Изучение явления естественного вращения плоскости полярицазии света

Цель работы:определение концентрации раствора сахара с помощью по­ляриметра.

Приборы и принадлежности:

1. поляриметр круговой СМ-2

2. кювета с 5 % раствором сахара

3. кюветы с растворами сахара неизвестной концентрации

4. штангенциркуль.

Теоретическое введение

Согласно теории Максвелла световые волны являются поперечными: векторы напряженности электрического и магнитного полей ( ) вза­имно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости распространения волны (рис. 1). В процессах взаимодействия света с веществом основную роль играет электриче­ский вектор, его называют световым вектором.Плоскость, в которой колеблется све­товой вектор, называ­ется плоскостью коле­баний, а плоскость, в которой совершает ко­лебание вектор напряженности магнитного поля – плоскостью поляриза­ции. Поляризацией света называется явление выделения из естествен­ного света световых волн с определенными направлениями колебаний электрического вектора.

Рис. 1. Мгновенная картина распределения и вдоль направления распространения электромаг­нитной волны

Свет, в котором направление колебаний элек­трического вектора каким-то образом упоря­дочен, называют поляризованным. Например, свет, испускае­мый каким-либо отдельно взятым (атомом, молекулой) элементарным излуча­телем, в каждом акте излучения всегда поля ризован.

Естественный свет – неполяризованный – представляет собой сум­марное электромагнитное колебание от множества атомов с различной ориентацией светового вектора приблизительно одинаковой амплитуды. Поэтому в результирующей волне вектор беспорядочно изменяет свою ориентацию во времени, так что в среднем все направления колебаний ока­зываются равноправными.

Если при внешних воздействиях появляется какое-то преимуществен­ное направление колебаний светового вектора (но неисключительное), свет называют частично поляризованным. Если вектор колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу, свет называют плоско поляризованным (линейно поляризованным).

Если вдоль одного и того же направления распространяются две мо­нохроматические волны, поляризованные в двух взаимно перпендикуляр­ных плоскостях, то в результате их сложения в общем случае возникает эллиптически-поляризованная волна.

Плоско поляризованный свет можно получить, пропуская естествен­ный свет через анизотропные среды. Анизотропными называют такие среды, для которых относительная диэлектрическая проницаемость и показатель преломления зависят от направления электрического вектора световой волны в веществе. В обычных условиях газообразные, жидкие и аморф­ные твердые диэлектрики оптически изотропны, однако под влиянием внешних воздействий могут стать анизотропными. Это явление называется искусственной анизотропией.

Высокая степень оптической анизотропии характерна для кристалли­ческих диэлектриков (за исключением кристаллов кубической системы), которые часто используют в качестве поляризаторов.

В 1669 году Э. Бартолином при прохождении света через анизотроп­ные кристаллы было открыто фундаментальное свойство, двойное луче­преломление: пространственное разделение естественного луча на два поляризованных, идущих в веществе с разными скоростями и в разных на­правлениях.

Волна, вектор поляризации которой перпендикулярен оптической оси кристалла, называется обыкновенной и обозначается индексом «о».Скорость обыкновенной волны не зависит от направления рас­пространения в кристалле.

Волна, поляризованная в главной плоскости кристалла, называ­ется необыкновенной, обозначается индексом «е». Показатель прелом­ления n_e необыкновенной волны зависит от направления луча в кристалле. Оптической осью кристалла называется направление, в котором отсут­ствует двойное лучепреломление, то есть (n_e = n_o). В зависимости от соот­ношения между главными диэлектрическими проницаемостями ε_хх , ε_уу, ε_zz все кристаллы делятся на три группы: изотропные, одноосные и двуосные. Изотропными называются кристаллы, для которых ε_хх= ε_уу= ε_zz . Если оди­наковы две из трех главных диэлектрических проницаемостей ε_хх= ε_уу ε_zz,, то кристалл называется одноосным. У двуосного кристалла все три глав­ные диэлектрических проницаемости различны.

