Поляризация света. Проверка закона Малюса (Лабораторная работа № 7лок)

Лабораторная работа 7 лок

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА. ПРОВЕРКА ЗАКОНА МАЛЮСА

Краткая теория

Из электромагнитной теории света известно, что световая волна

поперечна: электрический вектор  и магнитный взаимно   перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной вектору скорости    в рассматриваемой точке поля (рисунок 7.1).

Рис.7. 1.  Электромагнитная волна а - ориентация векторов      и для момента времени t=0;

б - для момента времени t = Т

Основной характеристикой электромагнитной волны является вектор

Свет со всевозможными ориентациями вектора        называют  естественным, а свет, в котором вектор    колеблется по прямой линии, - плоскополяризованным или линейно поляризованным.

Если какие-то колебания вектора    предпочтительны, то свет частично поляризован (рисунок 7.2).

Рис.7.2.  Схематическое представление света

а - естественный свет;

б - частично поляризованный;

в - плоскополяризованный (направление распространения света перпендикулярно плоскости рисунка, а стрелками показаны амплитуды колебания вектора)

Для получения плоскополяризованного света из естественного или частично поляризованного 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 в анизотропных кристаллах. Те же устройства используются в качестве анализатора, т.е. для определения характера и степени поляризации света.

Поляризатор (или анализатор) пропускает световые колебания, параллельные плоскости, которую называют главной плоскостью поляризатора (или анализатора). Колебания, перпендикулярные этой плоскости, полностью задерживаются. Интенсивность частично поляризованного света I, прошедшего через анализатор, который вращают вокруг направления луча, меняется в пределах от I_max до I_min. Переход от одного из этих значений к другому наблюдается при повороте анализатора на угол π/2. Величину Р, определяемую формулой

 

(7.1)

называют степенью поляризации. В частности, для естественного света I_max = I_min и Р = 0, для плоскополяризованного света I_min = 0 и

Р=1.

Пусть на анализатор падает плоскополяризованный свет, полученный с помощью поляризатора и имеющий интенсивность Iр. Главные плоскости анализатора (а-а) и поляризатора (р-р) составляют между собой угол j (рисунок 7.3).

Интенсивность I_a, света, прошедшего через анализатор, прямопропорциональна I_p, и зависит от угла j. Пусть        — амплитуда электрического вектора плоскополяризованного света, прошедшего через поляризатор. На входе в анализатор падающий свет можно представить в виде двух волн, поляризованных в главной плоскости анализатора и в перпендикулярной к ней плоскости. Амплитуды электрических векторов этих волн равны

 

соответствующим составляющим вектора        так что

(7.2)

Рис.7.3. Разложение плоскополяризованного света анализатором

Волна, электрический вектор которой   , колеблется вдоль направления, перпендикулярного а-а и амплитудой     (7.2), не проходит через анализатор. Волна, электрический вектор которой колеблется вдоль направления а-а и амплитудой      , проходит через анализатор.

Если анализатор абсолютно прозрачен для второй волны, то амплитуда света, выходящего из анализатора, равна

Е_а=Ер×cosj

а интенсивность I_а, этого света, пропорциональная  E_o²  , будет связана с I_р и j соотношением

                          I_a = I_p×cos²j

(7.3)

Это соотношение (7.3) носит название закона Малюса.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Постановка задачи

Согласно закону Малюса, интенсивность света, прошедшего  через анализатор, прямо пропорциональна cos²j (j - угол между главными плоскостями поляризатора и анализатора). Поэтому для проверки закона Малюса необходимо исследовать зависимости и

Принципиальная схема установки

Осветитель О, приемник светового излучения ПС, поляроиды

П1 и П2, гониометрический столик ГС, диафрагма D, линзы Л2 и ЛЗ.

Диафрагма D и линза Л2 создают параллельный световой пучок. Линза ЛЗ фокусирует его в плоскости приемника светового излучения. В качестве приемника излучения используется фото сопротивление, соединенное с микроамперметром. Приемник работает в области пропорциональности силы фототока и силы падающего на него света.

Рис.7.4.  Оптическая схема установки

Порядок выполнения работы

1. Направить пучок света от осветителя вдоль оптической скамьи (рисунок 7.4). Для этого закрепить на дальнем конце рельса экран и поворотами осветителя добиться, чтобы центр светового пятна на экране находился над центром рельса и располагался бы на той же высоте, что и центр объектива осветителя.

2. Рабочие поверхности линз и поляроидов должны симметрично освещаться падающим пучком света. Они должны быть перпендикулярны падающим пучкам. Точность такой установки контролируется по блику, отраженному от передней поверхности элемента: отраженный луч должен совпасть с падающим.

3. Вращением поляроида П1 в оправке добиться наибольшего погашения света, проходящего через два поляроида, что регистрируется с помощью ПС. При этом показание гониометра ГС должно быть 90⁰ .

4. Определяются показания фотоприемника для различных ориентаций ПС через 15⁰ (0⁰< а <180⁰ ).

5. Результаты занести в таблицу по нижеприведенной форме.

Таблица 7.1-Результаты измерений

6. Построить график зависимости

7. Сделать выводы.

Правила техники безопасности

1. Включить установку с разрешения преподавателя. 2. Не оставлять включенную установку без надзора.

3. После окончания работы отключить установку от источника питания.

4. Так как источник О сильно нагревается, то через 5-7 минут следует его отключать.

Вопросы для допуска к работе

1. Что утверждает закон Малюса?

2. Какой метод используется в данной работе для проверки закона Малюса?

3. Какие величины нужно измерить в данной работе?

4. Какова цена деления микроамперметра и вольтметра?

5. Каким образом нужно подобрать рабочее напряжение, чтобы не пережечь микроамперметр и на максимум использовать его шкалу?

6. В каком виде должны быть представлены результаты измерения?

Вопросы для защиты работы

1. Знать определения физических величин и понятий, встречающихся в краткой теории работы.

2. При каких условиях степень поляризации света максимальна