kobzar

4.Сформулювати закон Брюстера, закон Малюса.

5.Чим пояснюється подвійне променезаломлення та поляризація світла при цьому?

6.В чому полягає явище дихроїзму?

7.Пояснити явище інтерференції поляризованого світла.

8.На чому ґрунтується застосування поляризованого світла для дослідження деформації тіл? Як воно здійснюється?

71

Лабораторна робота № 12 (4 год.)

ОДЕРЖАННЯ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ПОЛЯРИЗОВАНОГО СВІТЛА

Мета роботи:

Одержати поляризоване світло за допомогою чорного дзеркала і стопи пластин та дослідити його. Перевірити закон Малюса.

Прилади та матеріали:

Оптична лава.

Джерело світла.

Поляроїди в металевих оправах, які можуть обертатись.

Чорне дзеркало.

Стопа пластинок.

Фоторезистори.

Мікроамперметр.

Теоретичні відомості

Поляризацією називається властивість світла, яка характеризується

просторово-часовою впорядкованістю коливань	векторів напруженості
електричного та магнітного полів. Якщо вектор		коливається в одній
	E

площині, то хвиля називається лінійно поляризованою. Характер поляризації світла може змінюватися при відбиванні від межі розділу двох середовищ. Змінне електричне поле падаючої хвилі частотою , попадаючи у друге середовище, змушує коливатись пружно зв’язані з атомами електрони з цією

жчастотою.

Візотропному середовищі напрям коливань електронів співпадає з

напрямомколивань електричного вектора E світлової хвилі. Електрони

випромінюють вторинні електромагнітні хвилі з частотою . Інтенсивність випромінювання окремого електрона залежить від напряму і може бути представлена полярною діаграмою (рис.12.1).

Рис. 12.1.

Діаграма направленості випромінювання електрона.

72

Радіус-вектор		характеризує значення інтенсивності в заданому
	r

напрямі. Випромінювання в напрямі коливання електронів (AB) відсутнє. У другому середовищі вторинні хвилі інтерферують і дають світло в одному напрямку, що визначається законом заломлення

sin i		n	2
sin r		n
			1

n21

.

(12.1)

В інших напрямках промені не поширюються, оскільки вторинні хвилі

взаємно гасяться.
Нехай	на межу розділу	двох	середовищ	(1, 2) падає лінійно
поляризована	хвиля (рис. 12.2),	так	що площина	коливань вектора
					E

співпадає з площиною падіння (площиною рисунка).

Рис. 12.2.

Електрони під дією заломленої хвилі коливаються перпендикулярно до OD3, тобто в напрямі AB.

Якщо змінювати напрям падаючого променя так, щоб заломлений і

відбитий промені утворювали кут 90°, то в напрямі OD2 інтенсивність
відбитого світла буде дорівнювати 0. Якщо ж уздовж OD1 падає природне
світло, то вектор E можна розкласти на дві складові:	Ep – у площині падіння

і E – перпендикулярно площині падіння. Коливання у площині падіння у відбитому промені будуть повністю відсутні. Залишаються тільки коливання у перпендикулярному напрямі. Отже, відбите світло буде повністю поляризоване (закон Брюстера).

73

				Рис. 12.3.
	Умову поляризації можна дуже		просто	вивести (рис. 12.3). Якщо
	i + r = 90°, то з рівняння (12.1) отримаємо
	tg i	n	n21.
		2		(12.2)
		n
		1

Хід роботи

Завдання 1. Визначити напрям коливань вектора показник заломлення чорного дзеркала.

E

у поляроїді та

1. Встановити на оптичну лаву освітлювач, поляроїд, чорне дзеркало. Для реєстрації інтенсивності відбитого світла використати фоторезистор та мікроамперметр. Розташувати фоторезистор в секторі 50 70°.

2. Обертаючи поляроїд навколо напрямку поширення променя, а дзеркало навколо вертикальної осі, домогтися мінімальної інтенсивності відбитого світла. В цьому випадку дзеркало встановлено під кутом Брюстера, а в

падаючій на нього світловій хвилі вектор		коливається у площині падіння.
	E
3. Не змінюючи положення поляроїда,		зняти залежність інтенсивності

відбитого світла від кута повороту дзеркала навколо вертикальної осі. Покази інтенсивності знімати через кожні 10° повороту дзеркала, а поблизу кута Брюстера – через кожні 1 2 градуси. Побудувати графік (в полярних координатах).

74

4.З графіку в полярних координатах визначити кут Брюстера та обчислити показник заломлення скла, з якого зроблено дзеркало.

5.Встановити дзеркало під кутом Брюстера. Обертаючи поляроїд, зняти залежність інтенсивності відбитого світла від кута повороту поляроїда. Побудувати графік в полярних координатах.

6.Обчислити ступінь поляризації світла, відбитого під кутом Брюстера та під кутами, вказаними викладачем, за формулою:

	P	I
		I

max max

I

I

min min

.