Не все кристаллы одинаково поглощают обыкновенный и необыкно­венный лучи. Так, например, кристалл турмалина полностью поглощает обыкновенные лучи и является хорошим поляризатором. Явление избира­тельного поглощения обыкновенного и необыкновенного лучей на­зывается дихроизмом. Это явление применяется при изготовлении поля­роидов. Поляроиды– это тонкие (0,1 мм) пленки, на которые наносятся полимерные материалы (например, обогащенный йодом синтетический поливиниловый спирт, турмалин), обладающие дихроизмом.
Приборы, с помощью которыхиз естественного света можно выде­лить поляризованный свет, называютсяполяризаторами. Поляризаторы– устройства, пропускающие колебания вектора , параллельные плоско­сти поляризации самого поляризатора, и полностью задерживающие коле­бания, перпендикулярные к этой плоскости. Поляризаторы применяются также для анализа света, прошедшего через вещество, и в этом случае на­зываются анализаторами.

Если анализатор ориентирован так, что его оптическая ось перпенди­кулярна оптической оси поляризатора, свет через анализатор не проходит. Если же оптические оси поляризатора и анализатора составляют угол , отличный от 90^о, то свет проходит, но при этом его амплитуда меньше ам­плитуды световых колебаний, падающих на анализатор. Интенсивность света, прошедшего поляризатор и анализатор, определяется законом Ма­люса : интенсивность света, прошедшего последовательно через поля­ризатор и анализатор, пропорциональна квадрату косинуса угла между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора

(1)

где I_а – интенсивность поляризованного света, вышедшего из анализатора; I_п – интенсивность плоско поляризованного света, вышедшего из поляри­затора.

Типичными представителями поляризаторов являются поляризаци­онные призмы. С помощью поляризационных призм получают линейно-поляризованное оптическое излучение. Чаще всего поляризационные призмы изготовляют из исландского шпата CaCO₃, кристаллического кварца SiO₂ или фтористого магния MgF₂.

Поляризационные призмы делятся на два класса: однолучевые – даю­щие один пучок лучей, и двулучевые – дающие два взаимно перпендику­лярных поляризованных пучка света. Примером однолучевой призмы слу­жит призма Николя (рис. 3), изготовленная из исландского шпата. Призма представляет собой двойную призму склеенную в промежутке канадским бальзамом – это вещество, прозрачное для видимого света с показателем преломления n_к.б. =1,55.

.

Рис. 2. Прохождение неполяризованного света через призму Николя

Призмы вырезают из кристалла под такими углами, чтобы не­обыкновенный луч, падающий на переднюю грань, проходил насквозь, практически не преломляясь. Обыкновенный луч при этом преломляется под большим углом, претерпевает на прослойке полное внутреннее отра­жение (канадский бальзам является для него оптически менее плотной сре­дой), и затем поглощается зачерненной боковой поверхностью призмы.

Некоторые кристаллы, например кварц, обладают способностью вра­щать плоскость колебаний поляризованного света.Вещества, способные поворачивать плоскость колебаний поляризованного света, называ­ются оптически активными. Явление поворота плоскости колебаний обусловлено анизотропией вещества. У оптически активных веществ раз­личают правое и левое вращение. При правом вращении поворот плоско­сти колебаний происходит по часовой стрелке, а при левом – против, если смотреть навстречу свету. К оптически активным веществам относятся ни только кристаллы, но и чистые жидкости (скипидар), растворы органиче­ских веществ (сахар, кислоты, алкалоиды). Угол поворота плоскости коле­баний оптически активными веществами зависит от их природы, концен­трации и толщины.

Угол поворотаплоскости колебания поляризованного света для опти­чески активных веществ пропорционален толщине образца ( :

, (3)

где [α] – коэффициент, называемый удельным вращением и численно рав­ный углу поворота плоскости поляризации света единичным слоем опти­чески активного вещества; – толщина образца.

