12_Закон Малюса

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Российский государственный профессионально-педагогический университет» Институт электроэнергетики и информатики

Кафедра общей физики

Задания и методические указания для выполнения лабораторной работы № 12

по дисциплине «Физика»

для студентов всех форм обучения направления подготовки 051000.62 Профессиональное обучение

(по отраслям)

Екатеринбург

РГППУ

2013

Задания и методические указания для выполнения лабораторной работы № 12 по дисциплине «Физика». Екатеринбург, ФГАОУ ВПО «Рос. гос. проф.-пед. университет», 2013. 22 с.

Составитель: к.ф.-м.н., доцент Конев С.Н.

Одобрены на заседании кафедры общей физики ЭлИн. Протокол № 1 от 10.09.2013 г.

Заведующий кафедрой ОФ

канд.физ.-мат. наук, доцент

С.В. Анахов

Рекомендованы к печати научно-методической комиссией института электроэнергетики и информатики РГППУ. Протокол №1 от 14.10. 2013 г.

Председатель научно-методической
комиссии ЭлИн	А.О. Прокубовская

© ФГАОУ ВПО «Российский

государственный профессионально-

педагогический университет», 2013

© Конев С.Н., 2013

2

Цель лабораторной работы:

изучение явления поляризации света. Задачи лабораторной работы:

исследование зависимости интенсивности плоско поляризованного света, прошедшего через поляризатор, от угла между плоскостями поляризатора и анализатора;

проверка справедливости закона Малюса.

1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Свет представляет собой поперечную электромагнитную волну, т.е. колебания электрического (E) и магнитного (B) полей (их направления) в этой волне направлены перпендикулярно вектору скорости (C) распространения данной волны (рис 1).

Рис.1

Плоскость, в которой постоянно и одновременно находятся вектор электрического поля (Е) и скорость электромагнитной волны (С), называется плоскостью поляризации волны (рис. 2).

Рис. 2

3

На практике, вдоль оси Y на рис.2, обычно одновременно распространяется множество лучей света (электромагнитных волн). Ориентация плоскостей поляризации в пространстве этих волн, как правило, не совпадает, рис.3.

Рис. 3

В реальном луче света, обычно присутствуют все возможные плоскости поляризации, т.е. не три, как показано на рис.3, а почти бесконечное их количество! Такой свет называется неполяризованным. Если же в луче света присутствует только одна неизменная плоскость поляризации (как, например, на рис.2), то такой свет является плоско поляризованным.

Причиной неполяризованного света от различных источников, например, включенной электролампы, является то, что лучи света испускаются атомами вещества источника света без согласования друг с другом – т.е. у каждого такого луча своя (не совпадающая с другими) плоскость поляризации. Природный ( естественный ) свет не имеет плоской поляризации! Более того, в естественном свете присутствуют лучи со всеми возможными плоскостями поляризации света, причем интенсивности лучей с каждой из поляризаций одинаковы! Если же, по каким-то причинам, свет состоит из лучей с разными интенсивностями для разных поляризаций, то такой свет называют частично поляризованным. Очевидно, плоско

поляризованный свет можно рассматривать как предельный случай частично поляризованного, когда отлична от нуля интенсивность луча только одной плоскости поляризации.

Плоско поляризованный свет можно получить искусственно. Например, луч лазера плоско поляризован. Можно и неполяризованный свет превратить в плоско поляризованный, если пропустить неполяризованный

4

свет через, так называемый, поляризатор – обычно это кристалл, прозрачный для света только одной какой-то поляризации, и не прозрачный для лучей света перпендикулярно ориентированных поляризаций (дихроичные кристаллы). Примерами таких кристаллов являются турмалин и герапатит .

Рассмотрим прохождение света через поляризатор. На рис.4 изображены исходный луч света и его плоскость поляризации, а также кристалл поляризатора с его плоскостью поляризации, причем плоскости поляризации

лучка света и кристалла повернуты относительно друг друга на угол а.

Рис. 4 Здесь же указано направление распространения луча света (вектор

скорости света С) и направление вектора напряженности электрического поля Е исходного луча (до его прохождения через поляризатор). Ниже на рис. 5 показано стандартное разложение вектора Е по двум осям X и Y.

Рис. 5

5

Угол а между вектором Е и осью Х тот же, что и между плоскостями поляризаций на рис.4. Разложение вектора Е, приведенное на рис.5, демонстрирует нам, что любой луч света можно разложить на два луча с двумя взаимно перпендикулярными ориентациями векторов напряженности электрического поля Ex и Ey. Пусть ось Х лежит в плоскости поляризации поляризатора, соответственно, ось Y будет перпендикулярна этой плоскости. Тогда получается, что свет с произвольной поляризацией относительно

кристалла поляризатора под углом а, можно разложить на два вторичных луча со взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации – одна из них совпадает с плоскостью поляризации поляризатора (связано с осью Х), а другая перпендикулярна этой плоскости (связано с осью Y). В итоге,

кристалл поляризатора окажется прозрачен для вторичного луча, плоскость поляризации которого совпадает с плоскостью поляризатора, и будет непрозрачен для другого вторичного луча с перпендикулярной плоскостью поляризации.

