Лабораторная работа 6 по физике (3 семестр). Исследование линейно поляризованного света
 Скачать 426.13 Kb.
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА) Кафедра физики ОТЧЕТ по лабораторной работе №6 по дисциплине «физика» Тема: «Исследование линейно поляризованного света» Студент гр. 0402 Акимов Н.А. Преподаватель Лоскутников В.С. Санкт-Петербург 2021 1 Лабораторная работа 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЕЙНО ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА Цели работы: проверка закона Малюса; определение степени поля- ризации света. Экспериментальная установка (рис. 6.1 состоит из источника есте- ственного света S (лампа накаливания), диафрагмы D, линзы L, сменных светофильтров С, поляризатора Р, анализатора А, фотоэлемента Ф и мик- роамперметра РА. Угол φ между главными сечениями поляризатора и анализатора можно изменять вращением анализатора вокруг оси, совпа- дающей с оптиче ской осью установки. Угловое положение главного се- чения анализатора определяется по шкале, находящейся на его корпусе. D P А Ф K S PA Рис. 6.1. Установка для проверки закона Малюса Сила тока в цепи фотоэлемента пропорциональна интенсивности света I, падающего на фотоэлемент. Интенсивность света, прошедшего через анализатор, измеряется в условных единицах (делениях шкалы микроам- перметра). Общие сведения В электромагнитной волне, распространяющейся в безграничном пространстве, векторы напряженности электрического Е и магнитного Н полей перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикуляр- ной направлению распространения волны, определяемому волновым век- тором k, т. е. электромагнитная волна является поперечной. Плоскость, в которой лежат векторы Е и k, называется плоскостью колебаний, а пер- пендикулярная ей плоскость, в которой лежат векторы Н и k, – плоско- 2 стью поляризации. Если положение плоскости колебаний неизменно во времени, то волна называется плоско или линейно поляризованной. Воз- можны и другие типы поляризации поперечной волны, при которых ко- лебания вектора Е, оставаясь в плоскости, перпендикулярной направле- нию распространения, имеют более сложный характер (конец вектора описывает эллипс или окружность). Волна имеет тогда эллиптическую или круговуюполяризацию. Световые волны суть электромагнитные волны с длинами волн от 400 до 760 нм. Свет от обычных (не лазерных) источников (например, от нити накаливания ламп) представляет собой совокупность большого чис- ла волновых пакетов (цугов волн), каждый из которых является результа- том единичного акта испускания электромагнитного излучения атомом вещества. Электромагнитная волна в каждом волновом пакете линейно поляризована. Отсутствие взаимосвязи между актами испускания различ- ных атомов приводит к тому, что плоскости колебаний различных волно- вых пакетов ориентированы случайным образом. Такой распространяю- щийся от источника свет называется естественным. В естественном све- те все ориентации взаимно перпендикулярных векторов Е и Н в плоско- сти, перпендикулярной направлению распространения волны, равноверо- ятны и плоскость поляризации меняется хаотически. Если положение плоскости колебаний в световой волне каким-либо образом упорядочено, то свет поляризован (частично поляризован). Получение поляризованного света возможно при разнообразных физи- ческих эффектах – прохождения света через анизотропные среды, отраже- нии от диэлектриков и др. Устройства для получения поляризованного све- та называются поляризаторами. Поляризаторы пропускают колебания, па- раллельные плоскости, называемой плоскостью поляризатора, и полностью или частично задерживают колебания, перпендикулярные этой плоскости. Поляризация при двойном лучепреломлении. Если электромагнитная волна падает на границу раздела двух изотропных сред, то во второй среде имеется только одна волна, распространяющаяся по «обычным» законам преломления. Если вторая среда анизотропна, т. е. ее свойства (в частности диэлектрическая проницаемость) различны вдоль разных направлений, то во второй среде распространяются две различно преломленных волны (обыкновенная и необыкновенная) с разными скоростями. Это явление называется двойным лучепреломлением. Обыкновенная и необыкновенная волны линейно поляризованы, и плоскости их колебаний взаимно перпен- 3 дикулярны. Эффект двойного лучепреломления света наблюдается в про- зрачных анизотропных кристаллах. У одноосных кристаллов (исландский шпат, турмалин) имеется направление (оптическая ось), вдоль которого обе волны распространяются с одинаковой скоростью. Плоскость, проведенная через оптическую ось кристалла и направление распространения света, называется главным сечением