Контрольные вопросы

1. Физическая природа света. Естественный и поляризованный свет.

2. Способы получения поляризованного света.

3. Поляризатор и анализатор. Закон Малюса.

4. Оптически активные вещества. Вращение плоскости поляризации.

5. Что называется коэффициентом удельного вращения вещества.

6. Устройство и принцип действия поляриметра.

Лабораторная работа № 65 поляризация света

Цель работы: проверка закона Малюса.

Приборы и принадлежности:

1. лампа в кожухе

2. фотоэлемент

3. амперметр

4. вольтметр

5. выпрямитель

6. соединительные провода.

Теоретическое введение

С точки зрения волновой теории, свет является поперечной электро­магнитной волной, то есть направления колебания векторов напряженно­сти электрического и магнитного полей() взаимно перпендику­лярны и колеблются перпендикулярно вектору скоростираспростране­ния волны (рис. 1).

Рис. 1. Мгновенная картина распределения ивдоль направле­ния распространения электромагнитной волны

В процессах взаимодействия света с веществом основную роль играет электрический вектор, его называют световым вектором. Плоскость, в которой колеблется световой вектор, называется плоскостью колебаний, а плоскость, в которой совершает колебание вектор напряженности маг­нитного поля – плоскостью поляризации.

Естественный свет – неполяризованный – представляет собой сум­марное электромагнитное колебание от множества атомов с различной ориентацией светового вектора приблизительно одинаковой амплитуды. На рисунке 2 показано сечение светового луча перпендикулярной ему плоскостью. Колебания вектора в естественном свете изображено на ри­сунке 2, а.

Поляризацией света называется явление выделения из естествен­ного света световых волн с определенными направлениями колебаний электрического вектора. Свет, в котором направление колебаний элек­трического вектора каким-то образом упорядочено, называют поляризо­ванным. Так, например, свет, испускаемый каким-либо отдельно взятым (атомом, молекулой) элементарным излучателем, всегда поляризован.

Рис. 2. Направление колебаний вектора в световой волне

Если при внешних воздействиях появляется какое-то преимущественное направление колебаний светового вектора (но не исключительное), свет называютчастично поляризованным (рис. 2, б). Если вектор колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу (рис. 2, в), свет называютплоско поляризованным (линейно поляризованным).

Если вдоль одного и того же направления распространяются две мо­нохроматические волны, поляризованные в двух взаимно перпендикуляр­ных плоскостях, то в результате их сложения возникает эллиптически-поляризованная волна.

Плоско поляризованный свет можно получить, пропуская естествен­ный свет через анизотропные среды. Анизотропными называют такие среды, для которых относительная диэлектрическая проницаемость и по­казатель преломления зависят от направления электрического векторасветовой волны в веществе. В обычных условиях газообразные, жидкие и аморфные твердые диэлектрики оптически изотропны, однако под влия­нием внешних воздействий могут стать анизотропными. Это явление на­зываетсяискусственной анизотропией.

Фундаментальным свойством световых лучей при их прохождении в анизотропных кристаллах является двойное лучепреломление, открытое в 1669 году Э. Бартолином. Оно заключается в следующем: при падении света на грань кристалла происходит пространственное разделение естест­венного луча на два поляризованных луча, идущих в веществе с разными скоростями и в разных направлениях.

Луч, вектор поляризации которого перпендикулярен оптической оси кристалла, называется обыкновенным «о». Скорость обыкновенного луча не зависит от направления распространения в кристалле. Обык­новенный луч полностью подчиняется законам геометрической оп­тики.

Луч, поляризованный в главной плоскости кристалла, называется не­обыкновенном «е». Показатель преломления n_e необыкновенного луча за­висит от направления в кристалле. Оптической осью кристалла называ­ется направление, в котором отсутствует двойное лучепреломление, то есть n_e = n_o.

Высокая степень оптической анизотропии в естественном состоянии характерна для кристаллических диэлектриков (за исключением кристал­лов кубической системы), которые часто используют в качестве поляриза­торов.

Поляризаторы – устройства, пропускающие колебания вектора , па­раллельные плоскости поляризации самого поляризатора, и полностью задерживающие колебания, перпендикулярные к этой плоскости. Поляри­заторы применяются также для анализа света, прошедшего через вещество, в этом случае они называются анализаторами. Анализатор пропускает только те колебания светового вектора, которые совпадают с его главным направлением.

