Поляризация

7. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3-35 ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА

Цели работы: изучение явления поляризации света, экспериментальная проверка закона Брюстера и закона Малюса.

Приборы и принадлежности: модульный учебный комплекс МУК-О.

Методика эксперимента

Лабораторная работа выполняется на модульном учебном комплексе МУК-О. Перед началом работы необходимо ознакомиться с теорией эффекта Брюстера (разделы 2 и 4), с описанием комплекса, инструкцией по его эксплуатации и техники безопасности. Описание комплекса приведено в Приложении 4.

Задание 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛА БРЮСТЕРА ДЛЯ СТЕКЛА

1.Установите турель 2 в положение так, чтобы луч света 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 по ходу луча турель 6 со стеклянной пластинкой и матовой вертикальной шкалой.

6.Поворачивая стеклянную пластинку в турели 6 вокруг горизонтальной оси, с помощью расположенных на её оси ручек, и наблюдая за изменением интенсивности света на вертикальном матовом экране, установите стеклянную пластинку под углом Брюстера. При угле падения равном углу Брюстера отражённый луч будет или отсутствовать или его интенсивность

51

будет минимальной в случае не сто процентной линейной поляризации света в плоскости падения.

7.Подкорректируйте поляризацию луча поляризатором 4 и уточните положение стеклянной пластинки под углом Брюстера.

8.Определите по шкале численное значение полученного угла αБр .

9.Отключите лазерный источник. (Время работы лазерного источника не должно превышать 15 минут, чтобы избежать перегрева.)

10.Вычислите показатель преломления стекла, из которого изготовлена пластинка, пользуясь измеренным значением угла Брюстера и законом Брюстера (1)

tgα	Бр	=n	21	= n2 .	(1)
				n1
где n1 - показатель преломления воздуха, n2					- показатель преломления

стекла.

11. Оцените погрешность и запишите результат в формате: n = n ± ∆n .

Задание 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ПОЛЯРИЗАЦИИ ПРЕЛОМЛЁННОГО БЕЛОГО СВЕТА

1.Поверните турель 2 вправо на одно положение так, чтобы свободное отверстие турели установилось напротив окна фотоприёмника белого света. Удалите с оптической оси все установленные ранее объекты.

2.Включите лампу накаливания кнопкой 25 на электронных блоках.

3.Кнопкой переключения фотоприемников 19 с индикаторами факта

подключения 21 включите фотоприёмник белого света с рабочим диапазоном λ = 0,4 ÷0,9 мкм., и уберите с верхней крышки электронного блока

экран наблюдения.

4. Ручкой 15 источника питания лампы накаливания установите оптимальную для наблюдения интенсивность белого света

5. Регулируя чувствительность фотоприёмника ручкой 18 установки «Jmax» и ручкой 15 управления напряжением питания электролампы белого источника добейтесь максимальных показаний фотоприёмника по цифровому индикатору интенсивности излучения 20. При этом важно не допускать «зашкаливания» фотоприёмника, когда на индикаторе гаснут все цифры, кроме единицы.

6. Установите на оптическую ось турель 6, не меняя положение стеклянной пластинки, установленной ранее в первом задании под углом Брюстера.

52

7.Установите между турелью 6 со стеклянной пластинкой и окном фотоприемников турель с анализатором 7.

8.Поворачивая анализатор 7 вокруг оптической оси, установите визуально максимальную интенсивность на экране наблюдения (листе бумаги). Уберите лист бумаги.

9.Вращая анализатор 7, зафиксируйте и запишите максимальное Imax и

минимальное Imin значения интенсивности света.

10.Отключите лампу накаливания кнопкой 25.

11.Вычислите степень поляризации частично поляризованного света, преломленного стеклянной пластинкой по формуле (2):

P =	Imax − Imin	.	(2)
	Imax + Imin

Задание 3

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА МАЛЮСА

1.Удалите с оптической оси турель 6. Турель 2 поверните в централь-

ное положение соответствующее оптической оси лазерного источник. Установите на оптическую ось поляризатор 4 в положение α = 0 и анализатор 7

2.Включите кнопкой 17 лазерный источник света.

