Методические указания к выполнению лабораторной работы о73 Москва 2014 2 введение
 Скачать 0.52 Mb.
|
|
Задание 4. Наблюдать явление двойного лучепреломления и проанализировать поляризацию двух пучков света. Порядок выполнения задания. 1. Двойное лучепреломление наблюдают на небольшом кристалле исландского шпата (см. рис. 9). Кристалл освещают неполяризованным светом со стороны маленького отвер- стия. Со стороны большого отверстия наблюдают через анализатор (поляроид) два пуч- ка света. Если входное отверстие не очень маленькое, два пучка света могут частично перекрываться. 2. C помощью анализатора изучить поляризацию света. Убедиться в том, что свет в пучках поляризован, а плоскости колебаний в них взаимно перпендикулярны. 23 3. По результатам работы составить отчет. Задание 5.Изучить закон Малюса. Задание выполняют на установке №1, в которой лазер служит источником линейно- поляризованного света, падающего на анализатор. Экспериментально проверяя закон Малюса I = I 0 cos 2 (см. формулу (1)), необходимо измерять угол между направлением светового векто- ра лазера и направлением пропускания анализатора. Как отмечалось выше, по небрежности фирмы-изготовителя лабораторной установки угловая шкала анализатора не соответствует строго этому условию, она «сбита» в сторону на несколько градусов. Этот недочет необходимо исправить при выполнении данного задания. Внимание! Прямое или зеркально отраженное излучение лазера опасно для глаза. Порядок выполнения задания. 1. Собрать установку (см. рис. 15). Угломерную шкалу анализатора развернуть в сторону лазера. 2. Приемник света подключить к мультиметру, который используется в режиме измерения постоянного тока (предел измерений – 2 миллиампера). 3. Насадка с белым экраном на входном окне приемника должна отсутствовать. 4. Включить лазер. Для этого вставить сетевую вилку в розетку 220 В и повернуть ключ на лазере. 5. Установить анализатор в положение φ = 0. 6. Настроить установку таким образом, чтобы узкий лазерный луч попадал в центр кристал- ла приемника. Тщательно закрепить все настроечные винты. При выполнении задания следить за тем, чтобы лазер не развернулся в сторону. 7. Для исключения посторонней засветки приемника надеть на приемник бленду в виде трубки или U–образной шторки. Включить питание мультиметра. 8. Оценить влияние посторонней засветки приемника. Для этого измерить силу тока прием- ника (I max ) при φ = 0 и силу тока засветки (I 0 ), когда свет перекрыт вблизи лазера. Необ- ходимо, чтобы выполнялось условие: I 0 << I max . Значение I 0 записать в заголовок табл. 1. 9. Медленно вращая анализатор вблизи угла 90°, найти такое его положение, при котором ток приемника минимален. Этому положению анализатора необходимо приписать угол φ = 90°. Измерить силу тока приемника при φ = 90°. Результат измерения записать в табл. 1. Таблица1 Закон Малюса Сила тока засветки I 0 = … 24 φ, ° Сила тока I, мА I – I 0 , мА 0 0 max I I I I cos 2 φ Примечание: таблица должна содержать 10 строк. 10. Повернуть анализатор на 10° в направлении уменьшения угла. Этому положению анали- затора будет соответствовать угол φ = 80°. Измерить силу тока приемника при φ = 80°. Результат измерения записать в табл. 1. 11. Повторить измерения п. 10, уменьшая каждый раз угол φ на 10° до конечного угла φ = 0°. Результаты измерений записать в табл. 1. 12. Выключить лазер. Обработка результатов измерений в задании 5. 1. Из результатов измерений силы тока I исключить ток засветки I 0, вычислив значение I – I 0 2. Вычислить отношение 0 0 max I I I I , в котором знаменатель – результат измерения при φ = 0. Это отношение есть интенсивность света, прошедшего через анализатор, в относи- тельных единицах. 