Лабораторная работа № 3 ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА

Цель работы: исследование поляризации света при отражении от диэлектрика, определение угла полной поляризации. Исследование прохождения света через поляроиды.

Оборудование: специальная установка, осветитель, измеритель интенсивности света.

Содержание работы:

Из электромагнитной теории света следует, что световая волна является поперечной, то есть три вектора: напряженность электрического поля E, напряженность магнитного поля Н и скорость распространения света с взаимно перпендикулярны. Свет от обычных источников состоит из множества цугов волн, световой вектор Е которых ориентирован случайным образом, а колебания различных направлений равновероятны. Такой свет называется естественным.

Свет, в котором направления колебаний каким-либо образом упорядочен, называется поляризованным, процесс получения поляризованного света называется поляризацией. Если колебания вектора происходят в одной плоскости относительно луча, то свет считается плоскополяризованным.

Частично поляризованный свет - свет, в котором имеется преимущественное направление колебаний вектора E. Эти случаи схематически изображены на рис. 1 (луч перпендикулярен плоскости рисунка).

Плоскость, в которой колеблется электрический вектор Е, называется плоскостью колебаний, или плоскостью поляризации.

Поляризация света наблюдается при отражении, преломлении и при прохождении света через анизотропные вещества. Приборы для получения поляризованного света называются поляризаторами. Визуально поляризованный свет нельзя отличить от неполяризованного. Анализ поляризованного света делают с помощью поляризатора, через который пропускают исследуемый свет. В таких случаях поляризатор называют анализатором.

Для явления поляризации справедливы следующие законы.

1. При отражении световых лучей от поверхности изотропных
диэлектриков, например от поверхности стекла, воды и так далее,
отраженные лучи оказываются частично поляризованными в
плоскости, перпендикулярной плоскости падения. Степень
поляризации отраженных лучей меняется при изменении угла
падения. Отраженный луч будет плоскополяризован только в том
случае, если угол падения имеет определенную величину, называемую углом полной поляризации. Теория и опыт показывают,
что угол полной поляризации в этом случае удовлетворяет
условию

tg φ_Бр = n (1)

где n - относительный показатель преломления второй среды относительно первой. Это закон Брюстера. Преломленный свет частично поляризован.

2. Если на анализатор падает плоскополяризованный свет, плоскость поляризации которого составляет угол α с плоскостью
поляризации лучей, пропускаемых анализатором, то
интенсивность пропущенного им света I_П будет определяться соотношением

I_A=I_Псos²α (2)

Здесь I_П - интенсивность света, падающего на анализатор. Это закон Малюса. Если частично поляризованный свет пропускать через анализатор, то интенсивность I_А прошедшего света будет меняться в зависимости от положения плоскости поляризации анализатора (ППА). Она достигает максимального значения I _тах, если ППА и плоскость преимущественных колебаний частично поляризованного света совпадает. Если эти плоскости перпендикулярны друг другу, то интенсивность света, прошедшего через поляризатор, будет минимальной I_min .

Для характеристики поляризованного света вводится величина, называемая степенью поляризации света Р,

Р = (3)

Для естественного света Р=0, так как I_min = I_max, а для плоскополяризованного света Р=1, так как I_min =0.

Для исследования законов Брюстера и Малюса используется специальная установка, которая крепится на оптической скамье (рис.2).

Свет от лампы 1 через отверстие в корпусе лампы падает на стеклянную пластину 3, помещенную в фиксаторы поворотного столика. Изменение угла падания света осуществляется поворотом столика со стеклянными пластинами. Стрелка 6 поворотного столика указывает угол падения света. К установке прилагается набор съемных стеклянных пластин, закреплённых в обоймы (по 2, 4, 7, 12 шт.). Отраженный от пластины частично поляризованный свет через анализатор 7 попадает на фотоэлемент 8, подключенный к измерителю интенсивности света (ИИС) 9.

Показания ИИС пропорциональны световому потоку, попадающему на
фотоэлемент. Положение плоскости поляризации анализатора отмечается по
шкале 10 с помощью указателя.

Узел анализатор-фотоэлемент закреплён на коромысле 11, которое может поворачиваться вокруг вертикальной оси на угол от 50° до 180.

Отражающая пластина 3 может вращаться вокруг вертикальной оси, и у отраженного от нее частично поляризованного света плоскость преимущественных колебаний вертикальна. На фотоэлемент 8 попадает световой поток, зависящий от положения ППА 7 - он будет максимальным (показание ИИС 9 максимально), если ППА вертикальна, и минимальным, если ППА горизонтальна.

