Главная | Обратная связь

Лабораторная работа №4

 

ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА

 

Цель работы: исследование поляризации света при отражении от диэлектрика, определение угла полной поляризации. Исследование прохождения света через поляроиды.

Оборудование: специальная установка, осветитель, вольтметр, линза.

 

Введение

 

Из электромагнитной теории света следует, что световая волна является поперечной, то есть три вектора: напряженность электрического поля , напряженность магнитного поля и скорость распространения света с взаимно перпендикулярны. Свет от обычных источников состоит из множества цугов волн, световой вектор которых ориентирован случайным образом, а колебания различных направлений равновероятны. Такой свет называется естественным.

Свет, в котором направления колебаний каким-либо образом упорядочен, называется поляризованным, процесс получения поляризованного света называется поляризацией. Если колебания вектора происходят в одной плоскости относительно луча, то свет считается плоскополяризованным.

Частично поляризованный свет – свет, в котором имеется преимущественное направление колебаний вектора . Эти случаи схематически изображены на рис. 10 (луч перпендикулярен плоскости рисунка).

Не поляризованный Плоско поляризованный Частично поляризованный

 

Рис. 10. Схематичное изображение направления колебания вектора напряженности в электромагнитной волне для неполяризованного

и поляризованного света

 

Плоскость, в которой колеблется электрический вектор , называется плоскостью колебаний, или плоскостью поляризации.

Поляризация света наблюдается при отражении, преломлении и при прохождении света через анизотропные вещества. Приборы для получения поляризованного света называются поляризаторами. Визуально поляризованный свет нельзя отличить от неполяризованного. Анализ поляризованного света делают с помощью поляризатора, через который пропускают исследуемый свет. В таких случаях поляризатор называют анализатором.

Для явления поляризации справедливы следующие законы.

1. При отражении световых лучей от поверхности изотропных диэлектриков, например от поверхности стекла, воды и так далее, отраженные лучи оказываются частично поляризованными в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. Степень поляризации отраженных лучей меняется при изменении угла падения. Отраженный луч будет плоскополяризован только в том случае, если угол падения имеет определенную величину φ_Бр, называемую углом полной поляризации или углом Брюстера. Теория и опыт показывают, что угол полной поляризации в этом случае удовлетворяет условию:

,

(13)

где n – относительный показатель преломления второй среды относительно первой. Это закон Брюстера. Иными словами, угол падения света (угол Брюстера) определяется при условии, когда отраженный и преломленные лучи взаимоперпендикулярны. Преломленный свет всегда частично поляризован.

2. Если на анализатор падает плоскополяризованный свет, плоскость поляризации которого составляет угол α с плоскостью поляризации лучей, пропускаемых анализатором, то интенсивность пропущенного им света I_П будет определяться соотношением:

,

(14)

здесь I_П – интенсивность света, падающего на анализатор. Это закон Малюса.

Если частично поляризованный свет пропускать через анализатор, то интенсивность I_A прошедшего света будет меняться в зависимости от положения плоскости поляризации анализатора (ППА). Она достигает максимального значения I_max, если ППА и плоскость преимущественных колебаний частично поляризованного света совпадает. Если эти плоскости перпендикулярны друг другу, то интенсивность света, прошедшего через поляризатор, будет минимальной I_min.

Для характеристики поляризованного света вводится величина, называемая степенью поляризации света Р, которая определяется соотношением:

.

(15)

Очевидно, что 0 < Р < 1. Для естественного света Р = 0, так как I_min = I_max, a для плоскополяризованного света Р = 1, т.к. I_min = 0.

 

Описание установки

 

Для исследования закона Брюстера и Малюса используется специальная установка, которая крепится на оптической скамье. Схема ее приведена на рис.11.

Рис. 11. Схема установки для изучения поляризации.

 

Свет от лампы 1 через отверстие в корпусе 2 попадает на стеклянную пластину 3, помещенную в защитный корпус 4. Изменение угла падания света осуществляется поворотом ручки держателя стеклянных пластин. Стрелка 6 на крышке держателя (при правильной настройке прибора!) указывает угол падения света. К установке прилагается набор съемных стеклянных пластин, закреплённых в обоймы (по 2, 4, 7, 12 штук). Отраженный от пластины частично поляризованный свет через анализатор 7 попадает на фотоэлемент 8, подключенный к вольтметру 9. Показания вольтметра пропорциональны световому потоку, попадающему на фотоэлемент. Положение плоскости поляризации анализатора отмечается по шкале 10 с помощью указателя.

Узел анализатор-фотоэлемент закреплён на коромысле 11, которое может поворачиваться вокруг вертикальной оси на угол от 50° до 180°.

Отражающая пластина 3 может вращаться вокруг вертикальной оси, и у отраженного от нее частично поляризованного света плоскость преимущественных колебаний вертикальна. На фотоэлемент 8 попадает световой поток, зависящий от положения ППА 7 – он будет максимальным (показание вольтметра 9 максимально), если ППА вертикальна, и минимальным, если ППА горизонтальна. Как следует из теоретических представлений, интенсивность этих двух составляющих (а следовательно, и показания вольтметра), поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях, будет меняться в зависимости от угла падения света φ в соответствии с графиком, показанных на рис. 12.

Изменяя угол падения света на пластину и отмечая показания вольтметра, можно найти угол полной поляризации или угол Брюстера.

Для изучения закона Малюса дополнительный используется поляризатор 12.

 

 

Рис. 12. Зависимость интенсивности отраженного света

I_min и I_maxот угла падения φ