Описание установки и методика проведения эксперимента

ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА ПРИ ОТРАЖЕНИИ И ПРЕЛОМЛЕНИИ НА ГРАНИЦЕ ДВУХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Методические указания к лабораторной работе № 18

по физике

 

(Раздел «Оптика»)

 

Ростов-на-Дону 2011

 

Составители: д.т.н., проф. С.И. Егорова,

к.т.н., доц. И.Н. Егоров,

к.ф.-м.н., доц. Г.Ф. Лемешко.

 

УДК 530.1

 

«Изучение поляризации света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков»: Метод. указания. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2011. - 12 с.

 

 

Указания содержат краткое описание рабочей установки, принцип действия гониометра и методику получения поляризованного света. Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения в лабораторном практикуме по физике (раздел «Оптика»).

 

 

Печатается по решению методической комиссии факультета «Нанотехнологии и композиционные материалы»

 

 

Научный редактор проф., д.т.н. В.С. Кунаков

 

 

© Издательский центр ДГТУ, 2011

 

Цель работы: 1. Изучить поляризацию света при отражении от диэлектрика. Определить угол Брюстера при падении света на диэлектрическую пластину.

2. Проверить справедливость закона Малюса.

3. Определить показатели преломления ди­электриков по углу полной поляризации.

 

Оборудование: Гониометр, осветитель с блоком питания, поляроид, вентильный фотоэлемент, гальванометр, набор диэлектриков, стопа стеклянных пластин.

 

Краткая теория

 

Поляризация света обусловлена поперечностью электромагнитных волн. Это значит, что векторы напряжённостей электрического и магнитного полей взаимно перпен­дикулярны и колеблются синфазно перпендикулярно вектору скорости (перпендикулярно лучу).

Для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение одного из векторов. При действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая, поэтому все рассуждения ведутся относительно вектора , который называется световым вектором.

Свет, в котором колебания векторов и равновероятны по всем направлениям, называется естественным.

Свет, в котором колебания светового вектора упорядочены каким-то образом, называется поляризованным. В частности, если колебания происходят в одной плоскости, перпендикулярной лучу, свет называется плоскополяризованным.

Если появляется преимущественное направление колебаний, то свет называется частично поляризованным.

Степень поляризации определяется формулой

, (1)

где и - соответственно максимальная и минимальная интенсивности света, соответствующие двум взаимно перпендикулярным компонентам вектора . Для естественного света и , для плоскополяризованного и .

При падении естественного света на границу двух диэлектриков отражённый и преломленный лучи всегда частично поляризованы. В отраженном луче преобладают колебания светового вектора, перпендикулярные плоскости падения, в преломленном – колебания, параллельные плоскости падения. Степень поляризации отражённого луча зависит от угла падения и относительного показателя преломления.

Согласно закону Брюстера при падении света на границу двух диэлектриков под углом, тангенс которого равен относительному показателю преломления второй среды относительно первой, отражённый луч полностью поляризован (содержит только колебания, перпендикулярные плоскости падения). При этом преломленный луч поляризуется максимально, но не полностью.

, (2)

где - угол Брюстера, т.е. угол полной поляризации. В этом случае направления прошедшего и отражённого лучей взаимно перпендикулярны.

Степень поляризации преломленного света может быть значительно повышена путем многократного преломления при условии падения света каждый раз на границу раздела под углом Брюстера. Например, после преломления на стопе стеклянных пластин, называемой «стопа Столетова».

Если плоскополяризованный свет, интенсивностью проходит через поляризатор, то его интенсивность определяется законом Малюса:

, (3)

где - угол между плоскостью колебания светового вектора в луче и плоскостью поляризации поляризатора.

Описание установки и методика проведения эксперимента

Принципиальная схема установки (рис. 1) для изучения поляризации света при отражении, состоит из гониометра, осветителя с блоком питания, диэлектрической пластины или стопы стеклянных пластин, поляроида, фотоэлемента, гальванометра.

Принцип работы установки основан на применении закона Брюстера к плоскополяризованному свету. Естественный (неполяризованный) луч от источника света 1, проходя через поляроид 2, становится плоскополяризованным, попадая на пластинку диэлектрика 3 и отражаясь, достигает фотоэлемента 4.

Для регистрации интенсивности света, отраженного от диэлектрика, используется вентильный фотоэлемент 4. Фототок пропорционален интенсивности падающего на фотоэлемент света. Величину фототока регистрируют гальванометром. Если вращением поляроида 2 вокруг горизонтальной оси добиться условия, при котором световой вектор волны, падающей на диэлектрик, лежит в плоскости падения, то при угле падения, равном углу Брюстера, отраженный свет будет отсутствовать.

 

Рис. 1

Гониометр предназначен для установки объектов с возможностью поворота вокруг вертикальной оси, а также отсчета углов падения и отражения света. Лимб гониометра 5 состоит из трёх дисков одинакового диаметра, закреплённых на вертикальной оси. К среднему неподвижному диску прикреплён кронштейн 6, на котором в гнёзда 7 и 8 устанавливаются осветитель 1 и поляроид 2. Поляроид закреплен в оправе с лимбом, которую с помощью винта 9 можно поворачивать вокруг горизонтальной оси.