Для оптически активных растворов

, (4)

Зная угол поворота плоскости поляризации для раствора известной концентрации , который находится в трубке длиной , по формуле (4) можно определить удельное вращение раствора (сахара)

. (5)

Тогда для оптически активного раствора неизвестной концентрации (раствора сахара) формула (4) примет вид

. (6)

Концентрация неизвестного раствора определится как

. (7)

Описание установки

Рис. 3. Поляриметр: 1 – тумб­лер «сеть»; 2 – окуляр с втул­кой; 3 – регулировочный винт анализатора; 4 – шкала отчетного устройства; 5 – кю­ветное отделение; 6 – лампа поляриметра в кожухе.

В работе используется поляриметр круговой СМ – 2, предназначен­ный для измерения угла вращения плоскости поляризации оптически ак­тивными прозрачными однородными растворами и жидкостями (рис. 3).

В поляриметре применён принцип уравнивания яркостей разделённого на части поля зрения. Пучок света от лампы поляриметра, пройдя через систему линз (оптический кон­денсор), поляризуется призмой Николя. Разде­ление поля зрения на части осуществлено введением в оптическую систему поляри­метра хроматической фазовой пластинки. После разделения луча одна его часть про­ходит через хроматическую фазовую пластинку, кювету и анализатор, а другая часть только через кювету и анализатор. Пройдя кювету и анализа­тор, световые лучи наблюдаются глазом через окуляр с втулкой. Уравни­вание яркостей полей сравнения производят путем вращения анализатора.

Оптическая схема поляриметра, представлена на рисунке 4. Если ме­жду поляризатором и анализатором ввести кювету с оптически активным раствором, то равенство яркостей полей сравнения нарушается.

Рис. 4. Оптическая схема поляриметра: 1 – лампа, 2 – светофильтр, 3 – конденсор (сис­тема линз), 4 – поляризатор, 5 – хроматическая фазовая пластинка, 6 – кювета (трубка) для образца, 7 – анализатор, 8 – объектив и 9 – окуляр.

Равенство яркостей полей может быть восстановлено поворотом анализатора на угол, рав­ный углу поворота плоскости поляризации раствором. Отсчёт угла пово­рота плоскости поляризации анализатора производится по одной из шкал отсчётного устройства (рис.5), расположенных с правой или левой сто­роны от окуляра следующим образом:

Рис. 5. Фрагмент шкалы отчет­ного устройства: 1 – основная шкала, 2 – нониусная шкала.

Определяют на сколько градусов повернута основная шкала относительно нуля шкалы нониуса. Цена деления ос­новной шкалы отсчётного устройства 0,5⁰ (рис. 5). Затем по штрихам нониус­ной шкалы, совпадающим с штрихами основной, отсчитывают доли градуса. Доли градуса отсчитывают по шкале но­ниуса с точностью 0,02⁰ (рис. 5). Оциф­ровка отсчётного устройства нониусной шкалы: «10» соответствует 0,10⁰; «20» соответствует 0,20⁰ и т.д. Для нахождения значения угла поворота необходимо к числу граду­сов, взятых по основной шкале отсчет­ного устройства, прибавить отсчет по шкале нониуса.

Порядок выполнения работы

1. Включить поляриметр в сеть переменного тока тумблером 1(рис. 3). Прогреть поляриметр (5-10 минут).

2. Совместить нулевой отсчёт основной шкалы и нониуса левого или пра­вого отсчётного устройства (рис. 5).

3. Вращением втулки окуляра установить его в положение соответствую­щее резкому изображению линии раздела полей сравне­ния (кюветное отделение должно быть пустым).

Рис. 6

4. Плавно вращая регулировочный винт (рис.3) добиться равенства освещенности обеих частей поля зрения (рис. 6). При этом не должна быть заметна линия раздела полей сравнения.