7.	Побудувати хід променів у системі при падінні променя на дзеркало
під кутом Брюстера, вказати напрям коливань вектора					для двох випадків:
				E
1)	вектор E коливається у площині падіння;
2)	вектор	E	коливається у площині, перпендикулярній до площини

падіння.

Завдання 2. Дослідити поляризоване світло, одержане за допомогою стопи пластин.

1.Замінити чорне дзеркало стопою пластин, знайти кут Брюстера (повторити операції, виконані з чорним дзеркалом в Завданні 1).

Примітка: Кут падіння променя на стопу визначається за відміткою на внутрішньому лімбі. Покази з мікроамперметра знімаються при найкращому попаданні відбитого променя на фоторезистор.

2.Встановити стопу пластин під кутом Брюстера до природнього променя. Знайти ступінь поляризації заломленого променя, використовуючи поляроїд. Для цього зняти залежність інтенсивності світла, що пройшло крізь аналізатор (поляроїд), від кута повороту аналізатора. Покази інтенсивності

знімати через кожні 10o . Побудувати графік в полярних координатах. Обчислити ступінь поляризації.

3. По черзі встановити кут падіння променя на стопу пластин від 10° до 70° через кожні 10° та аналогічним способом визначити ступінь поляризації заломленого променя.

Завдання 3. Перевірити закон Малюса.

1. Встановити на оптичній лаві освітлювач, поляризатор, аналізатор та фоторезистор (під’єднаний до мікроамперметра).

75

2.Встановивши на лімбі аналізатора кут 90°, підібрати таке положення поляризатора, щоб стрілка мікроамперметра давала мінімальне відхилення.

3.Обертаючи аналізатор навколо напряму поширення променя в межах кутів від 0° до 180° через кожні 10° (не змінюючи при цьому положення поляризатора), зняти залежність інтенсивності світла (або фотоструму) від кута повороту.

4.Побудувати і порівняти між собою графіки залежностей cos2 f ( )

та

	I	f ( ) . Пояснити одержані залежності.
	I
	max

5. Зробити висновки.

Контрольні запитання

1.Чим відрізняється поляризоване світло від природного?

2.Вкажіть основні методи отримання поляризованого світла.

3.Поясніть поляризацію світла при відбиванні та заломленні.

4.Яке розташування переважаючих напрямків коливань у відбитому та заломленому променях?

5.Сформулювати закон Брюстера, закон Малюса.

6.

В якій площині коливається вектор
	E

поверхні діелектрика під кутом Брюстера?

світлової хвилі, відбитої від

7.Як розташовані відбитий та заломлений промені при умові повної поляризації відбитого світла?

8.Визначити вісь поляризації поляроїда.

76

Лабораторна робота № 13

ВИМІРЮВАННЯ КУТА ОБЕРТАННЯ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ ТА ВИЗНАЧЕННЯ КОНЦЕНТРАЦІЇ РОЗЧИНІВ

Мета роботи:

Вивчення явище обертання площини поляризації світла в оптично активних середовищах.

Прилади та матеріали:

Поляриметр коловий СМ-3 з освітлювачем на 220 В.

Колби з розчином сахарози різної концентрації.

Кювети для розчину.

Теоретична частина

Одним із важливих у теоретичному й практичному відношенні явищ молекулярної оптики, зокрема взаємодії поляризованого світла з речовиною, є явище обертання площини поляризації. Воно полягає в тому, що при проходженні монохроматичного поляризованого світла через деякі речовини площина його поляризації обертається навколо напряму поширення променя. Це явище було виявлено в значної кількості речовин у різних агрегатних станах. Такі речовини названо природними оптично активними речовинами. До них належать кварц, розчин цукру, скипидар, камфора та ряд розчинів складних органічних сполук.

Лінійно поляризоване світло при вході в оптично активну речовину внаслідок взаємодії з молекулами ділиться на дві складові, які мають колову поляризацію. Промені однієї частини поляризовані по колу за годинниковою стрілкою, другої – проти годинникової стрілки. При виході з речовини світло знову стає лінійно поляризованим. Але складові з коловою поляризацією поширюються з різними швидкостями, тому між ними виникає різниця фаз. В результаті лінійно поляризований промінь на виході з речовини матиме площину поляризації, повернену на деякий кут порівняно з падаючим променем.

Значення кута обертання площини поляризації при проходженні через оптично активну речовину залежить від різниці швидкостей поляризованих по колу променів, товщини шару середовища та, незначною мірою, від температури.

77

Зокрема, для рідких розчинів оптично активних речовин експериментально встановлено, що кут повороту площини поляризації променя є пропорційним до концентрації речовини в розчині (в нашому випадку – сахарози), а також до шляху променя в розчині, тобто

m l

,

(13.1)

де m – концентрація сахарози в розчині, l – довжина шляху променя в розчині (довжина трубки), – коефіцієнт пропорційності.

Коефіцієнт називається питомим обертанням і чисельно дорівнює куту обертання при концентрації розчину, рівній одиниці (1 г/см3) і довжині шляху, рівній одиниці (1 дм).

