ПОЛЯРИЗАЦИЯ
Л АБОРАТ ОРНАЯ РАБОТ А № 7–6
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЗАКОНА МАЛЮСА (НА УСТАНОВКЕ МУК-О)
Цель работы: проверить экспериментально закон Малюса. Приборы и принадлежности: модульный лабораторный учеб-
ный комплекс МУК-О.
Краткая теория
Свет является электромагнитной волной, т. е. волной, в которой происходят колебания векторов напряженности электрического поля E и напряженности магнитного поля H . Электромагнитная волна поперечная, так как колебания напряженностей E и H перпендикулярны направлению ее распространения (рис. 6.1). Таким образом, три вектора E , H и скорость распространения волнового фронта V взаимно перпендикулярны и образуют правовинтовую тройку векторов. Как показывает опыт, физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются колебаниями напряженности электрического поля. Поэтому вектор напряженности электрического поля E принято называть световым вектором. В дальнейшем будем говорить только о векторе E (направление вектора H всегда можно определить, зная направление E ).
Рис. 6.1
36
Естественный свет, т. е. свет, испускаемый обычными световыми источниками, есть совокупность световых волн со всевозможными направлениями колебаний напряженности электрического поля E , перпендикулярными к направлению распространения света, быстро и беспорядочно сменяющими друг друга (рис. 6.2).
Свет, направление колебаний в котором упорядочено каким-либо образом, называют поляризованным. Свет, в котором имеется
единственное направление колебаний напряженности E (а следовательно, и H ), называют плоскополяризованным. При этом плоскость, в которой колеблется вектор напряженности электрического поля E , называется плоскостью поляризации.
Для получения плоскополяризованного света используют специальные устройства, называемые поляризаторами. Существует много типов таких устройств: кристаллы, стеклянные призмы, поляроиды. Их действие основывается на поляризации света при его отражении и преломлении на границе раздела двух диэлектрических сред, а также на явлении двойного лучепреломления и дихроизме.
Глаз человека не различает степени поляризации света, поэтому во всех исследованиях по поляризации необходимо иметь тот или иной анализатор. Анализ поляризованного света осуществляется с помощью поляризационных приборов. Если поляризационный прибор используется для получения поляризованного света, то он называется поляризатором. При использовании прибора для анализа поляризованного света его называют анализатором.
Рассмотрим прохождение естественного света последовательно через два идеальных поляроида П1 и П2, плоскости которых развернуты на некоторый угол φ (рис. 6.3). На рисунке xx′, yy' – плоскости поляроидов, т. е. каждый из поляризаторов пропускает только колебания вектора напряженности E , происходящие в указанной плоскости.
Вектор EП световой волны после первого поляроида будет параллелен xx′, а интенсивность JП составит половину интенсивности естественного света Jест:
JП = |
Jест |
. |
(6.1) |
|
2 |
||||
|
|
|
37
Рис. 6.3
Этот поляроид называют поляризатором, так как после него естественный свет стал поляризованным. При вращении поляризатора вокруг направления естественного луча интенсивность прошедшего света остается одной и той же, изменяется лишь ориентация плоскости колебания света, выходящего из прибора. Второй поляроид служит для анализа падающего на него света. После второго поляроида останется лишь вектор EА , параллельный его плоскости yy', EА = EП cosϕ.
Так как интенсивность света J ~ E 2 , то после второго поляроида интенсивность будет равна
JА = JП cos2 ϕ = |
1 |
Jест cos2 ϕ. |
(6.2) |
|
2 |
|
|
Полученное соотношение между интенсивностями носит название закона Малюса. Интенсивность света будет максимальной в том случае, когда φ = 0 (плоскости поляризатора и анализатора парал-
лельны). При φ = π2 (говорят, что поляризатор и анализатор скреще-
ны) интенсивность света на выходе из анализатора равна нулю, т. е. скрещенные поляризаторы света не пропускают. Таким образом, интенсивность прошедшего света будет изменяться в пределах от Jmin
до Jmax , причем переход от одного из этих значений к другому будет совершаться при повороте на угол, равный π2 .