3.Кнопкой переключения фотоприемников 19 с индикаторами факта подключения 21 включите фотоприемник лазерного излучения с диапазоном длин волн λ = 0, 4 ÷1, 2мкм . Убедитесь, что цифровой индикатор отно-

сительной интенсивности принимаемого излучения работает во всём диапазоне углов поворота анализатора 7, и отсутствует «зашкаливание», когда на табло горит только одна единица.

4.Установите анализатор 7 в положение α = 0 . Регулируя чувствитель-

ность фотоприёмника ручкой 18 установки «Jmax» и в случае необходимости поворотом поляризатора 4 добейтесь показаний цифрового индикатора максимально близкого к единице.

5.Снимите зависимость показаний фотоприёмника от угла поворота анализатора в интервале углов от 0° до 90° с шагом в десять градусов. Данные занесите в таблицу 1.

53

							Таблица 1
ϕ0	0°	10°	20°	30°	40°	50°	60°	70°	80°	90°
I Imax
cos2 α

6. Постройте на одном графике две зависимости: экспериментальную

IImax = f (α) и теоретическую cos2 α = f (α), ожидаемую по закону Малюса. Сравните их и сделайте выводы.

Контрольные вопросы

1.Нарисуйте оптические схемы опытов для наблюдении эффекта Брюстера, проверки закона Малюса и прохождения света через анизопропное 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.

54

8. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3-36 ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЛИПТИЧЕСКОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА

Цель работы: Изучение прохождения света через кристаллическую пластинку.

Приборы и принадлежности: модульный учебный комплекс МУК-О.

Методика эксперимента

Лабораторная работа выполняется на модульном учебном комплексе МУК-О. Перед началом работы необходимо ознакомиться с теорией основных эффектов кристаллооптики и двойного лучепреломления (раздел 5), с описанием комплекса, инструкцией по его эксплуатации и техники безопасности. Описание комплекса приведено в Приложении №4.

Задание 1

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

( αп 0°).

5. Установите на оптическую ось анализатор 7 и, поворачивая его во-

круг оси, снова добейтесь максимальной интенсивности света на экране

( αa 0°).

6. Снимите экран и настройте комплекс для измерения относительной интенсивности лазерного излучения. Для этого включите широкополосный

55

фотоприемник лазерного излучения с диапазоном длин волн λ = 0, 4 ÷1, 2мкм 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 «Jmax» уточните значение максимума относительной интенсивности IImax =1,00 . В случае необходимости поворотом поляризатора 4 и анали-

затора 7 добейтесь показаний цифрового индикатора максимально близкого к единице. При этом положение поляризатора и анализатора должны соответствовать αп 0°и αa 0°.

8. «Скрестите» поляризаторы (αа =90°), 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.

ϕ0 0° 10° …… 90° …… 180° 190° ….. 350° 360°

IImax

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 αп = 45° и, поворачивая кри-

сталлическую пластинку, повторите измерения через каждые 10º во всём диапазоне углов поворота пластинки. Данные занесите в таблицу 2.

56

Таблица 2.

ϕ0 0° 10° …… 90° …… 180° 190° ….. 350° 360°

IImax

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.

57

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.

58

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

59

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, lx , 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 lx (без насадок), расширяющем возможности измерения, - ±30 % от значения измеряемой освещенности.

Увеличение допускаемой погрешности при переходе с основного диапа-

зона 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 люкс-

метра соответствуют величинам, указанным в табл. 2.

		Таблица 2
Угол падения	Предел допускаемой дополнительной косинусной погреш-
света	ности, % от значения измеряемой освещенности, не более
	с насадками	без насадок
		10
60° 80°	+7 +15	Не нормируется

Допускаемое изменение показаний люксметра при переходе от измере-

ния 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 nm ) такой же, как и у абсолютного черного излучатели при температурах 2800, 4800 и 6500 К.

60