Встановлено також, що кут обертання площини поляризації залежить від спектрального складу світла. Для видимого діапазону він має найменше значення для червоного світла найбільше – для фіолетового. Тому питоме обертання має різні значення залежно від довжини світлової хвилі. Практично найчастіше використовують жовте світло – полум’я натрієвого пальника або лампу з відповідним світлофільтром. Тоді для натрієвого світла питоме обертання в розчині сахарози (цукру) = 66,5. Тобто, жовте (натрієве) світло, проходячи шлях 1 дм в розчині, що містить 1 г сахарози на 1 см3, повертає площину поляризації світлових коливань на 66,5°.

На практиці концентрацію цукру частіше визначають у процентах або грамах на 100 см3 розчину. Тоді очевидно, коефіцієнт матиме в 100 разів менше значення, тобто Na = 0,665. Для білого світла беруть у середньому

б = 0,71.

Вимірявши кут обертання площини поляризації для конкретного розчину, з формули (13.1) знайдемо концентрацію цукру:

m	1				.
				l
		Na

Опис та принцип дії приладу

(13.2)

Поляриметр коловий СМ-3 (рис. 13.1) призначений для вимірювання кута обертання площини поляризації оптично активними прозорими однорідними розчинами і рідинами.

78

Рис. 13.1. Оптична схема поляриметра СМ-3. 1 – лампа ДНаС 18-04.2; 2 – світлофільтр; 3 – конденсор; 4 – поляризатор; 5 – хроматична фазова пластинка; 6 – захисне скло; 7 – кювета для розчину; 8 – аналізатор; 9 – об’єктив; 10 – окуляр; 11 – дві лупи.

Натрієву лампу вмикають тумблером. При вимірюванні кюветний відділ приладу має бути закрита кришкою. Відліки проводять по лімбу (на якому нанесено 360-градусну шкалу з ціною поділки 0,5°), використовуючи ноніуси, які мають по 25 поділок. Величина відліку по ноніусу становить 0,02°. Шкали розглядають за допомогою однієї з двох луп (див рис. 13.1).

На скляній кюветі для розчинів є опукла частина, необхідна для збирання повітряних бульбашок. На кюветі позначено її фактичну довжину між торцями.

В поляриметрі використовується принцип порівняння яскравості двох частин поля зору, поділеного навпіл (рис. 13.2).

Рис. 13.2. Вид поля зору поляриметра.

Світло від лампи, пройшовши через конденсор і поляризатор, однією частиною пучка проходить через хроматичну фазову пластинку, захисне скло, кювету і аналізатор, а другою частиною – лише через захисне скло, кювету і аналізатор (оминаючи фазову пластинку).

Шляхом обертання аналізатора проводять вирівнювання яскравостей полів порівняння (межа розділу між ними має візуально зникнути). Кут між площинами поляризації поляризатора і аналізатора при вирівняних яскравостях становить 86,5°.

Завдання роботи

1.Ознайомитися за літературою з будовою і принципом роботи поляриметра.

2.Виміряти кути обертання площини поляризації для розчинів сахарози та визначити їх концентрацію.

79

Хід роботи

1.Наповнити кювету дистильованою водою, поки на її верхньому кінці не з’явиться опуклий меніск. Зсунути меніск убік за допомогою покривного скла. На покривне скло покласти гумову прокладку, обережно загвинтити. Якщо до кювети потрапили бульбашки повітря, зібрати їх в опуклій частині.

2.Встановити наповнену кювету в кюветний відділ поляриметра.

3.Включити освітлювач.

4.Встановлюють окуляр на чітке зображення лінії розділу між двома половинами поля зору поляриметра.

5.Повертаючи аналізатор за ручку, досягти однакової яскравості полів порівняння в чутливому положенні (коли невеликі повороти аналізатора призводять до помітного порушення балансу яскравостей).

6.Повторити вимірювання 3 – 5 разів, щоразу знімаючи відліки по шкалах лімба та ноніуса. Обчислити середнє арифметичне значення, яке і є

нульовим відліком 0.

7. Аналогічно провести вимірювання для двох розчинів сахарози (I і II) з різними концентраціями. Записати відповідні відліки 1 і 2. Різниця у відліках 1 1 0 та 2 2 0 дорівнює куту обертання площини поляризації досліджуваних розчинів.

8. Обчислити концентрацію розчинів сахарози. Результати вимірювань занести до таблиці.

Звітна таблиця.

№	Na	l	0	1	2	1	2	m	∆m	∆m/m

Контрольні запитання

1.Пояснити природу повертання площини поляризації світла в оптично активних середовищах.

2.На які дві групи діляться всі оптично активні речовини?

3.Що називається питомим обертанням площини поляризації?

4.Накреслити оптичну схему і пояснити дію компенсаційного пристрою, використовуючи поняття поляризації світла та векторні діаграми поляризації.

5.Дати означення всіх видів концентрації та одиниці їх вимірювання.

80