Рис. 3. Прохождение света через поляризатор и анализатор

Если анализатор ориентирован так, что его оптическая ось перпенди­кулярна оптической оси поляризатора, свет через анализатор не проходит. Если же оптические оси поляризатора и анализатора составляют угол , отличный от 90^о, то свет проходит, но при этом его амплитуда меньше ам­плитуды световых колебаний, падающих на анализатор. Векторразла­гается на два компонента: параллельный главной плоскости анализа­тора () и перпендикулярный ей (). Это соответствует разложению ко­леблющейся волнына две волны, поляризованные во взаимно перпендику­лярных плоскостях. Через анализатор пройдет только парал­лельная составляющая, а перпендикулярная будет погашена (рис. 3). В этом случае интенсивность света вышедшего из анализатора бу­дет:

(1)

где I_А – интенсивность поляризованного света, вышедшего из анализатора; I_П – интенсивность плоско поляризованного света, вышедшего из поляри­затора. Соотношение (1) отражает закон Малюса: интенсивность света, прошедшего последовательно через поляризатор и анализатор, про­порциональна квадрату косинуса угла между плоскостями поляриза­ции поляризатора и анализатора.

Интенсивность света, прошедшего через два поляризатора (без учета поглощения), главные плоскости которых образуют угол , рассчитывается так:

(2)

Откуда (плоскости поляризаторов параллельны,), а(плоскости поляризаторов перпендикулярны,).

Степень поляризации света оценивается по формуле:

, (3)

где и– соответственно максимальная и минимальная интенсив­ность поляризованного света.

Для плоско поляризованного света степень поляризации Р = 1, для естественного P = 0.

Не все кристаллы одинаково поглощают обыкновенный и необыкно­венный лучи. Явление избирательного поглощения обыкновенного и необыкновенного лучей называется дихроизмом. Это явление приме­няется при изготовлении поляроидов.Поляроиды –это тонкие (0,1 мм) пленки, на которые наносятся полимерные материалы(например, турма­лин, герапатит), обладающиедихроизмом.

Описание установки

В данной работе для получения и исследования поляризованного света используются установка схема, которой приведена на рисунке 4. В качестве поляризатора и анализатора используются поляроиды, изготов­ленные из мелких кристаллов герапатита. Свет от источника Л падает на неподвижный поляризатор П. Кристаллы герапатита полностью погло­щают обыкновенные лучи. Через поляроид проходит только необыкновен­ный луч, колебания в котором совпадают с главным направлением поля­роида. Затем свет попадает на анализатор А, закрепленный во вращаю­щемся диске. Угол поворота анализатора измеряется по шкале диска, раз­деленный на 360 делений. Пройдя анализатор, свет попадает на фотоэле­мент, который работает в режиме насыщения. Фототок насыщения по за­кону Столетова прямо пропорционален интенсивности падающего на фо­тоэлемент света. Величина фототока измеряется микроамперметром. Напря­жение на фотоэлемент подается от выпрямителя и измеряется вольтетром.

Рис. 4. Схема экспериментальной установки

Порядок выполнения работы

1. Совместить нулевой отсчёт основной шкалы поляризатора с нулевым отсчётом шкалы нониуса анализатора.

2. Выставить расстояние, указанное преподавателем, между ближай­шими краями корпуса лампы и корпуса фотоэлемента.

3. Включить в сеть лампу и выпрямитель.

4. От выпрямителя подать на фотоэлемент напряжение 180 В или указан­ное преподавателем (инженером).

5. Плавно вращая анализатор, добиться максимального отклонения значе­ния тока на шкале микроамперметра.

6. Определить угол поворотаанализатора по основной шкале и шкале нониуса. Получен­ное значение записать в таблицу.

7. Повторить п.п. 6, 7 не менее 3-х раз начиная от нулевого отсчёта. Рассчитать среднее значение.

8. Совместив нулевой отсчёт основной шкалы поляризатора с нулевым отсчётом шкалы нониуса анализатора, получим начальное значение . Снять показания микроамперметра и значение записать в таблицу.

9. Повторить п. 8, последовательно поворачивая анализатор на отдо.

10. Найти угол между главными плоскостями анализатора и поляриза­тора по формуле. Значения занести в таблицу.

11. Рассчитать ,и занести в таблицу.

12. Построить графики зависимости и.

Таблица 1

№ п/п	,	,	=-	,мкА.
1.		=
2.
3.
…
n.