3. Вычислить значение cos 2 φ. 4. По результатам измерений построить на миллиметровой бумаге графическую зависи- мость величины 0 0 max I I I I от cos 2 φ. Нанести на график экспериментальные точки (от- четливыми значками) и провести через них и начало координат наилучшую прямую ли- нию. 5. Сделать вывод: получено ли согласие с законом Малюса (см. формулу (1)). Задание 6. Наблюдать деполяризацию света лазера при отражении от матовой поверхности. В результате взаимодействия поляризованного света со средой в ряде случаев происходит уменьшение степени поляризации. Это явление называется деполяризацией света. Причины де- поляризации могут быть различные. К деполяризации приводит, например, рассеяние света в мутной среде или при отражении от матовой поверхности. Порядок выполнения задания. 1. Задание выполняют на установке с лазером (см. рис. 15). Надеть на приемник насадку с экраном из белой бумаги. 25 2. Снять с оптической скамьи анализатор и рассматривать через него светлую точку на эк- ране. 3. Вращая анализатор, оценить состояние поляризации света, рассеянного бумагой. 4. По результатам работы составить отчет. Задание 7. Наблюдать оптическую активность раствора сахара и оценить его концентра- цию. Задание выполнять на установке с лазером (см. рис. 15). Установка содержит лазер, анализа- тор и белый экран. К установке прилагается кювета с раствором сахара в воде. Порядок выполнения задания. 1. Подготовить табл. 2 для записи результатов измерений. 2. Угломерную шкалу анализатора развернуть в сторону лазера. 3. Включить лазер и направить его луч на белый экран. 4. В отсутствие кюветы вращением анализатора максимально ослабить свет на экране. Это произойдет при угле, близком к +90°. Отличие от угла 90° возникает вследствие того, что световой вектор лазера немного смещен от вертикали. При наибольшем затемнении на экране заметить положение риски отсчета на угломерной шкале. Примечание: положе- ние риски может выйти за пределы угловой шкалы на несколько градусов. 5. Внести кювету с раствором сахара между лазером и анализатором. При этом возрастет яркость света на экране вследствие поворота плоскости поляризации при прохождении света через раствор. 6. Поворотом анализатора на угол, который обозначим φ, восстановить наибольшее затем- нение света на экране. Измерить угол φ. Результат измерения записать в табл. 2. Угол φ принять равным углу вращения плоскости поляризации при прохождении света через раствор. 7. Определить направление вращения плоскости поляризации при прохождении света через раствор. Это направление совпадает с направлением вращения анализатора. Например, если анализатор был повернут по ходу часовой стрелки, если смотреть навстречу хода луча, то оптическая активность – правовращающая. 8. Записать в табл. 2 длину кюветы l, которая приведена на кювете. 9. Вычислить концентрацию сахара c по формуле (5), где [α] = 57°,5. Результат вычисления привести в табл. 2. Таблица 2 Изучение оптической активности раствора сахара Длина кюветы l, дм φ,° Направление враще- Концентрация c, г/мл 26 ния Задание 8. Получить свет эллиптической и круговой поляризации. Свет круговой поляризации обычно получают из естественного света, пропуская его че- рез циркулярный поляризатор. Циркулярный поляризатор состоит из соединенных вместе поля- роида, который превращает естественный свет в линейно-поляризованный, и пластинки λ/4, осуществляющей сдвиг фаз ортогональных компонент на π / 2 (см. рис. 14). Свет проходит сна- чала через поляроид, а затем через пластинку λ/4. Оптическая схема опыта для получения света эллиптической (и круговой) поляризации представлена на рис. 21. В качестве источника света используется лазер Л. Поскольку лазер испускает линейно-поляризованный свет, поляроид не нужен. Световой вектор лазера направ- лен примерно вертикально. Затем свет проходит через пластинку λ/4, которая имеет два глав- ных направления – оси x и y (см. рис. 12 и 21). Поворотом пластинки λ/4 вокруг луча света можно изменять угол α между световым вектором линейно-поляризованной волны лазера и осью x (на рис. 21 показан случай, когда α = π/2). В зависимости от углаα получают свет с раз- личной поляризацией (см. рис. 13). За пластинкой λ/4 стоят анализатор А (поляроид) и белый экран Э. Интенсивность света на экране оценивают визуально. Если при вращении анализатора интенсивность света не изменя- ется, то поляризация круговая. Если интенсивность света изменяется (но не до почти полного затемнения), то свет имеет эллиптическую поляризацию. Если при вращении анализатора свет можно погасить практически полностью, то поляризация осталась линейной. Порядок выполнения задания. 