Контрольные вопросы

1. В чем состоит явление дифракции света? При каких условиях оно легко наблюдается?

2. Что представляет собой дифракционная решетка? Что называется ее периодом?

3. Какова схема наблюдения дифракции света на решетке по методу Фраунгофера?

4. Какие оптические явления определяют формирование дифракционной картины, полученной от решетки?

5. Что определяет выражение (1)? Какие физические соображения приводят к этому соотношению?

6. Объясните происхождение дополнительных минимумов в дифракционной картине от решетки и их роль в формировании главных максимумов.

7. Какой вид имеет дифракционная картина при освещении решетки белым светом?

8. Дайте определение разрешающей силы и дисперсии дифракционной решетки.

9. Как изменяется угловое расстояние между спектральными линиями при изменении периода дифракционной решетки и порядка спектра?

10. Какие изменения в линейчатых спектрах будут происходить, если уменьшать общее число щелей дифракционной решетки?

Лабораторная работа № 9 Проверка закона Малюса. Определение концентрации раствора сахара в воде с помощью поляриметра

Цель работы: знакомство с некоторыми методами получения и анализа линейно поляризованного света, принципом работы и применения поляриметров.

Приборы и принадлежности: поляроиды, осветитель, люксметр, поляриметр, набор трубок с раствором сахара различной концентрации.

Литература: [1], § 190-191; [2], § 58 – 60; [3], § 28 - 29;

[4], § 17-18; [5], § 152 – 154, 156.

В в е д е н и е

Свет имеет электромагнитную природу. Световые волны поперечны. Явление поляризации подтверждает поперечность световых волн.

Термином ″поляризация″ определяют пространственное соотношение между направлением распространения светового луча (направление вектора скорости на рис. 1) и направлением колебаний его электрического или магнитного векторов.

Рис 1

Теория Максвелла утверждает, что векторы , и взаимно перпендикулярны и образуют правую тройку.

Различают следующие типы поляризации света:

1. Линейно поляризованный (или плоско поляризованный) свет. При таком типе поляризации направление колебаний вектора в произвольной точке остается постоянным. Конец вектора в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, описывает прямую линию. Плоскость, в которой колеблется вектор , называется плоскостью колебаний.

2. Эллиптически поляризованный свет. При этом типе поляризации изменяется и модуль, и направление вектора . В произвольной точке в световом пучке вектор непрерывно поворачивается вокруг направления распространения с угловой частотой, равной частоте волны. При этом конец вектора в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения луча, описывает эллипс.

3. Свет, поляризованный по кругу или циркулярно поляризованный свет. В этом случае вектор , непрерывно поворачиваясь вокруг направления луча, не меняется по модулю, и его конец описывает окружность.

4. Неполяризованный, естественный свет. В неполяризованной волне направление колебаний вектора в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения света, быстро и хаотически меняется. При этом все направления вектора (в этой плоскости!) равновероятны.

5. Частично поляризованный свет. В этом случае колебания одного направления преобладают над колебаниями других направлений. Частично поляризованный свет можно представить как смесь естественного и линейно поляризованного света.

В данной работе для получения линейно поляризованного света из естественного используется поляроид, представляющий собой пленку, на которую нанесены кристаллики герапатита, обладающего двулучепреломлением и селективным поглощением одного из лучей.

Поляризованный свет визуально не отличается от естественного света. Прибор, позволяющий их различить, называется анализатором. В данной работе в качестве анализатора используется другой поляроид. Если на анализатор падает естественный свет, то при повороте прибора вокруг направления луча интенсивность света не меняется. В случае падения линейно поляризованного света интенсивность I света, прошедшего через анализатор, пропорциональна квадрату косинуса угла α между плоскостью пропускания анализатора и плоскостью колебаний в падающем пучке (закон Малюса):

I = I₀cos²α. (1)

При прохождении линейно поляризованного света через некоторые вещества наблюдается вращение плоскости колебаний вектора . Таким свойством обладают вещества, в которых расположение атомов в молекулах или в кристаллической решетке является ассиметричным. Эти вещества называются оптически активными. К их числу принадлежат некоторые кристаллические тела (например, кварц, киноварь), жидкости (скипидар, никотин) и растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (водные растворы сахара, винной кислоты и др.).

Опыт показывает, что угол, на который поворачивается плоскость колебаний в растворах, прямо пропорционален толщине l слоя раствора и концентрации С оптически активного вещества:

φ = [α]lC. (2)

l обычно измеряется в дм, С – в г/см³. Коэффициент [α] называется постоянной вращения. Постоянная вращения зависит от температуры раствора (эта зависимость слабая, и ею можно пренебречь) и длины волны света. Для сахарных растворов при λ = 589 нм [α] = 66,46 град см³/дм· г.

Приборы, служащие для количественного исследования поворота плоскости колебаний, называются поляриметрами.