Отчёт_7.6

Федеральное агентство связи

СибГУТИ

Кафедра физики

Лабораторная работа № 7.6

«ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН, ПРИ ИХ ОТРАЖЕНИИ ОТ ДИЭЛЕКТРИКА»

Выполнил: студент гр. ИС-74*

Некто Н.Н.

Преподаватель:

Лубский В. В.

Выполнение: 21.02.2018 _ ________________

дата подпись

Защита: _______________ _ ________________

оценка дата подпись

Новосибирск 2018 г.

1) Цель работы

Определить угол Брюстера. На основе экспериментальных данных рассчитать абсолютный показатель преломления стекла.

2) Краткая теория

Пусть на границу раздела двух диэлектриков падает под углом α, не равным нулю, естественный свет, то отраженная и преломленная световая волна будут частично поляризованы. Векторы напряженности световой волны можно разложить по базису: компонент перпендикулярной и параллельной плоскости падения. На рис.1 изображены параллельные (стрелками) и перпендикулярные (точками) составляющие векторов напряженности электрического поля. Е0 для падающей волны, Е1 для отраженной, Е2 для преломленной.

Значения этих величин следуют из условий на границе раздела двух сред для электрического и магнитного полей световой волны. Формулы, выражающие параллельные и перпендикулярные компоненты амплитуды вектора Е преломленной и отраженной волны, через соответствующие компоненты падающей названы формулами Френеля:

(1) (2)

(3) (4)

Так как интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды (I ~ E²) и в естественном (неполяризованном) свете все направления колебаний электрического поля равновероятны, тогда естественный свет можно представить как сумму двух линейно поляризованных волн равной интенсивности, в которых колебания происходят соответственно параллельно и перпендикулярно плоскости падения.

(5)

Выражения для интенсивностей можно записать в виде:

(6) (7)

(8) (9)

В основе механизма поляризации лежит взаимодействие электромагнитной волны с валентными электронами диэлектрика.

Для некоторого угла падения для которого выполняется соотношение параллельная составляющая интенсивности отраженного луча равна нулю. Используя закон преломления можно связать с показателями преломления сред. Брюстером впервые было показано, что степень поляризации обеих волн, при условии:

(10)

, где n_B – абсолютный показатель преломления той среды, из которой проходит электромагнитная волна, n_С – абсолютный показатель преломления диэлектрика. Величина , входящая в закон Брюстера (10), носит название «Угол Брюстера».

Экспериментальное определение величины и расчет значения n_C составляют основное содержание данной лабораторной работы. В условиях проводимого эксперимента, электромагнитная волна падает на диэлектрик из воздуха, для которого среднее значение абсолютного показателя преломления (для электромагнитных волн видимого диапазона - 380  760 нм) составляет величину n_В = 1,000292. В пределах точности эксперимента, можно принять значение n_В ≈ 1. В качестве диэлектрика используется набор плоско- параллельных стеклянных пластин с абсолютным показателем преломления n_С, вплотную прижатых одна к другой. Такое устройство обычно называют стеклянной стопой. С учетом сказанного, формула (1) преобразуется к виду:

(11)

3) Описание лабораторной установки

Принципиальная схема установки показана на рис. 3. Электромагнитная волна от источника «И» падает на стеклянную стопу «П» и отражается от неё, поляризуясь. Для анализа отражённого поляризованного излучения используется поляроид «А», представляющий собой плёнку поливинилена толщиной 0,5 мм. Пройдя через поляроид «А», электромагнитная волна падает на поверхность фотоприёмника, в качестве которого используется кремневый фотодиод «ФП». К фотоприёмнику подключен микроамперметр «µА», который служит для регистрации тока, возникающего в цепи, под воздействием на фотоприёмник поляризованной электромагнитной волны. Поляроид «А» и фотоприёмник «ФП» объединены в один блок «Б», способный поворачиваться в вертикальной плоскости вокруг горизонтальной оси.

Стеклянная стопа «П» закреплена на вращающейся платформе горизонтально расположенного гониометра – прибора, предназначенного для отсчёта углов падения волн  . Как и блок «Б», стопа «П» может вращаться вокруг вертикальной оси. Стопа «П» в данном эксперименте выполняет функцию поляризатора электромагнитного излучения, поляроид «А» служит анализатором.