Реально прохождение света через анализатор и поляризатор связано с потерями световой энергии, т. е. свет при выходе из них имеет
38
интенсивность меньшую, чем J2ест . Отношение интенсивности света,
реально выходящего из поляризатора (или анализатора), к интенсивности выходящего света при отсутствии потерь можно назвать коэффициентом пропускания k. Следовательно, если и в поляризаторе, и в анализаторе присутствуют потери, то интенсивность естественного света после прохождения поляризатора и анализатора будет определяться соотношением
J = |
1 |
JестkПkА cos2 ϕ, |
(6.3) |
|
2 |
|
|
где kП и kА – коэффициенты пропускания поляризатора и анализатора соответственно.
Порядок выполнения работы
1.По приложению к лабораторной работе ознакомьтесь с устройством оптического блока (см. приложение).
2.Выведите из рабочей зоны оптические узлы 4, 5, 6, 7 (см. приложение) за исключением защитного экрана 3, плавно поворачивая их
влевую сторону до упора. Установите турель 2 таким образом, чтобы свет от лампы проходил через свободное отверстие, предусмотренное
вэтой турели.
3.Убедитесь что кнопки 17, 25 отжаты и включите электропитание установки кнопкой 22 «Сеть».
ВНИМАНИЕ! Запрещается вставлять и вынимать вилку питания при нажатой кнопке «Сеть».
4.Включите кнопкой 25 источник белого света.
5.Нажатием кнопки 19 подключите фотоприемник белого све-
та 23 с длиной волны λ1 = 0,65 мкм (соответствующее значение должно отобразиться на индикаторе 21) .
6.Поверните ручку 18 в крайнее правое положение, тем самым выбрав максимальную чувствительность фотоприемника 23. Вращая ручку 15, установите напряжение на лампе накаливания таким образом, чтобы показание фотоприемника было максимальным. При этом нельзя допускать перегрузки индикатора (на цифровом индикаторе 20 гаснут все цифры, кроме единицы).
39
7.Между источником света 1 и электронным блоком 11 путем поворота турели 4 поместите поляризатор П. Убедитесь, что свет от источника, проходя поляризатор, попадает на экран наблюдения (лист бумаги, помещенный на корпус электронного блока). Вращая поляризатор, пронаблюдайте, имеют ли место какие-либо изменения интенсивности. Сделайте вывод.
8.Установите между поляризатором и экраном наблюдения анализатор А, повернув турель 7. Вращая анализатор, пронаблюдайте изменение интенсивности света. Сделайте вывод.
9.Уберите с верхней крышки электронного блока экран наблюдения (лист бумаги) и освободите входное окно фотоприемника 23. Уберите анализатор и поляризатор, повернув турели 4 и 7 так, чтобы свет беспрепятственно достигал окна фотоприемника, и определите значение относительной интенсивности света непосредственно от ис-
точника Jест по показаниям индикатора 20, результат запишите
в табл. 6.1. При дальнейших измерениях нельзя менять чувствительность фотоприемника и напряжение накала лампы источника света.
10.Верните в рабочее положение поляризатор поворотом турели 4. Снимите и запишите в табл. 6.1 относительную интенсивность
света, прошедшего через поляризатор JОП по показаниям индикатора 20. Уберите поляризатор.
11.Верните в рабочее положение анализатор поворотом турели 7. Снимите и запишите в табл. 6.1 относительную интенсивность света, прошедшего через анализаторJОА по показаниям индикатора 20.
12.Не убирая анализатор, вновь верните в рабочее положение поляризатор поворотом турели 4 (естественный свет должен проходить последовательно через поляризатор и анализатор).
13.Установите угол поворота поляризатора на значение αП = 0° (φ = –90°).
14.Вращая анализатор, добейтесь наибольшего погашения света, при этом на индикаторе 20 должно установиться минимальное значение относительной интенсивности света Jэксп, проходящего через П
иА. Запишите показания Jэксп в табл. 6.2.
15.Поворачивая шкалу поляризатора через каждые 15°, запиши-
те полученные с индикатора 20 показания Jэксп в табл. 6.2. Угол пово-
40