Теоретическое введение

Кафедра физики

ИЗУЧЕНИЕ поляризации света

при оТражении от диэлектрика

Методические указания к лабораторной работе № 45

Волгоград 2010

УДК 378.147.001

Изучение поляризации света при отражении от диэлектрика: Метод. указания к лабораторной работе / Сост. Н.М. Галиярова; ВолгГАСА. Волгоград, 2002, 8 с.

Целью настоящей работы является изучение зависимости интенсивности поляризованного света от угла между поляризатором и анализатором и сопоставление с законом Малюса. Дано объяснение явления поляризации света при отражении от диэлектрика. Описана методика измерений, порядок выполнения работы и анализа экспериментальных данных. Сформулировано задание к УИРС. Даны правила техники безопасности и приведены контрольные вопросы.

Для студентов всех специальностей по дисциплине «Физика».

Ил. 6. Табл. 1. Библиогр. 2 назв.

© Волгоградская государственная архитектурно-строительная академия, 2002

© Составление Галиярова Н.М., 2002

Цель работы:исследование зависимости интенсивности поляризованного света от угла между поляризатором и анализатором и сопоставление с законом Малюса.

Приборы и принадлежности: установка для изучения зависимости интен­сивности поляризованного света от угла между плоскостями падения зеркал, являющихся поляризатором и анализатором.

Теоретическое введение

Плоскополяризованный свет – это электромагнитная волна, в которой колебания напряженности электрического поля (светового вектора) происходят в одной плоскости (рис.1). Плоско поляризованная волна распространяется в направлении оси ОХ. Колебания вектора происходят в плоскости XOZ, проходящей через луч и вектор . Эта плоскость называется плоскостью поляризации.

Обычные источники света (например, лампы накаливания) излучают неполяризованный, естественный свет – электромагнитные волны, в которых колебания вектора происходят равновероятно по всем направлениям, перпендикулярным к скорости волны (рис. 2). Причина этого явления заключается в том, что свет обычных источников представляет собой совокупность большого числа волн, излучаемых разными атомами независимо. Вэтихволнах направления колебаний вектора различны и быстро меняются с течением времени по мере того, как излучение одних атомов сменяет излучение другой группы атомов.

Естественный свет можно преобразовать в плоскополяризованный, например, при отражении от диэлектрика (рис. 3). Для этого луч света надо направить на поверхность диэлектрика под определенным углом a_Б, называемым углом Брюстера или углом полной поляризации, который удовлетворяет закону Брюстера:

, (1)

где n – относительный показатель преломления диэлектрика.

(E║)

E║

При других углах падения отраженный луч поляризован частично. Преломленный луч поляризован частично при любых углах падения. В нем преобладают колебания , происходящие в плоскости падения (плоскости, в которой лежат падающий, преломленный и отраженный лучи). В отраженном луче преобладают колебания , перпендикулярные плоскости па­дения. На рис. 3 соответствующие направления векторов обозначены черточками и точками.

E║

При угле паденияa = a_Б угол между преломленным и отраженным лучами становится равным 90° и реализуется условие: a_Б + b = 90°, которое и объясняет происхождение закона Брюстера. Действительно, при этом условии из закона преломления получаем закон Брюстера: .

Физическая природа явлений, происходящих при отражении света от диэлектрика, обусловлена особенностями взамодействия света с электронами атомов вещества. Колебания электронов, вызываемые электрическим полем электромагнитной волны, сопровождаются излучением когерентных волн, которые, интерферируя между собой и с падающей волной, образуют отраженный и преломленный лучи.

Излучение колеблющихся электронов атомов обладает следующей особенностью: волны излучаются ими по всем направлениям, кроме того, в котором происходят колебания. На рис. 4 схематически показана картина силовых линий элек­трического поля, излученного электроном (а) и полярная диаграмма (б), характеризующая зависимость интенсивности излученной волны от направления ее распространения. Об интенсивности волны можно судить по густоте силовых линий и длине отрезка, отсекаемого диаграммой рис.4, б.

