Изучение поляризации света при отражении

ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА

ПРИ ОТРАЖЕНИИ

Методические указания по самостоятельной работе

для подготовки к выполнению лабораторной работы № 377

по разделу общей физики «Оптика» для студентов всех

специальностей

Составители Т. В. Лавряшина

Ю. В. Струкова

Утверждены на заседании кафедры

Протокол № 1 от 27.08.2009

Рекомендованы к печати

учебно-методической комиссией

специальности 130404

Протокол № 07/09 от 01.09.2009

Электронная копия находится

в библиотеке ГУ КузГТУ

Кемерово 2009

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 377

Изучение поляризации света при отражении

1. Цель работы: освоить экспериментальный метод определения степени поляризации света и проверить закон Брюстера.

2. Подготовка к работе: ознакомится с данным описанием лабораторной работы и изучить в учебниках: [1] §§ 98–101; [2] §§ 161–163, 190–196. В результате подготовки студент должен знать:

а) основные характеристики электромагнитной волны;

б) отличие поляризованного света от естественного;

в) методы преобразования естественного света в поляризованный;

г) способ определения степени поляризации;

д) законы отражения и преломления электромагнитных волн на границе раздела двух сред;

е) закон Брюстера.

3. Выполнение работы

3.1. Экспериментальная установка

Схема экспериментальной установки изображена на рис. 1.

В трубку 1 помещен источник естественного света 2 и линза 3 для получения параллельного пучка лучей. Поляризатором служит пластинка 4 из диэлектрика. В трубке 5 расположен анализатор 6 с рукояткой для его поворота, собирающая линза 7 и фотосопротивление 8, преобразующее световой сигнал в электрический ток. Сила фототока i в цепи фотосопротивления прямо пропорциональна интенсивности I света, падающего на фотосопротивление:

i = kI,

где k – коэффициент пропорциональности.

К осветительной лампе подводится напряжение от понижающего трансформатора. По шкале 9 задается угол падения лучей естественного света и под таким же углом (отражения) необходимо располагать трубку 5 для приема лучей, поляризованных при отражении от пластинки.

3.2. Методика измерений и расчетов

Уравнение плоской монохроматической электромагнитной волны имеет вид:

(1)

где _y – вектор напряжённости электрического поля (световой вектор); _z – вектор напряжённости магнитного поля; и – их амплитудные значения; – циклическая частота; k – волновое число, связанное с длиной волны и скоростью распространения волны соотношением

,

где – координата точки, до которой дошла волна в момент времени t. Векторы _y и _z колеблются с одинаковой фазой во взаимно перпендикулярных плоскостях и перпендикулярно вектору скорости распространения волны (рис. 2).

Источниками световых электромагнитных волн являются возбужденные атомы вещества, излучающие независимо друг от друга. Поэтому любая естественная световая волна представляет собой суперпозицию элементарных световых волн со всевозможными и равновероятными направлениями колебаний векторов и . Вектор называют световым вектором.

Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора называется естественным (рис. 3, а).

Различают частично поляризованный свет, когда в световой волне появляется преимущественное направление колебаний вектора (рис. 3, б), и полностью линейно поляризованный свет, в котором вектор колеблется только в одной плоскости (рис. 3, в). На рис. 3 вектор скорости распространения световой волны перпендикулярен плоскости рисунка.

Плоскость, проходящая через направление колебаний вектора плоско поляризованной волны и направление распространения этой волны, называется плоскостью поляризации волны (АВСД, см. рис. 2).

Одним из способов получения поляризованного света является отражение света от границы двух диэлектриков (например, воздуха и стекла). При этом отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 4, а). Колебания вектора в отраженном луче происходят преимущественно в плоскости, перпендикулярной плоскости падения луча (на рис. 4 изображены точками). Колебания вектора в преломленном луче – в плоскости падения луча (на рис. 4 изображены стрелками). При изменении угла падения луча степень поляризации обоих лучей изменяется. Шотландский физик Брюстер установил закон, согласно которому при угле падения, равном углу Брюстера j_Б, определяемом соотношением

, (2)

где n₂₁ – показатель преломления второй среды относительно первой. При этом отраженный луч полностью поляризован, преломленный – частично, отраженный и преломленный взаимно перпендикулярны (рис. 4, б).

Степенью поляризации называется величина

(3)

где I_max, I_min – максимальная и минимальная интенсивности отраженного света.

Отражение под углом Брюстера дает простейший способ получения поляризованного света, но имеет существенный недостаток – малую интенсивность отраженного луча. Так, для стекла эта интенсивность составляет ~10 % интенсивности падающего луча.

3.3. Порядок выполнения работы

3.3.1. Включите лампу накаливания и подайте напряжение в цепь фотосопротивления.

