Изучение прохождения света через анизотропное вещество

 

1. Установите турель 2 в положение так, чтобы луч лазера проходил через свободное отверстие, предусмотренное в этой турели.

2. Установите экран наблюдения - лист белой бумаги на верхней крышке электронного блока, подключите комплекс к сети и кнопкой 22 включите его.

3. Кнопкой 17 включите лазерный источник света, строго соблюдая порядок включения и правила техники безопасности. Конструктивные особенности применяемого лазера таковы, что пучок света на его выходе не является строго плоскополяризованным, а имеет эллиптическую поляризацию, сильно вытянутую вдоль одной из осей эллипса.

4. Для превращения эллиптически поляризованного света в плоскополяризованный введите по ходу пучка света поляризатор 4. Вращая поляризатор 4, визуально добейтесь максимальной интенсивности света на экране ().

5. Установите на оптическую ось анализатор 7 и, поворачивая его вокруг оси, снова добейтесь максимальной интенсивности света на экране ().

6. Снимите экран и настройте комплекс для измерения относительной интенсивности лазерного излучения. Для этого включите широкополосный фотоприемник лазерного излучения с диапазоном длин волн кнопкой переключения фотоприемников 19 с индикаторами факта подключения 21. Убедитесь, что цифровой индикатор относительной интенсивности принимаемого излучения работает во всём диапазоне углов поворота анализатора 7, и отсутствует «зашкаливание», когда на табло горит только одна единица.

7. Регулируя чувствительность фотоприёмника ручкой 18 установки «J _max» уточните значение максимума относительной интенсивности . В случае необходимости поворотом поляризатора 4 и анализатора 7 добейтесь показаний цифрового индикатора максимально близкого к единице. При этом положение поляризатора и анализатора должны соответствовать и .

8. «Скрестите» поляризаторы (), т.е. поверните анализатор в положение, при котором наблюдается минимум интенсивности.

9. Установите между поляризаторами турель с кристаллической пластинкой (турель 5).

10. Поворачивая кристаллическую пластинку в турели 5, снимите показания фотоприёмника через каждые 10º во всём диапазоне углов поворота пластинки. Данные занесите в таблицу 1.

 

Таблица 1.

 

			……		……			…..

 

6. Постройте полярную диаграмму зависимости относительной интенсивности от угла положения кристаллической пластинки (для построения полярной диаграммы удобно воспользоваться компьютерной программой Exсel или Grapher 2).

7. Дайте объяснения и сделайте выводы.

 

 

Задание 2

1. Не изменяя настройки фотоприёмника и схему опыта, поверните входной поляризатор (турель 4) в положение и, поворачивая кристаллическую пластинку, повторите измерения через каждые 10º во всём диапазоне углов поворота пластинки. Данные занесите в таблицу 2.

 

 

Таблица 2.

 

			……		……			…..

 

2. Постройте полярную диаграмму зависимости относительной интенсивности от угла положения кристаллической пластинки.

3. Дайте объяснения и сделайте выводы.

4. По данным таблицы 1 и таблицы 2 постройте полярную диаграмму зависимости относительной интенсивности от угла положения кристаллической пластинки. По графикам определите

 

 

Контрольные вопросы

1. Нарисуйте оптические схемы опытов для наблюдения эффекта Брюстера, проверки закона Малюса и прохождения света через анизотропное вещество и дайте объяснение наблюдаемым эффектам.

2. Что такое естественный свет? Как колеблется электрический вектор естественного света?

3. Что такое поляризованный свет? Какие существуют виды поляризации?

4. Как изменяются интенсивности естественного и поляризованного света при прохождении через первый и второй идеальный поляризатор? Закон Малюса.

5. Поляризация при отражении света от диэлектрика. Закон Брюстера. Стопа Столетова.

6. Двойное лучепреломление. Свойства обыкновенного и необыкновенного лучей.

7. Прохождение плоскополяризованного света через одноосную кристаллическую пластинку. Оптическая разность хода и разность фаз обыкновенного и необыкновенного лучей на выходе из кристалла.

8. Какие существуют способы получения поляризованного света.

9. В каких единицах измеряется интенсивность света.

 

Список литературы

1. Савельев И. В. Курс общей физики, т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика: учебное пособие. 2-е изд., перераб. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982.— 496 с.

2. Трофимова Т. Н. Курс физики: учеб. пособие для вузов. – 6-е изд., стер. – М.: Высш. шк., 1999. – 542 с: ил. ISBN 5-06-003634-0.

3. Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики. – М.: Высш. шк., 1988. – С. 387-399.

4. Баранов А. В.и др. Колебания и волны. Оптика. Квантовая механика. Кн. 2. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1994.

5. Ландсберг Г. С. Оптика. – М.: Наука, 1976 и другие издания этого курса.

6. И.Е. Иродов. Волновые процессы. Основные законы. т.4. – М.: Лаборатория базовых знаний, 1999. – 256 с.

7. Кингсеп А. С, Локшин Г. Р., Ольхов О. А. Основы физики. Курс общей физики: учебн. в 2 т. Т. 1. Механика, электричество и магнетизм, колебания и волны, волновая оптика / Под ред. А. С. Кингсепа. — М.: Физматлит, 2001. 560 с. — ISBN 5-9221-0164-1 (Т. 1).

8. Белонучкин В. Е., Заикин Д. А., Ципенюк Ю. М. Основы физики. Курс общей физики: учебн. в 2 т. Т. 2. Квантовая и статистическая физика / Под ред. Ю.М. Ципенюка. – М.: Физматлит, 2001. – 504 с. – ISBN 5-9221-0165-Х (Т. 2).

9. Стафеев С. К., Боярский К. К., Башнина Г. Л. С78 Основы оптики: учеб. пособие. — СПб.: Питер, 2006. — 336 с: ил. ISBN 5-469-00846-0.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

 

 

ЛЮКСМЕТР Ю117

I. НАЗНАЧЕНИЕ

Люксметр Ю117 предназначен для измерения освещенности, создаваемой лампами накаливания и естественным светом, источники которого расположены произвольно относительно светоприемника люксметра.

Переносной фотоэлектрический люксметр Ю117 общепромышленного назначения применяется для контроля освещенности в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте и других отраслях народного хозяйства, а также для исследований, проводимых в научных, конструкторских и проектных организациях.

Люксметр предназначен для эксплуатации при температуре окружающего воздуха от минус 10 до плюс 35°С и относительной влажности до 80% при (20 ± 5) °С.

 

2. ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

Диапазон измерений и общий номинальный коэффициент ослабления применяемых двух насадок приведены в табл.1 и в примечании к табл.1.

Класс точности люксметра - 10 по ГОСТ 14841-80.

Таблица I

 

Диапазон измерений,	Режим   работы   люксметра
основной	неосновной
без насадок	с насадка-ми КМ	без насадок	с насадками
КМ	КР	КТ
5-30 20-100	_	_	50-300 200-1000	500-3000 2000-10000	5000-30000 20000-100000	без усилителя
_	2-10 5-30 20-100	0,2-1 0,5-3 2-10	_	_	_	с усилителем
_	_	расширяющий возможности измерений 0,1-0,2	_	_	_	с усилителем

 

Примечание. КМ, КР, КТ - условное обозначение совместно применяемых насадок для создания общего номинального коэффициента ослабления 10, 100, 1000 соответственно.

Шкалы прибора неравномерные, градуированы в люксах; одна шкала имеет 100 делений, вторая - 30 делений.

Отметка "5" шкалы 0-30, отметка "20" шкалы 0-100, соответствующие начальным значениям диапазонов измерений, отмечены точкой, отметка "10" шкалы 0-100, соответствующая начальному значению диапазона измерений 0,1-0,2, , отмечена двоеточием.

Пределы допускаемой погрешности люксметра в основном диапазоне измерений, указанном в табл.1, соответствуют +10 % от значения измеряемой освещенности, а в диапазоне от 0,1 до 0,2 (без насадок), расширяющем возможности измерения, - ±30 % от значения измеряемой освещенности.

Увеличение допускаемой погрешности при переходе с основного диапазона измерений, указанного в табл.1, на неосновные диапазоны посредством установления или удаления соответствующих насадок, не превышает плюс или минус 5 % от значения измеряемой освещенности.

Пределы допускаемой дополнительной косинусной погрешности люксметра соответствуют величинам, указанным в табл. 2.

Таблица 2

Угол падения света	Предел допускаемой дополнительной косинусной погрешности, % от значения измеряемой освещенности, не более
	с насадками	без насадок
60° 80°	+7 +15	Не нормируется

 

Допускаемое изменение показаний люксметра при переходе от измерения освещенности, создаваемой источником света с цветовой температурой 2800К (нормированного для градуировки, испытаний и проверки), к освещенности, создаваемой источниками света с цветовой температурой 4800К или 6500К, не превышает +10 % от значения измеряемой освещенности в диапазонах измерений с применением насадок; изменение показаний люксметра в диапазонах измерений без насадок - не нормирует.

