|
|
фгоу. Федеральное агентство связи. Лабораторная работа 6 исследование поляризации электромагнитных волн, при их отражении от диэлектрика выполнил студент группы
Федеральное агентство связи
ФГБОУ ВО «СибГУТИ»
Кафедра физики
Лабораторная работа 7.6
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН, ПРИ ИХ ОТРАЖЕНИИ ОТ ДИЭЛЕКТРИКА
Выполнил студент группы:
ТТ-25 Ткач Артём
Проверил преподаватель:
Иванова Алевтина Георгиевна
Измерения сняты_________________________________
Отчет принят____________________________________
Работа зачтена____________________________________
Новосибирск 2022г
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Определить угол Брюстера. На основе экспериментальных данных рассчитать абсолютный показатель преломления стекла.
2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями вектора Е и перпендикулярного ему вектора Н. Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора Е и, следовательно, Н называется естественным. Свет, в котором направления колебаний вектора Е происходят только в одном направлении, перпендикулярном лучу, называется плоско поляризованным или линейно поляризованным (рис.1).
Рис.1
Плоско поляризованный свет
Если на границу раздела двух диэлектриков падает под углом α, не равным нулю, естественный свет, то отраженная и преломленная световая волны будут частично поляризованы. Векторы напряженности световой волны можно разложить по базису: компонент перпендикулярной и параллельной плоскости падения. На рис.2 изображены параллельные плоскости падения (стрелками) и перпендикулярные плоскости падения (точками) составляющие векторов 65 напряженности электрического поля. Е0 для падающей волны, Е1 для отраженной, Е2 для преломленной.
Рис.2 Разложение колебаний по базису
Значения этих величин следуют из условий на границе раздела двух сред для электрического и магнитного полей световой волны. Формулы, выражающие параллельные и перпендикулярные компоненты амплитуды вектора Е преломленной и отраженной волны, через соответствующие компоненты падающей названы формулами Френеля.
Так как интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды (𝐼𝐸2) и в естественном (неполяризованном) свете все направления колебаний электрического поля равновероятны, то естественный свет можно представить как сумму двух линейно поляризованных волн равной интенсивности, в которых колебания происходят соответственно параллельно и перпендикулярно плоскости падения.
Выражения для интенсивностей можно записать в виде:
В основе механизма поляризации лежит взаимодействие электромагнитной волны с валентными электронами диэлектрика.
Рис.3
Схема поляризации при отражении света от диэлектрической пластины под углом Брюстера.
Используя закон преломления, можно связать 𝛼Б с показателями преломления сред. Брюстером впервые было показано, что степень поляризации обеих волн, при условии:
где nВ – абсолютный показатель преломления той среды, из которой проходит электромагнитная волна, nC – абсолютный показатель преломления диэлектрика. Величина 𝛼Б, входящая в закон Брюстера (10), носит название «Угол Брюстера».
Экспериментальное определение величины 𝛼Б и расчет значения nC составляют основное содержание данной лабораторной работы. В условиях проводимого эксперимента, электромагнитная волна падает на диэлектрик из воздуха, для которого среднее значение абсолютного показателя преломления
(для электромагнитных волн видимого диапазона - 380 760 нм) составляет величину nВ = 1,000292. В пределах точности эксперимента, можно принять значение nВ = 1. В качестве диэлектрика используется набор плоскопараллельных стеклянных пластин с абсолютным показателем преломления nC, вплотную прижатых одна к другой. Такое устройство обычно называют стеклянной стопой. С учетом сказанного, формула (10) преобразуется к виду:
3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
Принципиальная схема установки показана на рис. 4. Электромагнитная волна от источника «И» падает на стеклянную стопу «П» и отражается от не поляризуясь. Для анализа отраженного поляризованного излучения используется поляроид «А», представляющий собой пленку поливинилена толщиной 0,5 мм. Пройдя через поляроид «А», электромагнитная волна падает на поверхность фотоприемника, в качестве которого используется кремневый фотодиод «ФП». К фотоприемнику подключен микроамперметр «μА», который служит для регистрации тока, возникающего в цепи, под воздействием на фотоприемник поляризованной электромагнитной волны. Поляроид «А» и фотоприемник «ФП» объединены в один блок «Б», способный поворачиваться в вертикальной плоскости вокруг горизонтальной оси. Фотоприемник служит для преобразования светового сигнала в электрический. Сила тока i, возникающая в цепи при освещении фотоприемника, пропорциональна интенсивности светового излучения I, падающего на фотоприемник (I i).