3.3.2. Установите трубку 1 под углом = 40° от нулевого указателя шкалы теодолита, трубку 5 – под таким же углом по другую сторону от нулевого указателя шкалы.

3.3.3. Измерьте максимальное значение фототока i_max, подобрав соответствующее положение анализатора.

3.3.4. Поверните ручку анализатора на 90° и измерьте i_min.

Поиск максимального и минимального значений фототока производите не торопясь, учитывая значительные инерционные явления в фотосопротивлении.

Все последующие значения угла падения лучей рекомендованы в таблице. Для каждого из этих углов измерьте i_max и i_min, результаты измерений занесите в таблицу.

Таблица 1

Результаты измерения фототока при изменении угла падения

и расчета степени поляризации и угла Брюстера при отражении

Угол падения	Фототок (mА)	P	Рmax		n21
imax	imin

3.3.5. Рассчитайте степень поляризации для всех углов по формуле (3).

3.3.6. Постройте график зависимости степени поляризации от угла падения Р = f( ) и укажите максимальное значение степени поляризации P_max и соответствующий ей угол Брюстера ( ).

3.3.7. Определите по формуле (2) относительный показатель преломления n₂₁ второй среды относительно первой (воздуха) и, принимая для воздуха значение абсолютного показателя преломления , определите абсолютный показатель преломления диэлектрической пластинки. Какому материалу соответствует этот показатель преломления?

4. Запишите вывод, указав в нем:

а) использованный метод преобразования естественного света в поляризованный;

б) способ определения степени поляризации;

в) полученное значение угла Брюстера для границы раздела сред «воздух – стекло»;

г) сравнительную оценку полученных экспериментально и табличных значений показателя преломления стекла.

5. Контрольные вопросы и тестовые задания

для самопроверки

5.1. Контрольные вопросы

5.1.1. Как изменится угол Брюстера ( ), если границу раздела «воздух – стекло» заменить границей раздела «вода – стекло»? Абсолютные показатели преломления сред: n_воздух = 1; n_cт = 1,5; n_воды = 1,33.

5.1.2. Как изменится интенсивность отраженного луча, если на границу раздела двух диэлектриков будет падать под углом Брюстера плоско поляризованный свет?

5.1.3. Как будет изменяться сила фототока при повороте анализатора от 90° до 360°.

5.1.4. Проанализируйте экспериментальные значения степени поляризации и сделайте вывод: частично или полностью поляризован отраженный луч при угле Брюстера.

5.1.5. Можно ли по показаниям микроамперметра установить значение угла между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора, при котором интенсивность поляризованного света имеет максимальное значение?

5.2. Тестовые задания

Задание 1. При переходе света из одной среды в другую не изменяется: 1) длина волны; 2) частота; 3) скорость; 4) фаза.

Задание 2. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго столбца.

Закон, угол поворота плоскости поляризации	Формула для его описания
А) Закон Малюса
Б) Закон Брюстера
В) Угол поворота плоскости поляризации оптически активных кристаллов
Г) Угол поворота плоскости поляризации оптически активным раствором

Задание 3. На идеальный поляризатор падает свет интенсивностью от обычного источника. При вращении поляризатора вокруг направления распространения луча интенсивность света за поляризатором

1) не изменяется и равна ; 2) изменяется от до ;

3) изменяется от до ; 4) не изменяется и равна .

Задание 4. Угол между плоскостями поляризации двух николей при ослаблении естественного света (потери на отражение и поглощение пренебрежимо малы) в 4 раза равен

Задание 5. Под каким углом к горизонту должно находиться Солнце, чтобы свет, отраженный от поверхности воды был полностью поляризован?

1) 53°; 2) 46°; 3) 40°; 4) 37°.

Задание 6. Для каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго столбца.

Метод искусственной оптической анизотропии	Формула для его описания
А) односторонняя деформация
Б) Воздействие электрического поля
В) Воздействие магнитного поля

Задание 7. Выберите правильное утверждение.

6. Список рекомендуемой литературы

1. Савельев, И. В. Курс физики : учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по техн. и технолог. направлениям и специальностям : в 3 т. Т. 2. Электричество. Колебания и волны. Волновая оптика. – 3-е изд., стереотип. – СПб. : Лань, 2007. – 480 с.

2. Трофимова, Т. И. Курс физики : учеб. пособие для инж.-техн. специальностей вузов. – 14-е изд., стереотип. – М. : Академия, 2007. – 560 с.

3. Детлаф, А. А. Курс физики : учеб. пособие для втузов / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. – М. : Академия, 2007. – 720 с.

Составители

Таисия Васильевна Лавряшина

Юлия Викторовна Струкова