5. Определить угол поворота анализатора по шкалам и занести в таб­лицу 1 (показания – без кюветы).

6. Повторить п.п. 4-5 – 4 раза, значения угла поворота занести в таб­лицу 1 и вычислить среднее арифметическое значение.

7. Открыть крышку кюветного отделения (рис. 3) и вставить кювету с раствором известной концентрации ( = 5% ). Крышку закрыть.

8. Повторить эксперимент с п.п. 3-6. Данные занести в таблицу 1.

9. Повторить эксперимент п. 8 с растворами А и Внеизвестной концентрацией. Данные занести в таб­лицу 1.

10. Произвести расчёт средних значений углов поворота анализатора, , , и занести в таблицу 1.

11. Найти разности между средними значениями углов поворота анализа­тора с растворами , , и средним углом поворота без кю­веты . Данные занести в таблицу 1.

12. Определить длину пути , проходимого светом в растворах, учитывая толщину прозрачных стёкол кювет (1мм каждое). Измерения произве­сти штангенциркулем. Данные занести в таблицу 1.

13. Используя формулу (7) рассчитать концентрацию исследуемых раство­ров. Данные занести в таблицу 1.

14. Рассчитать абсолютную и относительную погрешность, измерения угла поворота плоскости поляризации, как для косвенных (или прямых) измерений для одного из растворов, указанного преподавателем.

Таблица 1

Наименование раствора		Кюветы с раствором
Без кюветы	5%	А	В
Длина пути (мм) №№ отсчёта
1.
...
Среднее значение угла поворота (град.)
Разность углов (град.)
Неизвестная кон­центрация (%)

Контрольные вопросы

1. Физическая природа света. Естественный и поляризованный свет.

2. Способы получения поляризованного света.

3. Поляризатор и анализатор. Закон Малюса.

4. Оптически активные вещества. Вращение плоскости поляризации.

5. Что называется коэффициентом удельного вращения вещества.

6. Устройство и принцип действия поляриметра.

Лабораторная работа № 65

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

Цель работы: проверка закона Малюса.

Приборы и принадлежности:

1. лампа в кожухе

2. фотоэлемент

3. амперметр

4. вольтметр

5. выпрямитель

6. соединительные провода.

Теоретическое введение

С точки зрения волновой теории, свет является поперечной электро­магнитной волной, то есть направления колебания векторов напряженно­сти электрического и магнитного полей ( ) взаимно перпендику­лярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости распростране­ния волны (рис. 1).

Рис. 1. Мгновенная картина распределения и вдоль направле­ния распространения электромагнитной волны

В процессах взаимодействия света с веществом основную роль играет электрический вектор, его называют световым вектором.Плоскость, в которой колеблется световой вектор, называется плоскостью колебаний, а плоскость, в которой совершает колебание вектор напряженности маг­нитного поля – плоскостью поляризации.

Естественный свет – неполяризованный – представляет собой сум­марное электромагнитное колебание от множества атомов с различной ориентацией светового вектора приблизительно одинаковой амплитуды. На рисунке 2 показано сечение светового луча перпендикулярной ему плоскостью. Колебания вектора в естественном свете изображено на ри­сунке 2, а.

Поляризацией света называется явление выделения из естествен­ного света световых волн с определенными направлениями колебаний электрического вектора. Свет, в котором направление колебаний элек­трического вектора каким-то образом упорядочено, называют поляризо­ванным. Так, например, свет, испускаемый каким-либо отдельно взятым (атомом, молекулой) элементарным излучателем, всегда поляризован.

Рис. 2. Направление колебаний вектора в световой волне

Если при внешних воздействиях появляется какое-то преимущественное направление колебаний светового вектора (но не исключительное), свет называют частично поляризованным(рис. 2, б). Если вектор колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу (рис. 2, в), свет называют плоско поляризованным (линейно поляризованным).