Источники света с цветовой температурой 2800К, 4800К и 6500К, воспроизводящие, соответственно, условия искусственного освещения электрическими лампами накаливания, прямого солнечного освещения и освещения рассеянным дневным светом, определяются как источники света с относительным спектральным распределением плотности потока излучения в видимой области спектра (от 400 до 700 ) такой же, как и у абсолютного черного излучатели при температурах 2800, 4800 и 6500 К.

Время успокоения подвижной части намерить, люксметра не превышает 4 s.

Допускаемое изменение показаний люксметра, вызванное отклонением температуры окружающего воздуха от 20°С до любой температуры в диапазоне от минус 10 до плюс 35°С, не превышает 1% от измеряемой величины на каждые 1°С.

 

3. УСТРОЙСТВО И РАБОТА ЛЮКСМЕТРА

 

Люксметр состоит из измерителя и отдельного фотоэлемента с насадками.

В пластмассовом корпусе измерителя люксметра находятся прибор магнитоэлектрической системы, усилитель на микросхеме, переключатель, резисторы и другие элементы электрических цепей, а также батареи питания. На передней панели измерителя расположены отсчетное устройство и корректор прибора, кнопки переключателя, ручка установки нуля, а также табличка, содержащая схему пользования кнопками переключателя и насадками в зависимости от наибольшего значения диапазона измерений. На боковой стенке корпуса измерителя расположена розетка для присоединения селенового фотоэлемента.

Селеновый фотоэлемент находится в пластмассовом корпусе и присоединяется к измерителю шнуром с вилкой, обеспечивающей правильную полярность соединения. Длина шнура 1,5 м. Светочувствительная поверхность фотоэлемента составляет около 30 см².

Насадки М, Р, Т служат для расширения диапазонов измерений и корректирования люксметра по спектральной чувствительности.

Насадка К, применяемая только совместно с каждой из насадок М, Р или Т, является устройством для исправления косинусной погрешности. Насадки К, М, Р и Т могут использоваться только в том люксметре, для которого они предназначены.

При измерении освещенности от 5 до 100 без насадок и от 50 до 100000 с насадками селеновый фотоэлемент непосредственно подключается к электрической цепи прибора магнитоэлектрической системы.

При измерении освещенности от 0,1 до 10 без насадок и от 2,0 до 100 с насадками фотоэлемент подключается через усилитель.

В качестве источника питания могут быть использованы батареи: Крона ВЦ; Корунд 6PLF22; Mallory TR-146; Philips Type 6F22; 556 Novel 006P; Toshyba 6F22.

 

4. УКАЗАНИЕ ПО ПОВЕРКЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ

Поверку люксметра необходимо проводить не реже одного раза в год по ГОСТ 8.014-72. В расчетах, проводимых при поверке люксметра на светомерной скамье, следует учитывать, что приемной поверхностью фотоэлемента (с насадками или без насадок) является его светочувствительная поверхность, расположенная на расстоянии 15 mm от основания корпуса фотоэлемента, то есть от плоскости, на которой имеется маркировка.

Поверенный люксметр должен иметь клеймо поверяющего органа Госстандарта СССР.

Обращайтесь с фотоэлементом и насадками, как с оптическими приборами. В случае загрязнения насадок протрите их поверхности ватным тампоном, смоченным в спирте. Ели фотоэлемент загрязнился, протрите его сухим ватным тампоном.

Оберегайте люксметр от ударов и сотрясений. Не разбирайте люксметр, ремонт его должен производиться только специалистом.

Если люксметр с холодного воздуха внесен в теплое помещение, не открывайте крышку футляра в течение двух-трех часов.

Для подготовки к измерению установите измеритель люксметра в горизонтальное положение. Проверьте, находится ли стрелка прибора на нулевом делении шкалы, для чего фотоэлемент отсоедините от измерителя люксметра и нажмите кнопку ВЫКЛ.. В случае необходимости с помощью корректора установите стрелку на нулевую отметку шкалы, после чего подключите фотоэлемент к измерителю.

Перед измерением освещенности в диапазонах, где работает усилитель, то есть от 0,1 до 10 без насадок и от 2 до 100 с насадками КМ, проверьте напряжение батарей питания и установку нуля. Для проверки напряжения батарей питания усилителя нажмите кнопку КОНТРОЛЬ ПИТАНИЯ. При этом стрелка прибора должна отклоняться на участок шкалы, отмеченный черным сектором. Если стрелка прибора не отклоняется на черный сектор, замените батареи.