На выходе из кристалла поляризатора будет присутствовать только Ех составляющая исходного луча света, причем плоскость поляризации этой составляющей совпадает с плоскостью поляризации поляризатора. В итоге,

любой свет, пропущенный через кристалл поляризатора, на выходе из кристалла будет плоско поляризован (линейно поляризован) и плоскость поляризации этого света будет совпадать с плоскостью поляризации поляризатора.

Каждый луч естественного света с его конкретной плоскостью поляризации, можно разложить на два вторичных луча с поляризациями параллельной и перпендикулярной плоскости поляризации (пропускания) поляризатора. Соответственно, через поляризатор пройдет только вторичный луч с параллельной поляризатору плоскостью поляризации, а вторичный луч с перпендикулярной поляризацией пройти не сможет. В итоге окажется, что естественный свет, содержащий лучи со всеми возможными поляризациями, проходя через поляризатор, ослабнет ровно в два раза и будет уже плоско поляризован.

Кроме дихроичных кристаллов для поляризации света можно использовать и двулучепреломляющие кристаллы (исландский шпат,

кварц). В них исходный луч света также разделяется на два вторичных луча со взаимно перпендикулярными поляризациями. Эти два луча расходятся в кристалле по разным направлениям, рис.6, т.к. показатели преломления для этих лучей разные.

6

Рис.6

Соответственно, получаются два луча плоско поляризованного света, использовать далее можно любой из них. Но чаще всего из двулучепреломляющих кристаллов искусственно склеивают трехгранные поляризационные призмы. В них один из двух лучей специально уничтожают, направляя его на затемненную грань призмы. В итоге остаётся только один луч с плоско поляризованным светом (однолучевые призмы). Возможны и призмы, где сохраняются оба вторичных луча (плоскости их поляризаций взаимно перпендикулярны и используется каждый из лучей по отдельности) – это двухлучевые призмы. В честь первого создателя такого рода призм шотландского ученого У. Николя такие поляризационные устройства называют николями.

Закон Малюса описывает зависимость интенсивности света,

выходящего из поляризатора, от угла	а между плоскостью поляризации
входящего (плоско поляризованного)	света и плоскостью поляризации

(плоскостью пропускания) поляризатора.

Если на поляризатор падает линейно поляризованный свет с вектором

напряженности Е и плоскость поляризации этого света составляет угол а с плоскостью поляризатора, то свет прошедший через поляризатор, будет

содержать только компоненту	Ех , параллельную плоскости поляризатора
(рис.5) :
Ех = Е cos (a)	(1)

7

Так как интенсивность света I пропорциональна квадрату напряженности электрического поля Е в электромагнитной волне, то из выражения (1) получаем соотношение, называемое законом Малюса :

I = I0 * cos 2 (a),		(2)
где I – интенсивность плоско поляризованного света после
поляризатора,
I0	– интенсивность плоско поляризованного света на входе в
поляризатор,
a – угол между плоскостями поляризаций входного луча света и
поляризатора.
На	рис.7 показана графическая иллюстрация	закона Малюса

(интенсивность света I0, падающего на поляризатор, взята равной 10).

Рис.7

На рис.8 показана линейная зависимость интенсивности света после поляризатора от величины квадрата косинуса угла а.

Зависимость I от cos2(а)

I	12
Интенсивность	10
	0
	8
	6
	4
	2

0	0,2	0,4	0,6	0,8	1	1,2
			сos2(a)

Рис. 8

8

Обе зависимости на рис.7, 8 свидетельствуют о линейной поляризации света, падавшего на поляризатор. Поскольку, в данном случае, мы получили анализ вида поляризации падавшего света, то и поляризатор можно назвать уже анализатором. Если бы графики на рис.7, 8 имели другой вид,

например, ни в одной точке интенсивность света не обращается в 0 - это означало бы, что исследуемый свет не является плоско поляризованным (рис.9).

Рис.9 Примеры графиков для различной степени поляризованного света.

Обратите внимание на то, что только на графике для полностью поляризованного света ( плоско поляризованного) интенсивность света на выходе из анализатора имеет нулевое значение в точках 90, 270 градусов

для угла а и в точке 0 для соs2a.

9

В описываемой лабораторной работе на основе графиков аналогичных представленным на рис.7 и 8 требуется проверить гипотезу, что исследуемый в эксперименте свет имеет плоскую поляризацию.

2.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА.

Лабораторная установка заключена в светонепроницаемый кожух

(рис.10).

Рис.10

Передняя панель прибора легко выдвигается вперед, открывая доступ к деталям установки (не более, чем для визуального ознакомления, что-либо трогать, регулировать не рекомендуется!) - рис.11.

Рис. 11

К деталям установки относятся источник излучения (светодиоды), поляризатор, анализатор с механическим приводом вращения,

10