ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3-6

6 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6. ИЗУЧЕНИЕ

ЯВЛЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА

И ЗАКОНА МАЛЮСА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение явления поляризации света и закона Малюса, ознакомление с работой поляроидов и люксметра.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: два поляроида, штатив с ширмами, ламп накаливания, селеновый фотоэлемент, манометр.

ВВЕДЕНИЕ

Согласно электромагнитной теории света – это электромагнитные волны малой длины. Электромагнитные волны поперечны. Вектор напряженности электрического поля и вектор магнитной индукции магнитного поля в электромагнитной волне взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно лучу и направлению распространения волны. Рассмотрим рисунок 1. Опыт показывает, что фотохимическое действие света обусловлено в основном переменным электрическим полем, т.е. колебаниями вектора напряженности электрического поля , который называют световым вектором. В дальнейшем при рассмотрении явления поляризации света мы будем говорить о колебаниях вектора . Световые волны возникают в результате процессов протекающих в атомах и молекулах, играющих роль вибраторов (антенн). В каждом источнике света содержится громадное число таких вибраторов-антенн, оси которых хаотично распределены в пространстве.

Рисунок 1

Отсюда следует, что в свете, идущем непосредственно от обычного источника (нить лампы, Солнце и т.д.), одинаково часто встречаются колебания вектора по всем направлениям, перпендикулярным лучу. Такой свет называется естественным. Обратимся к рисунку 2.

Можно получить и такой световой пучок, в котором вектор совершает колебания в одном направлении перпендикулярном лучу. Его называют плоскополяризованным. Обратимся к рисунку 3. Плоскость, в которой колеблется вектор в таком свете называют плоскостью колебаний. Поляризованным является, например, свет, излучаемый гелий-неоновым лазером.

Приспособление, при прохождении через которое естественный свет превращается в плоскополяризованный, называют поляризатором. В лабораториях для поляризации света применяют призмы Николя и Глана, поляроидные пленки (поляроиды). В данной работе применяются поляроиды. Это сильно растянутые пленки поливинилового спирта, обработанные в парах йода. Обратимся к рисунку 4. Поляризатор обладает свойством пропускать лишь те волны, в которых вектор колеблется параллельно определенному направлению РР. Это направление называют главным. Волны, у которых вектор перпендикулярен направлению РР, поляризатор не пропускает.

Рисунок 2 Рисунок 3

Рисунок 4

Рисунок 5

Рассмотрим рисунок 5. Установим перпендикулярно пучку естественного света поляризатор (поляроид) и будем поворачивать его вокруг оси, совпадающей с лучом. При этом интенсивность света, прошедшего через поляризатор, меняться не будет. При вращении поляризатора в пучке прошедшего через него света, изменяется лишь направление колебаний вектора , который все время остается параллельным главному направлению РР поляризатора.

Если поляризатор параллельный, не поглощает проходящий через него поляризованный свет, то интенсивность прошедшего света

(1)

где I₀ – интенсивность света, падающего на поляризатор. Это объясняется тем, что в пучке естественного света нет преимущественного направления колебаний, поэтому поляризатор пропускает столько же света, сколько и задерживает. Если поляризатор поглощает часть поляризованного света, проходящего через него, то интенсивность прошедшего света

(2)

где k – коэффициент поглощения света в поляризаторе.

Обратимся к рисунку 6. Направим луч естественного света на установку, состоящую из двух поляроидов 1 и 2, главные направления которых Р₁Р₁ и Р₂Р₂ составляют угол . За первым поляроидом (поляризатором) свет поляризован так, что вектор колеблется параллельно главному направлению Р₁Р₁ поляризатора. Поляроид 2 (анализатор) пропускает лишь те волны, у которых вектор колеблется параллельно главному направлению Р₂Р₂ поэтому интенсивность света, прошедшего через анализатор, будет меньше интенсивности света, падающего на него.

Рисунок 6

Найдем интенсивность I, прошедшего через анализатор. Пусть интенсивность света, падающего на анализатор, равна I₀. Так как интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды колебаний, то

(3)

где Е₀ – амплитуда волны, падающей на анализатор,

 - коэффициент пропорциональности.

Рассмотрим рисунок 7, на котором изображено расположение вектора относительно главных направлений поляризатора Р₁Р₁ и анализатора Р₂Р₂ Разложим вектор на две составляющие и . Волна с амплитудой задерживается анализатором. Через него проходит лишь волна с амплитудой - поэтому интенсивность прошедшего света.

(4)

Рисунок 7

Из рисунка 7 видно, что

(5)

Из соотношений (3), (4), (5) следует:

(6)

где I₀ – интенсивность света, падающего на анализатор,

I – интенсивность света, прошедшего через анализатор,

 - угол между главными направлениями поляризатора и анализатора.