Как видно из рис. 4, интенсивность излучаемых электроном волн максимальна для направлений, перпендикулярных направлению колебаний электрона (оси Z), и равна нулю для направления Z. Именно эта особенность излучения обусловливает выполнимость закона Брюстера. Рассмотрим этот вопрос подробнее. Проанализируем, как происходит излучение электрона, колеблющегося под действием каждой из двух составляющих электрического поля проходящей в диэлектрик волны: перпендикулярной E_^и параллельной E_║ плоскости падения луча.

Под действием E_^колебания электрона происходят перпендикулярно плоскости падения, а под действием E_║– параллельно ей. Такие же направления должны иметь и световые векторы излучаемых колеблющимся электроном волн (на рис. 3 эти направления показаны точками и черточками). Но при выполнении условия Брюстера одна из этих составляющих поля (E_║, показанная на рис. 3 черточками) в отраженном луче будет отсутствовать. Почему? Причина в том, что при угле 90є между отраженным и преломленным лучами, колебания электрона под действием E_║ происходят в направлении отраженного луча (см. рис. 3). А поскольку в направлении собственных колебаний электрон не излучает, то в отраженном луче не будет и составляющей E_║. Таким образом, в отраженном луче присутствует только одна составляющая поля E_^, излученного при колебаниях электрона, перпендикулярных плоскости падения, следовательно, луч становится плоскополяризованным. А преломленный луч поляризован частично, и преимущественной (более вероятной) является составляющая E_║.

Таким образом, при отражении от диэлектрика света, падающего под углом Брюстера, естественный свет преобразуется в плоскополяризованный. Поверхность диэлектрика (зеркало) при этом служит поляризатором. Аналогичное поляризатору устройство может служить анализатором, позволяющим определить степень поляризации и направление колебаний в падающем на него свете.

Независимо от конструкции поляризатора и анализатора интенсивность света I_a, прошедшего через анализатор, подчиняется закону Малюса:

, (3)

где I_p и I_a – интенсивности света, падающего на анализатор и прошедшего через него; j – угол между направлениями плоскостей поляризатора и анализатора. Поляризатор пропускает составляющую поля, в которой колебания происходят в плоскости поляризатора, анализатор пропускает составляющую поля, в которой колебания происходят в плоскости анализатора.

Рис. 5 поясняет происхождение закона Малюса. Луч распространяется пер­пендикулярно чертежу, и – соответствующие направления напряженностей электрического поля до и после анализатора.

Если в качестве анализатора и поляри­затора используются зеркала, то А и Р – плоскости падения лучей. Очевидно, что через анализатор пройдет составляющая поля

. (4)

Так как интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды напряженности электрического поля (I_A~E_A², I_P~E_P²), то,

возводя правую и левую части уравнения (4) в квадрат, получаем закон Малюса (3). Выполнимость этого закона и проверяется в настоящей работе.

Методика измерений

Принципиальная схема установки для изучения поляризованного света показана на рис. 6. На поляризатор (зеркало 1) от источника света S падает луч естественного света под углом Брюстера. Отраженный плоскополяризованный луч попадает на зеркало 2 (анализатор) также под углом Брюстера. Отраженный от зеркала 2 свет попадает на фоторезистор 3, сопротивление которого под действием света уменьшается, в цепи фоторезистора возникает электрический ток. Сила тока максимальна при максимальной интенсивности прошедшего света, что согласно (3) реализуется в том случае, если плоскости падения зеркал параллельны (j = 0°, 180° или 360°).

При повороте зеркала 2 вокруг оси ООґ, осуществляемого с помощью специального устройства – гониометра 4, меняется угол между плоскостями падения на зеркала 1 и 2, а углы падения остаются неизменными и равными углу Брюстера ( ).

С направлением отраженного луча от зеркала 2 жестко связано положение фоторезистора 3,поэтому при повороте зеркала 2 отраженный луч всегда попадает на фоторезистор. Интенсивность отраженного луча и,следовательно, показания гальванометра, включенного в цепь фоторезистора, должны изменяться в соответствии с законом Малюса (3).

В настоящей работе проводится экспериментальное исследование зависимости интенсивности света от угла между плоскостями падения луча на поляризатор и анализатор и сравнение ее с законом Малюса.