Работа 72. Изучение поляризации света

1. Цель работы

Целью работы является изучение явления поляризации света и экспериментальная проверка законов Малюса и Брюстера.

2. Краткая теория исследуемого явления

Поляризованным называется свет, в котором колебания светового вектора каким-либо образом упорядочены. Электромагнитные волны являются поперечными волнами. При этом вектора напряженности электрического и магнитного полей образуют с направлением распространения волны правовинтовую систему.

Если пространственная ориентация вектора напряженности электрического поля со временем не меняется или изменяется некоторым упорядоченным образом, то свет называют поляризованным. Простейшим видом поляризованного света является плоская поляризация. При этом вектор напряженности электрического поля колеблется, оставаясь в одной и той же плоскости.

Эллиптически поляризованным светом называется поляризация, при которой конец вектора напряженности электрического поля движется по эллипсу. Частными случаями эллиптически поляризованного света являются плоскополяризованный свет и свет, поляризованный по кругу.

Обычные источники света испускают естественный свет, в котором вектор напряженности электрического поля хаотически изменяет свое направление. Плоскополяризованный свет можно получить из естественного, пропуская его через поляризатор. Этот прибор задерживает колебания, перпендикулярные некоторой выделенной плоскости "П", так называемой плоскости поляризации.

3. Принцип метода измерения и рабочая формула

Принцип метода заключается в следующем:

Если падающая на поляризатор волна плоскополяризована под углом φ к плоскости поляризатора, то через поляризатор проходит волна с амплитудой

E_П = E₀ cosφ.

Рис. 1.

Поскольку интенсивность световой волны пропорциональна квадрату ее амплитуды, то интенсивность после поляризатора равна (закон Малюса)

I = I₀ cos²φ.

Частичная поляризация света происходит при отражении и преломлении луча от поверхности диэлектрика. Из теории Френеля следует, что при отражении естественного света от поверхности диэлектрика в отраженной волне преобладают колебания вектора напряженности электрического поля, перпендикулярные плоскости падения луча. Если сумма углов падения и преломления равна 90º, то отраженный луч оказывается полностью поляризованным (рис. 2).

Рис. 2.

Угол падения светового луча, при котором отраженный свет оказывается полностью поляризован, называется углом Брюстера. Из законов геометрической оптики легко получить соотношение между углом Брюстера и показателем преломления среды

tgθ_Бр = n.

Объяснение полной поляризации отраженного луча состоит в том, что отраженная волна излучается электронами среды при их вынужденных колебаниях под действием электрического поля преломленной волны. В случае ортогональности преломленной и отраженной волн колебания электронов лежат в плоскости падения луча. Так как колеблющийся диполь не излучает в направлении своей оси, то напряженность электрического поля в плоскости падения луча равна нулю.