Закон (6) открыт Малюсом и носит его имя.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Схема установки приведена на рисунке 8. На стойке штатива последовательно закреплены осветитель 1, ширмы 2 и 3, селеновый фотоэлемент 4, присоединенный к микроамперметру 5, шкала которого проградуирована в люксах. Фотоэлемент 4 вместе с микроамперметром 5 образуют люксметр-прибор для измерения освещенности.

По ходу работы отверстия в ширмах 2 и 3 закрываются поляроидами 6 и 7.Для отсчета угла поворота поляроида 7 на ширме 2 имеется шкала, проградуированная в градусах. Ламп осветителя присоединена к выходным клеммам лабораторного автотрансформатора (на рисунке 8 он не показан).

ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ СВЕТА В ПОЛЯРОИДЕ.

Из ширмы 2 и 3 удаляют поляроиды. Измерительный прибор 5 включают на максимальный предел измерения – 500 люкс. Лабораторный автотрансформатор включают в сеть и подают на лампу напряжение 150-170 В. Пучок света направляют на фотоэлемент 4. Напряжение на лампочке осветителя изменяют так, чтобы освещенность фотоэлемента Е₀ стала равной 450 – 500 люкс. В ширме 2 закрепляют поляроид 7 и измеряют освещенность Е. Значения освещенностей Е₀ и Е заносят в таблицу 1, где k – коэффициент поглощения света в поляроиде без учета потерь на отражение.

Таблица 1.

Е0, люкс	Е, люкс	k

Коэффициент поглощения поляризованного света в поляроиде подсчитывают по формуле

(7)

Поворачивая поляроид 7 на 360 убеждаются, что освещенность фотоэлемента, а, следовательно, и интенсивность света, прошедшего через поляроид, не меняется.

Рисунок 8

ПРОВЕРКА ЗАКОНА МАЛЮСА

1. В ширме 3 укрепляют поляроид 6. Люксметр переключают на предел 100 или 25 люксов.

2. Шайбу с поляроидом 7 поворачивают так, чтобы указатель угла поворота стоял на делении 0.

3. Устанавливают накал лампы осветителя таким, чтобы стрелка люксметра установилась у края шкалы.

4. Поляроид 6 медленно поворачивают и добиваются максимальной освещенности фотоэлемента. При максимальной освещенности главные направления поляроидов 6 и 7 параллельны и угол между ними равен 0.

5. Шайбу, на которой укреплен поляроид 7, поворачивают и измеряют освещенность при углах поворота поляроида 10, 20, 30, ….90. При углах поворота шайбы от 90 до 360 замеры освещенности производят через 30 (120, 150, 180 и т.д.). Данные заносят в таблицу 2, где  угол поворота поляроида 7. Е – освещенность фотоэлемента 4 при угле , Е₀ – освещенность фотоэлемента при  = 0. Так как освещенность фотоэлемента Е пропорциональна интенсивности I, падающего на него света, то Е/E₀ = I/I₀, где I₀ – интенсивность света, падающего на него поляроида 6, I – интенсивность света, прошедшего через поляроид 6.

Таблица 2

, град	Е, люкс	cos^2	Е/E0 = I/I0

6. По данным таблицы 2 на миллиметровой бумаге строят кривые зависимости cos² = f() и Е/E₀ = I/I₀ = f() в пределах изменения угла поворота  от 0 до 90. Сравнивая их, убеждаются в справедливости закона Малюса.

7. По данным таблицы 2 в пределах изменения угла  от 0 до 360 строят полярную диаграмму зависимости Е = f(). Для этого из точки О (рисунок 9) проводят лучи, составляющие с произвольно выбранным направлением ОА углы 30, 60, 90, ….330. На лучах от точки О откладывают отрезки пропорциональные освещенности Е. Полученные точки соединяют плавной кривой.

Рисунок 9

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какой свет называют естественным и какой плоско поляризованным?

2. Что такое поляризатор света?

3. Какое направление в нем называют главным?

4. Поясните принцип действия поляроида.

5. Сформулируйте закон Малюса и выведите его.

6. Получите формулу (7) для расчета коэффициента поглощения света в поляроиде.

7. Объясните вид полярной диаграммы Е = f().

ЛИТЕРАТУРА

[2]. c. 155-158.

[4]. c. 306-308.

ЛИТЕРАТУРА

1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2. М.: Наука. 1979. – 432 с.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.3. М.: Наука. 1979. – 457 с.

3. Детлаф А.А., Яворский Г.М. Курс физики. М.: Наука. 1989. – 349 с.

4. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высшая школа. 1997. – 478 с.