1. Установить насадку с белым экраном на приемник. Л А Э Рис. 21 x y /4 27 2. Включить лазер, направить его луч на экран. 3. Повернуть анализатор до практически полного гашения света на экране. 4. Пластинка λ/4, изготовленная из полимерной пленки или листочка слюды, вмонтиро- вана в квадратную рамку. Главные направления пластинки (x и y), показанные на рам- ке, примерно параллельны сторонам рамки. Рамку с пластинкой λ/4 держать в руках, прислонив ее к торцу корпуса лазера. 5. Повернуть пластинку λ/4 так, чтобы ось x была горизонтальна. Вращая пластинку на очень небольшие углы в одном и в другом направлениях найти положение наибольше- го затемнения на экране. При этом световой вектор лазера будет совпадать с направ- лением оси y (см. рис. 13, в). В этом случае свет, прошедший через пластинку λ/4, со- храняет линейную поляризацию. Вращением анализатора убедиться в этом. 6. Повернуть пластинку λ/4 так, чтобы ось x была вертикальна. Небольшими вариациями углового положения пластинки опять добиться наибольшего затемнения. Теперь све- товой вектор направлен вдоль оси x. Вращением анализатора проверить состояние по- ляризации, которая должна остаться линейной. 7. Повернуть пластинку так, чтобы угол между осью x и горизонталью составлял при- мерно 10…20° (см. рис. 13, а). В этом случае возникает эллиптическая поляризация, и при вращении анализатора интенсивность света должна изменяться в небольших пре- делах. 8. Для получения круговой поляризации ось x должна составлять угол 45° с горизонта- лью (см. рис. 13, б). Если при вращении анализатора интенсивность света практиче- ски не изменяется, то поляризация круговая. 9. Если при вращении анализатора (см. п. 8) происходят небольшие изменения интенсив- ности света, то поляризация близка к круговой. В этом случае следует немного изме- нить угловое положение пластинки с целью получения круговой поляризации. 10. По результатам работы составить отчет. 11. Контрольный вопрос. Предположим, что свет выходит из «черного ящика», устройст- во которого неизвестно. Анализ показал, что при вращении поляроида его интенсив- ность не изменяется. Следовательно, свет либо естественный (неполяризованный), ли- бо поляризованный по кругу. С помощью какого дополнительного устройства (детали) и каким опытом можно сделать правильный выбор? Задание 9. Измерить угол Брюстера. Порядок выполнения задания. 1. В установке № 3 (см. рис. 17) включить лампу. Тумблером установить наибольшую яркость. 28 2. Состояние поляризации света определяют с помощью анализатора А (поляроида), который держат перед глазом. Убедиться в том, что прямой свет лампы не поляризован, а отраженный от стекла поляризован, и его интенсивность зависит от угла наблюдения. 3. Наблюдая отражение света под большими углами падения и при этом вращая поляроид, найти положение, при котором интенсивность отраженного света минимальна. В этом положе- нии поляроида, изменяя наклоном головы углы наблюдения и слегка вращая поляроид в обе стороны, найти угол падения света, при котором отраженный свет можно практически полно- стью погасить поляроидом. Это будет угол Брюстера. 4. Убрать руку с поляроидом и заметить, против какого деления линейки расположено изображение нити лампы. Это значение будет соответствовать величине l в оптической схеме на рис. 17. Измерить значение l и записать результат в табл. 3. 5. Измерить расстояние a от нити лампы до стекла (см. рис. 17) и записать результат в табл. 3. 6. Вычислить угол Брюстера по формуле i Б = arctg (l / a). 7. Вычислить показатель преломления стекла (см. формулу (3)) n 2 = n 1 tg i Б = l / a, где n 1 = 1 есть показатель преломления воздуха. 