Графики

Графики выполняются на миллиметровой бумаге и вклеиваются в отчет. (Оформление графиков приведено на 57 – 59с данного пособия).

Выводы по результатам работы: Вывод должен отражать понимание студента на основе полученных и расчетных значений сути изучаемого явления или закона, а не написан по цели лабораторной работы. Какие–либо сокращения в выводе не допускаются.

Выполнил:

Методические указания к выполнению лабораторных работ

по курсу “Физика”,

раздел “Оптика”, “Физика твердого тела”

УДК 535 + 539.2

Лабораторная работа №1

Исследование явления вращения плоскости поляризации с помощью поляриметра

Цель работы: 1.Познакомиться с устройством и работой поляриметра.

2.Исследовать зависимость угла поворота плоскости поляризации от длины световой волны (вращательную дисперсию).

Приборы и принадлежности: Поляриметр, осветитель, светофильтры, растворы.

Краткая теория

С точки зрения волновой теории свет представляет собой электромагнитную волну, т.е. суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Следовательно, в каждый данный момент ее можно представить в виде 3-х взаимно перпендикулярных векторов рис.1. Вектора напряженности E электрического поля (или светового вектора), вектора напряженности H магнитного поля и вектора направления распространения волны (или вектора скорости V ).

рис.1

Вектор напряженности E электрического поля, вектор напряженности H магнитного поля и вектор скоростиV связаны правилом правого винта. Если вращать винт по направлению от вектора напряженности E электрического поля к вектору напряженности H магнитного поля, то поступательное движение винта совпадет с направлением распространения световой волны (вектором скорости V ).

Вектор Е (а, следовательно, и H) может принимать все возможные направления, лежащие в их плоскости, перпендикулярной к OV. Плоскость, содержащая векторы Е и V, называется плоскостью световых колебаний. Эта плоскость меняет свое положение относительно оси OV. При этом конец вектора описывает сложную кривую. Если плоскость световых колебаний меняет свое положение хаотически, то такой свет называется естественным.

Если из всей этой совокупности положений плоскостей световых колебаний выделить положение с определенным направлением световых колебаний (все остальное погасить), то такой свет будет называться плоскополяризованный (линейно поляризованным). Плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоскополяризованной волны и направление распространения этой волны, называется плоскостью поляризации.

Процесс, в результате которого удается выделить определенное направление колебаний светового вектора Е, называется поляризацией света, а прибор для получения такого света называется поляризатором.

В основе работы поляризационных приборов, служащих для получения поляризованного света, лежит явление двойного лучепреломления. Наиболее часто для этого применяются призмы и поляроиды. Призмы делятся на два класса:

1. призмы, дающие только плоскополяризованный луч (поляризационные призмы);

2. призмы, дающие два поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях луча (двоякопреломляющие призмы).

В качестве поляризатора может служить призма Николя, поляроиды, изготовленные из мелких кристаллов турмалина, геропатита, нанесенных на целлулоидную пленку, кристаллы кварца.

Основные свойства всех этих приспособлений заключаются в том, что они могут пропускать световые волны, электрический вектор напряженности которых колеблется в строго определенных направлениях. Это направление называется главным или оптической осью. Таким образом, падающий естественный свет, проходя сквозь поляроид, становится плоскополяризованным. Но отличить плоскополяризованный свет от естественного невозможно. Для обнаружения плоско-поляризованного света служит второй поляроид (анализатор). Анализатор может пропускать только те колебания, которые совпадают с его главным направлением (оптической осью кристалла).

Если главное направление поляризатора и анализатора совпадают, то интенсивность проходящего света будет максимальной. Если же анализатор повернуть таким образом, что его главное направление составит угол 90° с главным направлением поляризатора, то интенсивность проходящего света будет равна нулю. Такое положение поляроидов называется скрещенным.

Если главные направления поляроидов составляют между собой угол  – интенсивность проходящего света будет принимать промежуточные значения. Используя закон французского физика Э. Малюса интенсивность света, прошедшего через два поляризатора,

.

Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлектриков, то часть его отражается, а часть преломляется и распространяется во второй среде. Устанавливая на пути отраженного и преломленного лучей анализатор (например, турмалин), можно убедится в том, что отраженный и преломленный лучи частично поляризованы: при вращении анализатора вокруг лучей интенсивность света периодически усиливается и ослабевает (полного гашения не наблюдается). Дальнейшие исследования показали, что в отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения, а в преломленном – колебания, параллельные плоскости падения.

