плоскополяризованные, колеблющиеся в одинаковых фа­зах, но в перпендикулярных плоскостях. Одна из волн с амплитудой _II, пройдет через анализатор, а другая будет полностью поглощена. Из рис.3.2в видно, что

(3.1)

Так как интенсивность световой волны пропорциональна квадрату амплитуды, то интенсивность света, прошедшего через анализатор

(3.2)

или с учетом (3.1)

(3.3)

Так как интенсивность света, прошедшего через по­ляризатор и падающего на анализатор

(3.4)

то

(3.5)

Формула (3.5) представляет собой математическое выражение закона Малюса.

Интенсивность света, прошедшего через анализатор, пропорциональна квадрату косинуса угла между оптическими осями поляризатора и анализатора.

Описание лабораторной установки и метод измерений

На рис.3.3 схематически изображена фотометрическая скамья для измерения относительной интенсивности поляризованного луча. Скамья выполнена в виде рельса с направляющими пазами, на котором ук­реплены источник естественного света S, система поляризатор-анализатор, фотометрическая головка D и эталонная лампа С.

Система поляризатор-анализатор смонтирована в оправе, позво­ляющей поворачивать плоскость пропускания анализатора относитель­но плоскости поляризатора. Оправа снабжена лимбом с делениями для отсчета угла поворота

Эталонная лампа может плавно перемещаться вдоль скамьи, и ее расстояние от фотометрической головки определяется по измери­тельной линейке.

Рис. 3.3

Поляризованный свет падает на матовую пластину фотометричес­кой головки, а с противоположной стороны на нее же падает свет от эталонной лампы. C помощью окуляра фотометрической головки наблюдаются два поля, освещенные поляризованным светом и светом эталонной лампы.

Так как эталонная лампа является точечным источником, то при одинаковой освещенности матовой пластины с обеих сторон, интенсивность света прошедшего через анализатор, может быть определе­на по формуле

(3.6)

где коэффициент, зависящий от мощности эталонной лампы: расстояние от эталонной лампы до фотометрической головки, обеспечивающее, при данном угле поворота анализатора одина­ковую освещенность матовой пластины с обеих сторон.

Если плос­кости пропускания анализатора и поляризатора параллельны (), то

(3.7)

Из (3.6) и (3.7) следует, что

(3.8)

Сравнивая полученную кривую с графиком функции , экспериментально проверяем закон Малюса.

Порядок выполнения работы

1. Устанавливают анализатор в положение, при котором (это достигается поворотом анализатора относительно оси, параллель­ной направлению оптической скамьи).

2. Фотометрическую головку Д (рис.3.3) устанавливают по воз­можности ближе к анализатору (на 8-10 см).

3. Включают источники света S и С (рис.3.3) и. наблюдая в окуляр фотометрической головки Д, перемещением лампы С доби­ваются равенства яркостей полей сравнения (т.е. добиваются рав­номерной освещенности всего поля зрения).

В таблицу 3.1 записывают значения (в мм) шкалы измерительной ли­нейки указателя фотометрической головки () и указателя стойки, лампы С (). Измерение желательно выполнить три раза ( ) Операция измерений по возмож­ности должна выполняться разными наблюдателями. Для одного и того же угла вычислить среднее значение .

4. Поворачивают анализатор на 10° или 20° . При этом равно­мерность освещенности поля, наблюдаемого в окуляр, нарушится (т.е. будут видны трапециобразные фигуры), поскольку, на основании за­кона Малюса, интенсивность света, прошедшего через анализатор, уменьшится.

Обнаружив нарушение равномерной освещенности поля зрения, восстанавливают ее перемещением лампы С. Отмечают по шкале значения занося их в таблицу для соответствую­щего угла

Измерения по п.4 выполняют для углов 10°, 20° ...90°. При этом следует иметь в виду, что для 80°, 90° (а иногда и для 70°) выровнять освещенность оказывается затруднительно, поскольку скамья имеет ограниченную длину.

При всех измерениях положение фотометрической головки оста­ется неизменным.

Обработка результатов измерений

1. Для всех углов вычисляют расстояния между фотомет­рической головкой и лампой С по формуле

2. Для каждого угла вычисляют отношение , где рас­стояние между фотометрической головкой и лампой С для при равномерной освещенности поля зрения.

3. Пользуясь формулой (3.8), вычисляют отношение

4. Результаты заносят в соответствующие графы таблицы 3.1.

5. В полярной системе координат (рис.3.4) строят эксперимен­тальную зависимость .

Для этого на каждом луче, проведенном из центра 0 под углом 0, 10°, 20°....90° в выбранном масштабе, откладывают значения величин , соответствующие значению угла . Полу­ченные точки соединяют плавной кривой.

6. На том же графике аналогично строят теоретическую зависи­мость от , т.е. на соответствующих лучах в том же масштабе откладывают значения квадратов косинусов соответствующих углов, и полученные точки соединяют плавной кривой.

7. Совпадение кривых свидетельствует о точности выполнения измерений и справедливости закона Малюса.

Рис. 3.5

Положение фотометрической головки ……мм

Таблица 3.1

град	мм	мм	, мм	мм
0
10
20
30
40
50
60
70

Контрольные вопросы

1. Какой свет называется естественным?

2. Какой свет называется плоскополяризованным?

3. Что называется плоскостью поляризации?

4. Какими приемами можно поляризовать естественный свет?

Каким образом можно обнаружить, поляризован ли свет?

5. Сформулируйте закон Малюса

6. Расскажите порядок проведения эксперимента.

Литература

1. Трофимова Т.И. Курс физики: Учебное пособие для вузов 6-е изд._ М.: Высшая школа, 2000.

2. Детлаф А.А., Яворский Б.М., Курс физики: Учебное пособие для втузов. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Высшая школа. 1999.

3.Савельев И.В. Курс общей физики: Учебник: Т.3. – М.: Высшая школа, 1974.

Лабораторная работа №4