Контрольные вопросы

1. Какой свет называется линейно поляризованным, эллиптически поляризованным, поляризованным по кругу, естественным?

2. Какие существуют методы получения линейно поляризованного света из естественного?

3. Что такое плоскость пропускания поляризатора?

4. Поясните содержание закона Малюса.

5. В чем состоит явление естественного вращения плоскости колебаний электрического вектора электромагнитной волны? Для каких веществ оно характерно?

6. Поясните устройство и принцип действия полутеневого поляриметра по схеме, приведенной на рис. 4.

Лабораторная работа № 10 Изучение дисперсии света в стекле с помощью призмы

Цель работы: исследование зависимости показателя преломления стекла от длины волны в области видимого излучения.

Приборы и принадлежности: стеклянная призма, гониометр, малогабаритный монохроматор.

Литература: [1], § 185-186; [2], § 46; [3], § 43-45; [4], § 6; [5], § 148.

В в е д е н и е

Дисперсией света называется зависимость фазовой скорости υ света в среде от его частоты ν или длины волны λ₀. Известно, что υ = c/n, где c – скорость света в вакууме, а n – показатель преломления среды. Поскольку c – универсальная постоянная, одинаковая для электромагнитных волн любой частоты, то существование дисперсии света в среде обусловлено тем, что ее показатель преломления n зависит от длины волны λ₀ (λ₀ – длина волны света в вакууме). Эта зависимость легко обнаруживается, например, при прохождении пучка белого света через призму, изготовленную из какого–либо прозрачного вещества. На экране, установленном за призмой, наблюдается радужная полоска, называемая призматическим, или дисперсионным спектром. Ярким проявлением дисперсии света в воде является замечательное природное явление – радуга.

Зависимость показателя преломления среды от длины электромагнитной волны в общем случае нелинейная и немонотонная. Области значений λ₀, в которых с ростом длины волны показатель преломления уменьшается, соответствуют нормальной дисперсии света. Нормальная дисперсия наблюдается у веществ, прозрачных для света. Например, обычное стекло прозрачно для видимого света, и в этой области длин волн наблюдается нормальная дисперсия.

Дисперсия света называется аномальной, если с ростом λ₀ показатель преломления среды увеличивается. Аномальная дисперсия наблюдается в областях длин волн, соответствующих полосам интенсивного поглощения света в данной среде. Например, у обычного стекла эти полосы находятся в инфракрасной и ультрафиолетовой частях спектра.

В ХIХ веке выдающийся математик Коши теоретически рассчитал зависимость показателя преломления среды от длины волны λ₀. Он нашел, что эта зависимость может быть представлена в виде:

, (1)

где a, b, … - характерные для данного вещества постоянные. Для прозрачных стекол можно ограничиться двумя членами этого ряда. В таком случае

. (2)

Дисперсия света может быть объяснена на основе электромагнитной теории света и электронной теории вещества. При этом качественное объяснение состоит в следующем. Проходящая в среде электромагнитная волна возбуждает вынужденные колебания электронов, входящих в состав атомов вещества. Вынужденные колебания электронов сопровождаются излучением вторичных электромагнитных волн. Вторичные волны, складываясь с первичной, образуют результирующую волну. Из теории вынужденных механических колебаний следует, что фазы вторичных волн будут отличаться от фазы первичной волны. Это приводит к тому, что результирующая волна распространяется в веществе с фазовой скоростью, отличной от скорости волн в пустоте. Как известно, амплитуда вынужденных колебаний резко возрастает в условиях резонанса. Поэтому различие между υ и c будет тем больше, чем ближе частота волны к собственной частоте колебаний электронов в атомах. Отсюда вытекает существование зависимости фазовой скорости волны в веществе от частоты ν или длины волны λ₀, т. е. дисперсия.

В данной работе дисперсия видимого света в стекле изучается с помощью призмы. Метод основан на измерении угла наименьшего отклонения лучей, прошедших через призму.

Монохроматический луч, падающий на боковую грань призмы под некоторым углом α, выходит из призмы отклоненным на угол γ (рис. 1). При этом угол γ является сложной функцией угла падения. Теоретический анализ хода лучей через призму показывает, что можно

Рис. 1

найти такой угол падения луча на призму, при котором угол отклонения γ будет наименьшим. Луч внутри призмы проходит при этом параллельно основанию (рис. 1). Связь между углом наименьшего отклонения луча, прошедшего через призму, и показателем преломления вещества, из которого сделана призма, дается выражением

, (3)

где φ – преломляющий угол призмы.

Измерив φ и γ, можно вычислить значения n для видимого излучения различной частоты ν (или длины волны λ₀) и найти, таким образом, зависимость n(ν) или n(λ₀).