Стеклянная стопа «П» закреплена на вращающейся платформе горизонтально расположенного гониометра – прибора, предназначенного для отсчета углов падения волн α. Как и блок «Б», стопа «П» может вращаться вокруг вертикальной оси. Стопа «П» в данном эксперименте выполняет функцию поляризатора электромагнитного излучения, поляроид «А» служит анализатором.
Рис.4
Схема лабораторной установки.
Рис.5
Экспериментальная установка.
Методика измерений
Пусть интенсивность электромагнитной волны, поляризованной при отражении от стопы «П» (рис. 3) равна Iо, а направление колебаний вектора E в этой волне составляет угол φ с плоскостью колебаний анализатора. В этом случае, согласно закону Малюса, интенсивность электромагнитной волны падающей на поверхность фотоприемника «ФП»
Введем параметр, который назовем «степенью поляризации» электромагнитной волны, при ее отражении от стопы «П»
Анализ формулы (13) показывает, что при 𝛼 = 𝛼Б, функция должна иметь максимум.
Поскольку интенсивность электромагнитной волны в условиях подобного эксперимента пропорциональна величине тока фотоприемника «ФП» I =i, то функцию можно представить в следующем виде:
4. ЗАДАНИЕ
Таблица№1
град
|
iмах,мкА
|
iмin,мкА
|
P( )
|
30
|
29,5
|
24,5
|
0,093
|
35
|
30
|
24
|
0,11
|
40
|
30,5
|
22
|
0,162
|
45
|
31
|
19
|
0,24
|
50
|
32
|
16,5
|
0,319
|
52,5
|
33,5
|
15,5
|
0,367
|
55
|
34,5
|
15,5
|
0,38
|
57,5
|
37
|
17
|
0,37
|
60
|
39
|
19,5
|
0,33
|
65
|
47
|
29
|
0,236
|
70
|
57,5
|
44
|
0,133
|
6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
6.1. Дайте понятие поляризации электромагнитных волн.
Поляризация электромагнитных волн – одно из фундаментальных свойств оптического излучения, состоящее в искажении различных направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу.
6.2. В чем сущность закона Брюстера?
Закон Брюстера описывает линейную поляризацию света при отражении луча от поверхности
6.3. Каково назначение поляризатора и анализатора в данной работе?
Поляризатор – прибор, преобразующий естественный свет в полностью или (реже) частично поляризованный.
Анализатор – устройство, предназначенное для определения степени поляризации света или для регистрации её изменений.
Электромагнитная волна от источника падает на поляризатор и отражается от неё, поляризуясь. Для анализа отраженного поляризованного излучения используется анализатор, представляющий собой плёнку поливинилена толщиной 0,5 мм. Пройдя через анализатор, электромагнитная волна падает на поверхность фотоприемника, в качестве которого используется кремневый фотодиод. К фотоприемнику подключен микроамперметр, который служит для регистрации тока, возникающего в цепи, под воздействием на фотоприёмник поляризованной электромагнитной волны.
6.4. Какие величины связывают формулы Френеля? Для какого света они применимы?
Френеля формулы - определяют отношения амплитуды, фазы и состояния поляризации отражённой и преломлённой световых волн, возникающих при прохождении света через границу раздела двух прозрачных диэлектриков, к соответствующим характеристикам падающей волны.
6.5. Дайте качественное объяснение механизма поляризации электромагнитной волны при ее взаимодействии с диэлектриком.
В основе механизма поляризации лежит взаимодействие электромагнитной волны с валентными электронами диэлектрика.
Падающая волна, проникнув в диэлектрик, заставляет входящие в состав атомов электрические заряды совершать вынужденные колебания. Колеблющиеся заряды излучают вторичные электромагнитные волны. не диэлектрика, вторичные волны, налагаясь друг на друга, дают отражённую волну. Внутри диэлектрика вторичные волны складываются с первичной волной. Результирующая первичной и вторичной волн даёт преломленную волну. Вынужденные колебания зарядов совершаются в направлении вектора E этой результирующей волны.
6.6. Сделать вывод рабочей формулы tg 𝛼Б= n С/ n В.
6.7. Почему для угла Брюстера справедливо выражение (𝛼Б + 𝛽) = 𝜋/2
Известно, что при явлении Брюстера угол α + β равен 90°.
Для некоторого угла падения  , для которого выполняется соотношение  , параллельная составляющая интенсивности отражённого луча равна нулю. |
|
|
Скачать 246.8 Kb.