Верхний и нижний диски свободно вращаются относительно вертикальной оси. К нижнему диску прикреплён кронштейн 10, в гнёзда которого 11 и 12 устанавливаются поляроид 2 и вентильный фотоэлемент 4. На верхнем диске во вращающейся ширме 13, устанавливают исследуемый диэлектрик 3.

Угловые координаты указателей верхнего и нижнего дисков отсчитывают по шкале, нанесённой на среднем диске.

Интенсивность отражённого света оценивается по фототоку, протекающему через гальванометр.

Поскольку фототок () пропорционален интенсивности света (), формулу (1) можно записать в виде

. (4)

Величину тока в цепи лампы осветителя, а следовательно и интенсивность естественного света, регулируют реостатом, установленном в блоке питания.

Экспериментальная часть

ЗАДАНИЕ 1. Определение направления плоскости поляризации поляроида, угла Брюстера и показателя преломления непрозрачного диэлектрика.

1. Установить поляроид 2 между осветителем 1 и диэлектриком 3 в гнездо 8 (рис. 1).

2. Включить питание осветителя.

3. Установить с помощью кронштейна 6 угол падения луча .

4. Поворачивая кронштейн 10 гониометра, установить на лимбе гониометра угол (поскольку угол падения равен углу отражения).

5. Плавно поворачивая поляроид 2 вокруг горизонтальной оси, следует добиться минимальной интенсивности отраженного луча, то есть найти положение, при котором показания гальванометра (величина фототока) минимальны. Это значит, что в отражённой световой волне колебания вектора происходят в плоскости падения.

6. Изменяя угол падения (через ) в интервале от 40 до 75 градусов измерить для каждого угла величину фототока . Результаты занести в таблицу 1. При этом каждый раз кронштейн 10 устанавливать на угол .

7. Повторить измерения пункта 6, определив фототоки и .

8. Определить средние значения фототоков

9. Построить график зависимости фототока от угла падения света .

10. Определить по графику угол поворота образца, при котором достигается минимальное значение фототока, что соответствует углу Брюстера .

11. По формуле (2) вычислить показатель преломления диэлектрика.

Таблица 1

 

	град.
	мкА
	мкА
	мкА
	мкА

 

ЗАДАНИЕ 2. Определение степени поляризации отражённого света

1. Установить поляроид 2 на пути отражённого луча в гнездо 11 кронштейна 10 (рис. 1).
2. Изменяя угол падения (через ) в интервале от 40 до 75 градусов измерить для каждого угла величину максимального и минимального фототока. Результаты занести в таблицу 2.
3. По формуле (4) для каждого угла падения вычислить степень поляризации.
4. Построить график зависимости степени поляризации от угла падения света .

Таблица 2

 

	град.
	мкА
	мкА
	--

 

ЗАМЕЧАНИЕ: По заданию преподавателя можно повторить все упражнения для прозрачного диэлектрика и в проходящем свете для стопы Столетова.

 

ЗАДАНИЕ 3. Проверка закона Малюса

 

1. Установить поляроид 2 на пути отражённого луча в гнездо 11 кронштейна 10 (рис. 1).
2. Установить с помощью кронштейна 6 угол падения луча, равный углу Брюстера (), полученного в первом задании.
3. Вращая поляроид вокруг отражённого луча (горизонтальной оси), добиться максимального отклонения стрелки гальванометра. Угол на лимбе, соответствующий , считать началом отсчета углов. Принимаем значение угла по лимбу поляроида за нулевое, а .
4. Поворачивая от этого угла поляроид через каждые в пределах полного оборота, т.е. до , измерить показания гальванометра () для всех углов и занести их в таблицу 3.

Таблица 3

 

град.	мкА	мкА	мкА	мкА	-	-
0°
20°						0,88
40°						0,59
60°						0,25
80°						0,03
100°						0,03
120°						0,25
140°						0,59
160°						0,88
180°
200°						0,88
220°						0,59
240°						0,25
260°						0,03
280°						0,03
300°						0,25
320°						0,59
340°						0,88
360°

1. Повторить эти измерения ещё 2 раза. Найти , . Определить средние значения фототоков .
2. Вычислить отношение , учитывая, что при .
3. На заготовленной координатной сетке в полярных координатах построить график экспериментальной зависимости . Для этого надо выбрать начало отсчёта, и из него провести радиус-векторы через каждые , начиная с до . На каждом радиус-векторе отложить отрезки, равные величине при данном угле в некотором масштабе.
4. На этом же чертеже построить теоретическую зависимость .
5. Сравнить теоретическую и экспериментальную зависимости и сделать выводы.

Контрольные вопросы

 

1. Что представляет собой свет с точки зрения электромагнитной теории?
2. Чем отличается поляризованный свет от естественного?
3. Какой свет называется плоскополяризованным?
4. Сформулируйте закон Малюса.
5. Сформулируйте закон Брюстера.
6. Что называется степенью поляризации?
7. Какие способы получения поляризованного света вы знаете?

Рекомендуемая литература

1. Трофимова Т. И. Курс физики.- М.: Высш. шк., 2004

2. Федосеев В. Б. Физика,- Ростов н/Д: Феникс, 2009

3. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике.-М.:Наука, 2006

 

Составители: д.т.н., проф. С.И. Егорова,

к.т.н., доц. И.Н. Егоров,

к.ф.-м.н., доц. Г.Ф. Лемешко.