Для проверки установки нуля нажмите кнопку УСТАНОВКА НУЛЯ на 3-5 мин (тем самым, произведя прогрев усилителя измерителя), а затем, при необходимости, поворотом ручки потенциометра установите стрелку измерительного прибора на нулевую отметку шкалы.

При измерениях не допускайте длительного воздействия на фотоэлемент освещенности, превышающей конечное значение шкалы. Для того чтобы предохранить прибор от перегрузок, начинайте измерения, включив переключатель, соответствующий положению 100000 , а на фотоэлемент наденьте насадки КТ. Если стрелка прибора отклоняется менее чем на 20 делений, замените насадку Т на насадку Р, затем на насадку М. Применяйте насадку К только совместно с одной из насадок Т, Р или М.

Порядок отсчета измеряемой освещенности следующий: против нажатой кнопки определяют выбранное с помощью насадок (или без насадок) наибольшее значение диапазонов измерений. Если нажата кнопка, против которой нанесены наибольшие значения диапазонов измерений: 1, 10, 100 и т.д., то следует пользоваться для отсчета показаний шкалой 0 -100. Если нажата кнопка, против которой нанесены наибольшие значения диапазонов измерений: 3, 30, 300 и т.д., то следует пользоваться для отсчета показаний шкалой 0-30. Показания прибора в делениях по соответствующей шкале умножают на общий номинальный коэффициент ослабления, зависящий от применяемых насадок, и указанный в примечании к табл. I, а также - на насадках М, Р, Т.

Например, на фотоэлементе установлены насадки КР (общий номинальный коэффициент ослабления 100) нажата кнопка, против которой нанесены наибольшие значения диапазонов: 30, 300 и т.д., стрелка показывает 10 делений по шкале 0-30. Измеряемая освещенность равна .

Измерения в диапазоне 0,1-0,2 без насадок производите по шкале 100 при нажатой кнопке диапазона измерений 0,2-1 .

Закончив измерения, нажмите кнопку ВЫКЛ, наденьте на фотоэлемент насадку Т и, отсоединив от измерителя, уложите его в крышку футляра.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПОЛЯРИМЕТР КРУГОВОЙ СМ-3

НАЗНАЧЕНИЕ

Поляриметр круговой СМ-3 предназначен для измерения угла вращения плоскости поляризации оптически активными прозрачными однородными растворами и жидкостями.

Поляриметр применяется в медицине, пищевой, химической промышленности и других отраслях народного хозяйства.

С поляриметром работают при неярком местном освещении, в чистом незапылённом помещении при температуре (20 ± 3)° С, относительной влажности воздуха не более 80% и атмосферном давлении (84,0—106,0)кПа (630—800 мм рт. ст.). В воздухе не должно быть агрессивных паров и газов.

 

2. ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ.

Основная погрешность поляриметра в диапазоне ±0,04°.

измерений от 0 до ±35°, не более

Диапазон показаний угла вращения плоскости поляризации. от 0 до 360°

Чувствительность поляриметра 0,04°

Объем кювет, мл, не более10;. 20

Потребляемая мощность, ВА, не более 255

Питание поляриметра от сети переменного тока 220 В, частотой, Гц 50

Габаритные размеры, мм 590x168x405

Масса поляриметра (без комплекта укладок), кг, не более 8

 

3. СОСТАВ ПОЛЯРИМЕТРА

Поляриметр с наклонной осью, визуальный, настольного типа, закрытой конструкции состоит из следующих основных частей:

Поляриметр круговой 2.855.052 (без кюветы) 1 шт.

Кювета 100 мм 5.999.0881 шт.

Кювета 200 мм 5.999.088-01 1 шт.

Комплект поставки поляриметра приведенв паспорте.

 

4. УСТРОЙСТВО И РАБОТА ПОЛЯРИМЕТРА

4.1. Оптическая принципиальная схема поляриметра показана на рис. 2. Оптическая принципиальная схема включаетв себя: лампу ДНаС 18-04.2 - 1, светофильтр - 2, конденсор - 3, поляризатор - 4, хроматическую фазовую пластинку - 5, защитное стекло - 6, два покровных стекла - 7, трубки - 8, 9, 10 и 11, анализатор - 12, объектив - 13, окуляр - 14 и две лупы - 15.