Если вдоль одного и того же направления распространяются две мо­нохроматические волны, поляризованные в двух взаимно перпендикуляр­ных плоскостях, то в результате их сложения возникает эллиптически-поляризованная волна.

Плоско поляризованный свет можно получить, пропуская естествен­ный свет через анизотропные среды. Анизотропными называют такие среды, для которых относительная диэлектрическая проницаемость и по­казатель преломления зависят от направления электрического вектора световой волны в веществе. В обычных условиях газообразные, жидкие и аморфные твердые диэлектрики оптически изотропны, однако под влия­нием внешних воздействий могут стать анизотропными. Это явление на­зывается искусственной анизотропией.

Фундаментальным свойством световых лучей при их прохождении в анизотропных кристаллах является двойное лучепреломление, открытое в 1669 году Э. Бартолином. Оно заключается в следующем: при падении света на грань кристалла происходит пространственное разделение естест­венного луча на два поляризованных луча, идущих в веществе с разными скоростями и в разных направлениях.

Луч, вектор поляризации которого перпендикулярен оптической оси кристалла, называетсяобыкновенным «о». Скорость обыкновенного луча не зависит от направления распространения в кристалле.Обык­новенный луч полностью подчиняется законам геометрической оп­тики.

Луч, поляризованный в главной плоскости кристалла,называетсяне­обыкновенном «е». Показатель преломления n_e необыкновенного луча за­висит от направления в кристалле. Оптической осью кристалла называ­ется направление, в котором отсутствует двойное лучепреломление, то есть n_e = n_o.

Высокая степень оптической анизотропии в естественном состоянии характерна для кристаллических диэлектриков (за исключением кристал­лов кубической системы), которые часто используют в качестве поляриза­торов.

Поляризаторы – устройства, пропускающие колебания вектора , па­раллельные плоскости поляризации самого поляризатора, и полностью задерживающие колебания, перпендикулярные к этой плоскости. Поляри­заторы применяются также для анализа света, прошедшего через вещество, в этом случае они называются анализаторами. Анализатор пропускает только те колебания светового вектора, которые совпадают с его главным направлением.

Рис. 3. Прохождение света через поляризатор и анализатор

Если анализатор ориентирован так, что его оптическая ось перпенди­кулярна оптической оси поляризатора, свет через анализатор не проходит. Если же оптические оси поляризатора и анализатора составляют угол , отличный от 90^о, то свет проходит, но при этом его амплитуда меньше ам­плитуды световых колебаний, падающих на анализатор. Вектор разла­гается на два компонента: параллельный главной плоскости анализа­тора ( ) и перпендикулярный ей ( ). Это соответствует разложению ко­леблющейся волны на две волны, поляризованные во взаимно перпендику­лярных плоскостях. Через анализатор пройдет только парал­лельная составляющая , а перпендикулярная будет погашена (рис. 3). В этом случае интенсивность света вышедшего из анализатора бу­дет:

(1)

где I_А – интенсивность поляризованного света, вышедшего из анализатора; I_П – интенсивность плоско поляризованного света, вышедшего из поляри­затора. Соотношение (1) отражает закон Малюса: интенсивность света, прошедшего последовательно через поляризатор и анализатор, про­порциональна квадрату косинуса угла между плоскостями поляриза­ции поляризатора и анализатора.

Интенсивность света, прошедшего через два поляризатора (без учета поглощения), главные плоскости которых образуют угол , рассчитывается так:

(2)

Откуда (плоскости поляризаторов параллельны, ),
а (плоскости поляризаторов перпендикулярны, ).

Степень поляризации света оценивается по формуле:

, (3)

где и – соответственно максимальная и минимальная интенсив­ность поляризованного света.

Для плоско поляризованного света степень поляризации Р = 1, для естественного P = 0.

Не все кристаллы одинаково поглощают обыкновенный и необыкно­венный лучи. Явление избирательного поглощения обыкновенного и необыкновенного лучей называется дихроизмом.Это явление приме­няется при изготовлении поляроидов. Поляроиды– это тонкие (0,1 мм) пленки, на которые наносятся полимерные материалы (например, турма­лин, герапатит), обладающие дихроизмом.

