Изучение поляризации света (Лабораторная работа ФЦ–5)

Лабораторная работа ФЦ–5

Изучение поляризации света

Цель работы: найти, при каком угле между осями поляризатора и анализатора прошедший через них свет имеет  максимальную  интенсивность, при каком – минимальную. Определить угол, на который полиэтиленовая плёнка поворачивает плоскость поляризации.

Оборудование:  оптическая скамья, источник света, два поляроида в оправах, фотоэлемент, источник питания, микроамперметр.

Краткая теория

Свет есть электромагнитная волна, то есть совокупность электрического и магнитного полей. Эти поля не постоянны, они периодически меняются, возрастая и убывая, меняя направление. В плоской волне напряжённость  электрического поля колеблется только в одной плоскости, которая называется плоскостью колебаний. Под прямым углом к плоскости колебаний расположена плоскость поляризации, в которой колеблется напряжённость  магнитного поля. Направление распространения световой волны перпендикулярно векторам напряжённостей (рис. 5.1), то есть скорость  света направлена под углом 90° к векторам  и .

В естественном свете  плоскостей колебаний бесконечное множество, то есть электрическое поле и магнитное поле могут изменяться в любых плоскостях, но оставаясь перпендикулярными скорости.  Попадая на вещество, эти поля вызывают смещение его атомов и молекул, приводят их в колебательное движение.

Если в прозрачном  веществе возможно возникновение колебаний любого направления, то естественный свет пройдёт через него без изменений.  Но в некоторых веществах колебания могут возникнуть только в одном, либо двух направлениях. Это бывает обусловлено особенностями строения вещества. Тогда прошедший через вещество луч будет изменён: направлений колебаний в нём будет уже не бесконечное множество, а только одно. Такой свет называют поляризованным.

Вещества,  вызывающие поляризацию световой волны называют поляроидами. Направление  в кристалле, в котором он пропускает колебание электрических полей, называют осью поляроида. В случае, если таких направлений два, поляризованные лучи, проходят кристалл в различных направлениях и, встретившись, накладываются друг на друга. Возникает картина интерференции, цветная при освещении кристалла белым светом. Цветные максимумы имеют, как правило, необычную, причудливую форму. 

Наш глаз не отличает поляризованный свет от естественного. Но с помощью специальной установки, схема которой приведена на рис. 5.1, можно обнаружить поляризацию.

Лабораторная установка  состоит из источника естественного света и двух поляроидов, один из которых поляризует свет, а второй его анализирует. Соответственно, один поляроид называют поляризатором,  а второй – анализатором. Естественный свет от источника проходит сначала через поляризатор, потом падает на анализатор. Если их оси ПП и АА параллельны, то поляризованный поляризатором свет полностью пропускается анализатором. Если же ось анализатора повернуть так, чтобы она была перпендикулярна оси поляризатора, поляризованный луч через анализатор не пройдёт. Вообще же интенсивность I плоскополяризованного света, прошедшего через анализатор, прямо пропорциональна квадрату косинуса угла a между осями анализатора и поляризатора (см. рис. 5.2) и интенсивности I₀ света, прошедшего через поляризатор:

Соотношение (5.1) называется законом Малюса.

Для регистрации света,  прошедшего через анализатор, ставится фотоэлемент – прибор, преобразующий свет в электрический ток. На электроды фотоэлемента подаётся ускоряющее напряжение порядка 50–70 вольт. Для измерения  возникающего в фотоэлементе тока в схему включен микроамперметр. Сила тока  iв цепи фотоэлемента прямо пропорциональна интенсивности света, прошедшего через анализатор, поэтому зависимость i(a) такая же, как и зависимость интенсивности света от угла между осями поляроидов, то есть должна удовлетворять закону Малюса (5.1).

Чтобы проверить закон Малюса, нужно измерить силу тока при разных углах a, и построить график зависимости фототока  i от cos²a. Если график окажется прямой  линией, то интенсивность прямо пропорциональна квадрату косинуса, и, следовательно, удовлетворяет проверяемому закону.

Выполнение измерений

Задание 1

1.  Ознакомьтесь с лабораторной установкой, разберитесь с местонахождением и назначением каждого элемента на рабочем столе. Оба поляроида могут поворачиваться от руки вокруг оси светового пучка.  Для измерения угла поворота анализатора на нём закреплён лимб с указателем – угломер.

2.  Определите цену деления микроамперметра и угломера, запишите эти значения в свой протокол наблюдений (черновик).

3.  Установите угломер  на ноль.

4.  С разрешения преподавателя включите источник напряжения фотоэлемента и осветитель. Убедитесь, что микроамперметр показывает ток, который изменяется при перекрывании пучка света (например, рукой).