кристалла. Колебания вектора Е в обыкно- венной волне перпендикулярны плоскости главного сечения кристалла, в необыкновенной – совершаются в плоскости главного сечения. Одним из широко распространенных поляризаторов света является призма Николя (рис. 6.2), изготовленная специальным образом из исланд- ского шпата так, что необыкновенная e волна проходит через призму, а обыкновенная о претерпевает на прослойке AA′ из канадского бальзама полное отражение и поглощается зачерненной гранью A′C. Рис. 6.2. Поляризатор (призма Николя) В некоторых кристаллах одна из преломленных волн поглощается больше, чем другая (явление дихроизма). Турмалин, например, поглощает почти полностью обыкновенную волну в слое толщиной 1 мм. Явление дихроизма положено в основу поляроидов – одного из видов поляризато- ров. Используемые в лаборатории поляроиды представляют собой тонкие целлулоидные пленки с введенными в них и одинаковым образом ориен- тированными кристалликами сульфата йодистого хинина. В таких поля- роидах одна из плоско поляризованных волн поглощается при толщине пленки около 1 мм. Пленка защищена от механических повреждений и действия влаги пластинками изстекла. Закон Малюса. Пусть на анализатор падает плоско поляризованная волна с амплитудой напряженности электрического поля 1 E , плоскость колебаний которой (волны) образует с плоскостью главного сечения по- 4 ляризатора угол φ (рис. 7.2). Интенсивность волны пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. На выходе анализатора амплитуда напряженности электрического поля будет равна 1 cos φ E , а интенсивность света пропорциональна ( ) 2 1 cos φ E Таким образом, 2 1 cos φ I I = (6.1) Соотношение (6.1) представляет собой закон Малюса. Рис. 6.3. К обоснованию закона Малюса Если на поляризатор падает естественный свет с интенсивностью 0 I , то все значения φ равновероятны и доля света, прошедшего через поля- ризатор, будет равна среднему значению 2 cos φ 1 2 = . При вращении поляризатора вокруг направления естественного луча интенсивность све- та остается постоянной, а изменяется лишь направление плоскости коле- баний света, выходящего из прибора. Интенсивность прошедшего света, регистрируемая детектором, при этом остается постоянной и равной 0 2 I . Если после первого поляризатора установить второй однотипный поляризатор, называемый анализатором, то интенсивность на выходе анализатора будет изменяться по закону Малюса (6.1): 2 2 2 1 0 cos φ ( 2)cos φ I I I = = , 5 где 0 I и 1 I – интенсивности естественного и линейно поляризованного света на входе первого и второго поляризаторов соответственно; φ – угол между плоскостями поляризатора и анализатора. Частично поляризованный свет. Степень поляризации. Идеальных поляризационных устройств не бывает, и полученные с помощью реаль- ных поляризационных устройств световые пучки всегда частично поля- ризованы, то есть представляют смесь поляризованного и неполяризо- ванного света с интенсивностями и . Для характеристики частично поляризованных световых пучков вводят понятие степени поляризации, под которой понимают отношение интенсивности поляризованной со- ставляющей к полной интенсивности светового пучка на выходе поляри- затора: п п е ( ) P I I I = + Этому выражению можно придать другой вид. Если такой частично поляризованный свет пропустить через анализатор, то при вращении при- бора вокруг направления луча интенсивность света на его выходе будет изменяться в пределах от max п е 2 I I I = + до min е 2 I I = при параллельных (φ 0 ) = и взаимно перпендикулярных (φ 90 ) = плоскостях поляризатора и анализатора соответственно. При этом учтен тот факт, что поляризованная и естественная составляющие при прохождении через анализатор линейно поляризованы и изменяются в соответствии с законом Малюса: 2 2 2 п е п е (φ)= cos φ+ cos φ cos φ+ 2 I I I I I = (6.2) Выразив п max min I I I = − и е min 2 I I = через max I и min I , получим max min max min ( ) ( ) P I I I I = − + (6.3) Для плоско поляризованного света min 0 I = и 1 P = . п I е I Обработка косвенных измерений выборочным методом Максимальные и минимальные интенсивности 𝑁 = 6, 𝑃 = 95%, 𝑡 , = 2,6, 𝛽 , = 0,40 Таблица 1. Формула 𝐼̅ = 1 𝑁 𝐼 𝑆 = ∑(𝐼 − 𝐼̅) 𝑁(𝑁 − 1) 𝛥𝐼 = 𝑡 , 𝑆 𝑅 = 𝐼 − 𝐼 𝐼 = 83 0 0 0 𝐼 = 35 0 0 0 Таблица 2. 𝛥𝐼 = 𝛽 , 𝑅 𝜃 = 1 𝑁 𝜃 𝛥𝐼̅ = 𝛥𝐼 + 𝜃 𝐼 = 𝐼̅ ± 𝛥𝐼̅ 𝛿𝐼 = 𝛥𝐼̅ 𝐼̅ 100% 0 0,5 0,5 83,0 ± 0,5 0,6 0 0,5 0,5 35 ± 0,5 1,4 Расчет степени поляризации света Таблица 3. 𝑃 = 𝐼̅ − 𝐼̅ 𝐼̅ + 𝐼̅ 𝛥𝑃 = 2 (𝐼̅ 𝛥𝐼̅ ) + (𝐼̅ 𝛥𝐼̅ ) (𝐼̅ + 𝐼̅ ) 𝑃 = 𝑃 ± 𝛥𝑃 𝛿𝑃 = 𝛥𝑃 𝑃 100% 0,41 6,5 × 10 0,41 ± 0,01 2,44 График зависимости 𝒚(𝝋) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0 50 100 150 200 250 300 350 400 𝑦 (𝜑 ) 𝜑 y_т (φ) y_э (φ) Imax Imin |