Степень поляризации зависит от угла падения лучей и показателя преломления. Шотландский физик Д. Брюстер установил закон, согласно которому если свет падает на границу раздела двух сред под углом Брюстера i_В, то отраженный луч является плоско поляризованным (содержит только колебания, перпендикулярные плоскости падения), а преломленный луч поляризуется максимально, но не полностью, причем отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны и определяется

tgi_В=n₂₁

где n₂₁ – показатель преломления второй среды относительно первой.

Степень поляризации преломленного света может быть значительно повышена многократным преломлением при условии падения света каждый раз на границу раздела под углом Брюстера. Такая совокупность пластинок называется стопой.

Некоторые вещества, получившие название оптически активных, обладают свойством поворачивать плоскость поляризации света, когда он распространяется вдоль оптической оси. Этим свойством обладают как твердые тела (кварц, сахар, киноварь), так и жидкие (водный раствор сахара, винная кислота, скипидар, нефть).

Опыт показал, что все вещества, оптически активные в жидком состоянии, обладают таким же свойством и в кристаллическом состоянии. Однако если вещества активны в кристаллическом состоянии, то не всегда активны в жидком (например, расплавленный кварц). Следовательно, оптическая активность обуславливается как строением молекул вещества (их асимметрией), так и особенностями расположения частиц в кристаллической решетке. Впоследствии М. Фарадеем было обнаружено вращение плоскости поляризации в оптически неактивных телах, возникающее под действием магнитного поля.

Направление вращения плоскости поляризации лучей определяют по отношению к лучу, который идет к наблюдателю, причем вращение называется правым или положительным, если плоскость поляризации такого луча поворачивается по ходу часовой стрелки, а левым – отрицательным, если плоскость поляризации вращается против часовой стрелки.

Угол поворота плоскости поляризации , пропорционален толщине d вращающего оптически активного вещества и для кристаллов и чистых жидкостей

 = d,

для оптически активных растворов

 = []Сd ,

где d – расстояние, пройденное светом в оптически активном веществе;

,[] – коэффициент пропорциональности, называемый удельное вращение;

С – массовая концентрация оптически активного вещества в растворе, кг/м³.

Удельное вращение, численно равное углу поворота плоскости поляризации света слоем оптически активного вещества единичной толщины (для растворов – единичной концентрацией), зависит от химической природы вещества, температуры и очень сильно зависит от длины волны света в вакууме, т.е. обладает дисперсией.

Вращение плоскости поляризации быстро возрастает с уменьшением длины волны, так для кварца при 1мм толщины угол вращения равен приблизительно: для красных лучей 15,5°, для желтых – 23°, для фиолетовых – 51°

Простейшая установка для наблюдения вращения плоскости поляризации рис.2. состоит из источника света S, двух призм Николя, поляризатора П, анализатора А и камеры Т в которую помещают кюветы с исследуемыми растворами. Пусть при отсутствии раствора в кювете анализатор повернут так, что свет полностью гасится (призмы Николя скрещены). Если кювету заполнить раствором активного вещества, то вследствие вращения плоскости колебаний данным оптически активным раствором наступит просветление поля зрения.

рис.2

Угол, на который нужно повернуть анализатор для полного затемнения, равен углу вращения плоскости колебаний вектора.

При освещении белым светом вращение анализатора, ни при каком угле поворота не приводит к полному погашению поля, а лишь изменяет цвет пропускаемых лучей.

Следует заметить, что определение угла поворота плоскости поляризации с помощью двух установок на темноту без активного вещества и с ним довольно неточно и обычно заменяется специальным устройством – полутеневым анализатором

Полутеневой анализатор можно получить из обычной поляризационной призмы. Пусть она пропускает свет с плоскостью колебаний АА (рис.3а). Если плоскость колебаний падающего света перпендикулярна АА, то поле зрения будет совершенно темным.

Призму разрезают вдоль АА, от каждой стороны сошлифовывают по клинообразному слою в 2,5° и склеивают (рис.3б). Тогда левая половина призмы будет полностью пропускать колебания в направлении АА₂. Если оба луча пропустить через анализатор, у которого плоскость колебаний перпендикулярна к АА, то луч половины 1 будет погашен, поле зрения в этой половине будет темной окраски, тогда как часть света половины 2 будет пропущена анализатором, поле этой половины будет светлой окраски.

а) б)

рис.3

Можно получить обратную картину. Обе половины будут иметь одинаковую окраску, при положении плоскости колебаний анализатора перпендикулярно АА.

Устанавливая полутеневой анализатор вместо второго Николя (рис.2), можно получить удобный для пользования поляриметр.