 

 

4.2.Конструкция прибора ( рис. 4, рис. 6)

Конструктивно поляриметр состоит из следующих основных составных частей: корпуса 47, головки анализатора с линейным поляризатором 48, основания в сборе 49, крышки 50.

Натриевую лампу включают тумблером 42. Кюветное отделение закрывают крышкой 45.

4.2.1. Головка анализатора с поляризатором (рис. 4) является измерительной частью поляриметра и состоит из следующих сборочных единиц: поляризационного устройства 33, головки анализатора 24, наблюдательной трубки 28, наглазника 30.

Головка анализатора и поляризационное устройство закреплены на концах корпуса кюветного отделения 21.

Поляризационное устройство состоит из защитного стекла 20, хроматической фазовой пластинки 19, линейного поляризатора 18, конденсора 17 и светофильтра 16. Линейный поляризатор и хроматическая фазовая пластинка крепятся жестко в оправах.

Головка анализатора 24 состоит из втулки 22, линейного поляризатора 23, корпуса 27, фланца 32.

Лимб 26 закреплен на цилиндрическом зубчатом колесе. На лимбе нанесена 360-градусная шкала с ценой деления 0,5°.

На корпусе 25 закреплены нониусы отсчётных устройств 34, 36, расположенные диаметрально. Каждый нониус имеет 23 деления. Величина отсчета по нониусу 0,02°. Вращение лимба осуществляется ручкой 31.

Наблюдательная трубка 28 состоит из объектива 25, диафрагмы и окуляра. Вращением втулки 29 наблюдательная трубка устанавливается на резкое изображение линии раздела поля зрения.

В наглазнике 30 жестко закреплены две лупы 35, через которые снимаются отсчёты со шкалы лимба и отсчётного устройства.

 

Рис. 6. Общий вид поляриметра в разрезе.

 

4.2.3. Кювета (рис. 7) состоит из стеклянной трубки с втулками 53, покровных стекол 54, прокладок 55, втулок 56 и гаек 51, 52.

Рис. 7. Кювета

 

На стеклянной трубке 53 имеется выпуклость, необходимая для сбора пузырьков воздуха. На трубке кюветы нанесена ее фактическая длина между торцами.

4.4. Принцип действия

В поляриметре применен принцип уравнивания яркостей, разделённого на части поля зрения. Разделение поля зрения на части осуществлено введением в оптическую систему поляриметра хроматической фазовой пластинки. Яркости полей сравнения уравнивают вблизи полного затемнения поля зрения. Плоскости поляризации поляризатора и анализатора при равенстве минимальных яркостей полей сравнения составляют угол 86,5°.

Свет от лампы, пройдя через конденсор и поляризатор, одной частью пучка проходит через хроматическую фазовую пластинку, защитное стекло, кювету и анализатор, а другой частью пучка только через защитное стекло, кювету и анализатор. Вид поля зрения поляриметра см. на рис. 9.

Уравнивание яркостей полей сравнения производят путем вращения анализатора. Если между анализатором и поляризатором ввести кювету с оптически активным раствором, то равенство яркостей полей сравнения нарушается. Оно может быть восстановлено поворотом анализатора на угол, равный углу поворота плоскости поляризации раствором (рис. 10).

Следовательно, разностью двух отсчетов, соответствующих равенству яркостей полей сравнения с оптически активным раствором и без него, определяется угол вращения плоскости поляризации данным раствором.

По углу вращения плоскости поляризации возможно определение концентрации оптически активных веществ. Для большинства оптически активных веществ удельное вращение мало зависит от концентрации и угол вращения пропорционален концентрации:

(1)

где — угол вращения плоскости поляризации в градусах; - удельное вращение измеряемого оптически активного вещества для длины волны 589 нм и при температуре 20°С; L - длина кюветы в дм; С - концентрация в г/см³.

Зная угол вращения плоскости поляризации в градусах, можно определить концентрацию вещества в г/см³:

(2)

При измерении на поляриметре угла вращения плоскости поляризации правовращающими оптически активными растворами отсчёты по шкале первого отсчетного устройства и лимбу будут от 0 до 35°.

При измерении угла вращения плоскости поляризации левовращающими оптически активными растворами отсчеты по шкале первого отсчетного устройства и лимбу будут от 360 до 325°, величина угла вращения определяется: отсчет по шкале первого отсчетного устройства и лимбу минус 360°.

При необходимости можно проводить измерения углов вращения плоскости поляризации более ±35°. Погрешность измерения в данном случае может быть определена экспериментально, путем определения по результату измерения удельного вращения вещества и сравнения его со справочными данными

(3)