Описание установки

В данной работе для получения и исследования поляризованного света используются установка схема, которой приведена на рисунке 4. В качестве поляризатора и анализатора используются поляроиды, изготов­ленные из мелких кристаллов герапатита. Свет от источника Лпадает на неподвижный поляризаторП.Кристаллы герапатита полностью погло­щают обыкновенные лучи. Через поляроид проходит только необыкновен­ный луч, колебания в котором совпадают с главным направлением поля­роида. Затем свет попадает на анализатор А, закрепленный во вращаю­щемся диске. Угол поворота анализатора измеряется по шкале диска, раз­деленный на 360 делений. Пройдя анализатор, свет попадает на фотоэле­мент, который работает в режиме насыщения. Фототок насыщения по за­кону Столетова прямо пропорционален интенсивности падающего на фо­тоэлемент света. Величина фототока измеряется микроамперметром. Напря­жение на фотоэлемент подается от выпрямителя и измеряется вольтетром.

Рис. 4. Схема экспериментальной установки

Порядок выполнения работы

1. Совместить нулевой отсчёт основной шкалы поляризатора с нулевым отсчётом шкалы нониуса анализатора.

2. Выставить расстояние, указанное преподавателем, между ближай­шими краями корпуса лампы и корпуса фотоэлемента.

3. Включить в сеть лампу и выпрямитель.

4. От выпрямителя подать на фотоэлемент напряжение 180 В или указан­ное преподавателем (инженером).

5. Плавно вращая анализатор, добиться максимального отклонения значе­ния тока на шкале микроамперметра.

6. Определить угол поворота анализатора по основной шкале и шкале нониуса. Получен­ное значение записать в таблицу.

7. Повторить п.п. 6, 7 не менее 3-х раз начиная от нулевого отсчёта. Рассчитать среднее значение .

8. Совместив нулевой отсчёт основной шкалы поляризатора с нулевым отсчётом шкалы нониуса анализатора, получим начальное значение . Снять показания микроамперметра и значение записать в таблицу.

9. Повторить п. 8, последовательно поворачивая анализатор на от до .

10. Найти угол между главными плоскостями анализатора и поляриза­тора по формуле . Значения занести в таблицу.

11. Рассчитать , и занести в таблицу.

12. Построить графики зависимости и .

Таблица 1

№ п/п	,	,	= -	, мкА.
1.		=
2.
3.
…
n.

Контрольные вопросы

1. Что такое поляризация света?

2. Назовите способы получения поляризованного света.

3. Что такое поляризатор и анализатор.

4. Сформулируйте и запишите закон Малюса.

5. В чем состоит явление двойного лучепреломления?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Трофимова Т. И. Курс физики. – М. : Высшая школа, 1998. – 478 с.

2. Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики. – М. : Высшая школа, 2000. – 718 с.

3. Шубин А.С. Курс общей физики. – М. : Высшая школа, 1976. – 479 с.

4. Яворский Б. М., Детлов А. А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов – М. : Наука, 2000. – 847 с.

СОДЕРЖАНИЕ

Лабораторная работа № 54

«Изучение законов теплового излучения»………………………………………………….3

Лабораторная работа № 55

«Дифракционная решётка»………...…………...………………………….........................10

Лабораторная работа № 57

«Интерференционный опыт Юнга»…………....………………………….………………17

Лабораторная работа № 59

«Интерференция в тонких пленках»…....………………………….……………………...26

Лабораторная работа № 60

«Изучение основных законов фотоэффекта» ……...….……………...……………….…33

Лабораторная работа № 61

«Изучение явления естественного вращения плоскости поляризации света»………….38

Лабораторная работа № 65

«Поляризация света»……………………………………………………..……….……..…45

Библиографический список………………………………………………………………...50