Знакомство с основными свойствами света. Проверка закона Малюса

Цель работы: знакомство с основными свойствами света. Проверка закона Малюса.

Теоретические основы работы.

Электромагнитная теория света приводит к выводу, что световые волны поперечны. В такой волне векторы напряженности электрического и магнитного полей Е и Н взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Любой источник света состоит из совокупности излучателей. Ими являются атомы и молекулы. Каждый излучатель испускает волну с определенной ориентацией вектора Е, а значит и Н. Но излучение совокупности таких излучателей содержит всевозможные ориентации вектора Е (а значит и Н). Свет с всевозможными ориентациями называется естественным светом. В естественном свете ни одно из направлений вектора Е не является преобладающим. Свет, в котором Е (а значит и Н) имеет одно единственное направление называется линейно-поляризованным. Свет, у которого имеется предпочтительное направление колебаний Е, называется частично-поляризованным. Плоскость, проведенная через Е и луч, называется плоскостью колебаний линейно-поляризованной волны. Плоскость, проведенная через Н и луч, называется плоскостью поляризации.

Поляризацией света называют выделение из естественного света световых волн с определенной ориентацией электрического и магнитного векторов.

Осуществить поляризацию можно:

а)  с помощью явления отражения или преломления света на границе двух изотропных диэлектриков;

б)  при прохождении света через анизотропные кристаллы.

а)  Пусть на стеклянную пластинку падает естественный свет (рис. 1). Наблюдаются явления отражения и преломления света. При этом отраженный и преломленный пучки оказываются частично поляризованными.

Рис. 1.                                                           Рис. 2.

Исследования показывают, что в отраженном пучке преобладает направление колебаний Е в плоскости, перпендикулярной плоскости падения (кружочки на рис. 1), тогда как преломленный пучок преимущественно поляризован в плоскости падения (черточки). При определенном угле падения i_B (угол Брюстера) отраженный пучок оказывается полностью линейно-поляризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. Условие полной его поляризации в том, что угол между отраженным и преломленным пучками равен 90° (рис. 2). Тогда

n = sini_B/sinb = sini_B/cosi_B = tgi_B

где n – показатель преломления.

Если угол падения удовлетворяет условию tgi_B = n, то отраженный свет полностью поляризован (закон Брюстера). Угол i_B называется углом Брюстера. В качестве поляризационного прибора используется «черное зеркало», установленное под углом Брюстера.

б)  Анизотропные среды обладают свойством двойного лучепреломления. Световая волна, распространяющаяся в таких средах, разделяется на две компоненты, имеющие разные скорости распространения. Эти обе компоненты оказываются линейно-поляризованными в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Ярко выроженным свойством двойного лучепреломления обладает кристалл исландского шпата (рис. 3).

Рис. 3.                                                          Рис. 4.

Если на такой кристалл падает узкий пучок света, то, преломляясь, он дает два пучка разного направления. Даже тогда, когда первичный пучок падает на грань кристалла под углом падения, равным нулю, преломленный пучок разделяется на два, причем один из них представляет продолжение первичного, а второй отклоняется, т.е. его угол преломления отличен от нуля (рис. 4).

В качестве поляризационного прибора используется изготовленная из исландского шпата призма Николя, а также поляроиды.

Поляризационные приборы, которые используют два выделения из естественного света свет с определенным состоянием поляризации называются поляризаторами. Если на пути полученного поляризованного света снова поставить какой-либо поляризационный прибор, то амплитуда колебаний, прошедших через второй поляризатор (его теперь называют анализатором) зависит от угла a между направлениями плоскостей поляризации обоих поляризаторов (или поляризатора и анализатора). Она будет равна Е = Е₀cosa. Тогда для интенсивности света, прошедшего анализатор будем иметь

I = I₀cos²a (закон Малюса),

где I₀ – интенсивность падающего на анализатор поляризованного света;

I – интенсивность света, вышедшего из анализатора;

a - угол между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора.

Описание установки.

Схема установки для экспериментальной проверки закона Малюса показана на рис. 5.

Рис. 5.

Установка собрана на оптической скамье, на которой находятся: лазер Л, анализатор А (черное зеркало, установленное под углом Брюстера i_B к падающим лучам), поляризатор П (поляроид), фотоэлемент ФЭ. Фотоэлемент подключен к чувствительному измерительному прибору ИП (микроамперметр).