4) Выполнение

Таблица №1

, град	imax, мкА	imin, мкА	P(α)
30	39,5	36	0,046
35	40	33	0,096
40	42	29	0,183
45	43,5	25,5	0,261
50	47	23	0,343
52,5	48,5	22	0,376
55	50,5	22	0,393
57,5	54	23,5	0,394

Продолжение таблицы №1

60	56	26	0,366
65	68	40	0,259
70	82,5	62,5	0,138

График зависимости P(α):

Так как n_В ≈ 1, то

5697

Тип среды: оптические стёкла, среда Ф1 (Флинт) = 1,6128

Абсолютная погрешность:

Относительная погрешность:

Вывод: подводя соответствующие измерения и построив график зависимости P(α), я выяснил, что угол Брюстера равен 57,5°. Также, я вычислил абсолютный показатель преломления стекла (n_C = 1,5697) и относительную погрешность измерения (δ = 2,672 %).

5) Ответы на контрольные вопросы

1) Дайте понятие поляризации электромагнитных волн.

I) Поляризация магнитных волн – явление направленного колебания векторов напряжённости электрического поля E или напряжённости магнитного поля H.

2) В чём сущность закона Брюстера?

II) Закон Брюстера – соотношение между показателем преломления диэлектрика n_C, показателем преломления среды n_B и углом падения естественного света, при котором свет, отражённый от поверхности диэлектрика, полностью поляризуется:

Получение полной линейной поляризации при отражении света от границы раздела двух диэлектриков называют явлением Брюстера. Оно реализуется тогда и только тогда, когда угол между отраженной и преломленной волнами равен .

3) Каково назначение поляризатора и анализатора в данной работе?

III) Поляризатор – прибор, преобразующий естественный свет в полностью или (реже) частично поляризованный.

Анализатор – устройство, предназначенное для определения степени поляризации света или для регистрации её изменений.

Электромагнитная волна от источника падает на поляризатор и отражается от неё, поляризуясь. Для анализа отраженного поляризованного излучения используется анализатор, представляющий собой плёнку поливинилена толщиной 0,5 мм. Пройдя через анализатор, электромагнитная волна падает на поверхность фотоприемника, в качестве которого используется кремневый фотодиод. К фотоприемнику подключен микроамперметр, который служит для регистрации тока, возникающего в цепи, под воздействием на фотоприёмник поляризованной электромагнитной волны.

4) Какие величины связывают формулы Френеля? Для какого света они применимы?

IV) Формулы Френеля связывают и , и , и . Формулы Френеля применимы для естественного, неполяризованного света.

5) Дайте качественное объяснение механизма поляризации электромагнитной волны при её взаимодействии с диэлектриком.

V) В основе механизма поляризации лежит взаимодействие электромагнитной волны с валентными электронами диэлектрика.

Падающая волна, проникнув в диэлектрик, заставляет входящие в состав атомов электрические заряды совершать вынужденные колебания. Колеблющиеся заряды излучают вторичные электромагнитные волны. не диэлектрика, вторичные волны, налагаясь друг на друга, дают отражённую волну. Внутри диэлектрика вторичные волны складываются с первичной волной. Результирующая первичной и вторичной волн даёт преломленную волну. Вынужденные колебания зарядов совершаются в направлении вектора E этой результирующей волны.

6) Сделать вывод рабочей формулы tg = .

VI)

7) Почему для угла Брюстера справедливо выражение .

VII) Рассмотрим одну из формул Френеля:

Известно, что при явлении Брюстера угол α + β равен 90°.

Подставим полученное значение в исходную формулу:

Вывод: для некоторого угла падения , для которого выполняется соотношение , параллельная составляющая интенсивности отражённого луча равна нулю.

6) Решение задач:

2.2. Под каким углом к горизонту должно находиться Солнце, чтобы его

лучи, отраженные от поверхности озера были полностью поляризованы? Показатель преломления воды равен 1.33.

Дано: Решение:

n1 = 1,000292 n2 = 1,33
?

Ответ: τ = 37°.