Как следует из теоретических представлений, интенсивность этих двух составляющих (а следовательно, и показания вольтметра), поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях, будет меняться в
зависимости от угла падения света φ в
соответствии с графиком (рис.3). Изменяя угол падения света на
пластину и отмечая показания вольтметра, можно найти угол полной
поляризации или угол Брюстера. Для изучения закона Малюса
используется дополнительный поляризатор 12.

Порядок выполнения работы:

1. Изучение установки, знакомство с основными узлами и элементами:

а) изменение угла падения света на пластину;

б) изменение положения ППА;

в) узел анализатор-фотоэлемент.

2. Включите источник света и, вращая его вокруг вертикальной оси, добейтесь, чтобы световой луч был направлен вдоль оптической скамьи.

3. Закрепите в держателе обойму с четырьмя пластинами. Установите
держатель так, чтобы указатель угла поворота стоял на нулевом
делении, а отраженный световой луч был направлен вдоль оптической
скамьи.

Контролировать правильность установки осветителя дополнительно можно по отраженному от пластины свету: пятно света, отраженное на осветитель, должно быть симметрично относительно выходного отверстия осветителя.

4. Ознакомьтесь с устройством и работой анализатора и датчика интенсивности света. Для этого поверните коромысло узла анализатора так, чтобы свет, прошедший через пластину, попал на анализатор и фотоэлемент. Включите ИИС и подключите к нему фотоэлемент. Меняя положение ППА от 0° до 180°, убедитесь, что величина сигнала не меняется. Следовательно, свет, прошедший через пластину, не поляризован.

5. Поверните отражающую пластину, и задайте угол падения света φ = 25°-80°. Поворачивая коромысло, добейтесь попадания отраженного света на фотоэлемент.

Выполнение упражнений

Упражнение I. Исследование поляризации отраженного света.

1. Вставляем в держатель обойму с четырьмя пластинами и устанавливаем угол падения света 25°. Поворачивая коромысло, добиваемся попадания на фотоэлемент отраженного света. Измеряем интенсивность света при положениях ППА 0° и 90°. Аналогичные измерения проводим для других углов падения (указаны в таблице) и результаты заносим в табл. 1.

2. Повторяем все измерения еще дважды и находим среднее значение
показаний ИИС для каждого угла падения.

3.Для каждого угла падения по формуле 3 рассчитываем степень поляризации отраженного света.

Таблица 1

Угол падения, φ, град

I max, мВ

среднее

I min, мВ

среднее

Степень поляриза­ции, Р

Угол Брюстера φБр =

Показатель преломления n =

4. Строим графики зависимости: I _max =f(φ); I _min=f(φ); Р=f(φ), с помощью которых находим угол Брюстера.

5.По формуле (1) рассчитываем показатель преломления п материала пластины (стекла).

Упражнение 2. Исследование поляризации прошедшего через пластину света

1.Вставляем обойму с двумя пластинами (N=2) и устанавливаем угол падения света, равный углу Брюстера, найденному в упражнении 1.

2.Устанавливаем фотоэлемент для регистрации интенсивности прошедшего через пластины света.

3.Измеряем интенсивность прошедшего через пластины света при двух положениях ППА: I_max - при 90° и I_min - при 0°.

4.Аналогичные измерения проводим для N=4, 7, 12 пластин. Рассчитываем степень поляризации света для всех случаев и вносим в таблицу 2.

Таблица 2

Число пластин N	Показания вольтметра, мВ	Степень поляризации, Р
Imах	Imіn

5.Строим график Р = f (N).

Упражнение 3. Изучение закона Малюса.

1. Снимаем с установки обойму с пластинами, коромысло узла анализатор-фотоэлемент устанавливаем в положение 180°, между источником света и установкой помещаем поляризатор 12 ( _ппп⁼ 0°).

2. Устанавливаем ППА на 0° и, меняя положение ППА ( _ППА)от 0° до 180° через каждые 15°, отмечаем показания ИИС I _п (интенсивность света, прошедшего через поляризатор и анализатор). Результаты всех измерений заносим в табл. 3.

Таблица 3

ППП= 0°	ППА
I П
сos2φ	0,00	0,07	0,25	0,50	0,75	0,93	1,00	0,93	0,75	0,50	0,25	0,07	0,00
I П 2

3. Проводим расчеты, необходимые для заполнения таблицы.

4. Строим график I²=f(cos²φ)

Контрольные вопросы

1. Чем отличается естественный свет от поляризованного?

2. Перечислите способы получения поляризованного света.

3. В чем состоит явление двойного лучепреломления?

4. Сформулируйте закон Брюстера.

5. Докажите, что отраженный и преломленный лучи при соблюдении условия Брюстера будут взаимно перпендикулярны.

6. Сформулируйте закон Малюса.

7. Почему при любом положении анализатора частично поляризованный свет проходит через него?