8. Результаты опыта представить в табл. 3. Таблица 3 Определение угла Брюстера l, см a, см i Б , град n 2 9. Отраженный от диэлектрика свет удобно использовать для нахождения направления про- пускания поляроида. Как видно из рис. 10, при отражении под углом Брюстера световой вектор перпендикулярен плоскости падения. Наблюдая отраженный свет через поляроид, определить направление пропускания поляроида. Сравнить это направление с линией двух точек на оправе. 10. По результатам работы составить отчет. Задание 10.Измерить концентрацию сахара в растворе. Целью данного задания является ознакомление с поляриметром – прибором для измерения кон- центрации вещества, обладающего оптической активностью. В задании определяют концентрацию сахара в водном растворе путем измерения угла вращения плоскости поляризации при прохожде- нии линейно-поляризованного света через раствор. 29 При выполнении данного задания используется метод относительных измерений, который за- ключается в измерении угла вращения φ э для эталонного раствора с известной концентрацией С э и угла вращения φ х для раствора с неизвестной концентрацией С х . В обоих случаях длины кювет одинаковые. Поскольку углы поворота пропорциональны концентрациям (см. формулу (5)), то С х = С э φ х / φ э Порядок выполнения задания. 1. Подготовить табл. 4 для записи результатов измерений. Таблица 4 Измерение концентрации сахара С э = … г/мл; С x = … г/мл Номер измерения φ э φ х 1 2 3 Среднее значение [φ э ] = [φ х ] = 2. Подготовить поляриметр к измерениям (см. рис. 20). Включить лампу. Если в соедини- тельной трубке есть кювета, убрать ее. Вращением окуляра 4 зрительной трубки полу- чить резкое изображение линии раздела поля зрения (см. рис. 19, б). 3. Перемещением (но не вращением) оправы лупы 5 произвести установку на резкость изо- бражения угловой шкалы. 4. Записать в заголовок табл. 4 значение концентрации С э эталонной кюветы. В соедини- тельную трубку 2 поляриметра поместить кювету с раствором сахара известной концентрации С э и установить окуляр 4 на резкое изображение разделяющей линии поля зрения. 5. Поворачивая анализатор 3, установить равенство яркостей частей поля зрения и опреде- лить по отсчетному устройству с нониусом значение угла φ э . Измерения угла φ э повторить два раза и записать результаты табл. 4. Вычислить среднее значение угла [φ э ]. Примечание. Вращением анализатора 3 уравнивают яркости двух половинок поля зрения в таком положении анализатора, чтобы незначительное смещение анализатора вызывало рез- кое нарушение равенства яркостей двух частей поля. 6. Поместить кювету с раствором сахара неизвестной концентрации С x и измерить три раза угол x . Вычислить среднее значение [φ х ]. 7. Рассчитать концентрацию неизвестного раствора по формуле С х = С э [φ х ] / [φ э ]. Полученное значение С х записать в табл. 4. 30 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. В чем заключается свойство поперечности электромагнитных волн? 2. В каком случае говорят, что свет имеет линейную поляризацию? 3. Как на опыте можно определить, имеет ли исследуемый свет линейную поляризацию? 4. Какие физические явления используются для получения линейно-поляризованного света из света естественного? 5. Что такое круговая, эллиптическая поляризации? 6. Как получить поляризованный по кругу свет? 7. Как отличить поляризованный по кругу свет от света неполяризованного (естественно- го)? 8. Под каким углом (в градусах) падает солнечный свет на поверхность воды (n = 1,33), если отраженный луч имеет степень поляризации P = 1? 9. Что такое оптическая активность? СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Литвинов О.С., Горелик В.С. Электромагнитные волны и оптика: Учеб. пособие. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. – 448с. 2. Иродов И.Е. Волновые процессы. Основные законы: Учеб. пособие для вузов. М., 2001. 3. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учеб. пособие для втузов. М., 1999. 4. Савельев И.В. Курс общей физики. В 3 т. Т. 2. М., 1978. 5. Ландсберг Г.С. Оптика. М., 1976. |