оптика. Практикум Оптика и атомная физика
 Скачать 2.29 Mb.
|
|
Контрольные вопросы . Дифракция света. Метод Гюйгенса - Френеля . Метод зон Френеля. Дифракция от круглого отверстия. Дифракция от одной щели. Почему нулевой максимум имеет наибольшую яркость? Почему он белый (при освещении белым светом) ? Дифракция на двух щелях. Дифракционная решетка. Причина возникновения дисперсии (спектра) при использовании дифракционной решетки. Описание экспериментальной установки. Литература 1. И.В.Савельев Курс общей физики, т2.- М.: «Наука» 1978, С.372-398 2. Т.И.Трофимова Курс физики, М.: «Высшая школа», 2002г., С.332-341 3. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф Курс физики, т.3. – М.: «Высшая школа», 1979г. С.103-116 Лабораторная работа № 3.6 Изучение поляризации света. Проверка закона Малюса. Краткая теория. Поляризация света. К  ак известно, свет представляет собой электромагнитные волны. Векторы напряженности электрического и магнитного поля (  и  ) в каждый момент времени взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волны (рис. 1.). Обычные источники света являются совокупностью огромного числа быстро высвечивающихся (10-7 – 10-8) с элементарных источников (атомов и молекул), каждый из которых испускает волны с определенной ориентацией векторов и . Но элементарные источники испускают свет совершенно независимо друг от друга с разными фазами и с разной ориентацией векторов и . Световая волна с различной ориентацией , а следовательно и , называется естественным светом .Векторы и в каждой точке волны пропорциональны по величине друг другу , поэтому состояние световой волны можно характеризовать значением одного из этих векторов , а именно . Последнее целесообразно, поскольку именно вектор определяет фотоэлектрическое, фотографическое, зрительное и т. д. действия света. В естественном луче колебания вектора беспорядочно меняют направления, оставаясь в плоскости, перпендикулярной лучу ( рис. 2 а ) .Е  сли какое - либо направление колебаний является преимущественным , то свет называется частично - поляризованным (рис. 2 б).Если колебания вектора могут совершаться лишь в одном определенном направлении в пространстве , то свет называется плоскополяризованным ( рис. 2 в ) .Если же в плоскополяризованном луче колебания вектора совершаются так, что его конец описывает круг, то свет называется поляризованным по кругу (рис 2.г)В плоскополяризованном луче плоскость колебаний вектора называется плоскостью колебаний. Плоскость, проходящая через луч и вектор , называется плоскостью поляризации.Схематически естественный и плоско поляризованный луч можно изображать , как показано на рис. 3 С  уществует несколько способов поляризации света. Приведем некоторые из основных. 1. Закон Брюстера, или поляризация при отражении от поверхности диэлектрика .  Отраженный от диэлектрика ( например, стекла ) свет всегда частично поляризован. Степень поляризации отраженного луча зависит от относительного показателя преломления диэлектрика и от угла падения луча i . Опыт показывает, что отраженный луч оказывается полностью плоско поляризованным, если тангенс угла падения равен показателю преломления,  (1)при этом угол между отраженным и преломленным лучами равен 90, а угол iБ называется углом полной поляризации, или углом Брюстера (рис.4) . Полученное соотношение (1) называется законом Брюстера . Он читается так: Тангенс угла полной поляризации при отражении от диэлектрика равен показателю преломления отражающей среды.  Преломленный луч при этом частично поляризован. Колебания вектора в этом луче совершаются преимущественно в плоскости падения . Для увеличения степени поляризации проходящего света используют стопу стеклянных пластин . При угле падения , равном углу Брюстера и достаточно большем числе пластин выходящий луч практически полностью поляризован . . 2. Поляризация при двойном лучепреломлении. Явление двойного лучепреломления наблюдается в анизотропных средах. Анизотропной средой называется среда, физические свойства которой в различных направлениях различны ( например, кристаллы кварца, исландского шпата, турмалина и др. ). Предметы, рассматриваемые через такие кристаллы, кажутся раздвоенными. Н  а рис.6 показано прохождение света через кристалл исландского шпата. Прямая О1О2 называется кристаллографической осью. Всякое направление в кристалле, параллельное О1О2 называется оптической осью. Луч, распространяющийся в этом направлении, не испытывает двойного лучепреломления.Сечение NО1NО2 называется главным сечением кристалла. Эта плоскость проходит через оптическую ось и луч. Естественный луч разделяется в кристалле на два луча: BD и BС . Луч BС называется обыкновенным лучом и обозначается «о» . Скорость его в кристалле не зависит от кристаллографического направления , и он подчиняется обычным законам преломления . Показатель преломления для него также не зависит от направления и равен :  Луч BD называется необыкновенным «е». Скорость его в кристалле зависит от направления: показатель преломления также зависит от направления в кристалле и равен  Т  аким образом, необыкновенный луч не подчиняется законам преломления. Он, как правило, не лежит в плоскости падения и отклоняется от луча о даже при нормальном падении (рис. 7) . Вдоль направления оптической оси двойного лучепреломления нет. На рис 6 и 7 показано , что как в кристалле , так и по выходе из него лучи о и е поляризованы . Колебания вектора в луче е совершается в плоскости главного сечения ( отмечены черточками ), а в луче о – в плоскости, перпендикулярной главному сечению (отмечены точками) . Свойства обоих лучей , вышедших из кристалла , за исключением направления поляризации , абсолютно одинаковы . Ч  тобы использовать такие поляризованные лучи для технических целей, их надо отделить один от другого. Это осуществляется в призме Николя . Для изготовления призмы Николя две естественные грани кристалла исландского шпата срезают так, чтобы уменьшить угол между поверхностями до 68 . Затем кристалл распиливается на две части по плоскости ВD под углом 90 к новым граням. Обе половины склеиваются канадским бальзамом. На переднюю грань призмы падает луч S естественного света. В призме он раздваивается на два луча - обыкновенный (n0 = 1,658) и необыкновенный (ne = 1,515). Так как ne<nк.б.<n0 , то слой канадского бальзама оптически менее плотен , чем исландский шпат , для обыкновенного луча и оптически более плотен для необыкновенного луча . Обыкновенный луч падает на поверхность канадского бальзама под углом , бóльшим предельного , и , претерпев полное внутреннее отражение , поглощается в оправе призмы . Необыкновенный луч свободно проходит через слой канадского бальзама и после преломления на задней грани выходит из призмы параллельно падающему лучу S . Таким образом, призма Николя преобразует естественный свет в свет плоскополяризованный , плоскость колебаний которого совпадает с главной плоскостью призмы . 3. Поляроиды . Кроме рассмотренных выше способов поляризации света применяются также искусственные пленки - поляроиды , представляющие собой целлулоидные пленки , в которые введено большее количество мелких кристаллов иодида хинина - герапатита . Такая пленка пропускает только необыкновенные лучи и поглощает обыкновенные . Закон Малюса  Если на пути плоскополяризованного луча поставить второй поляроид (анализатор), то вращая последний, можно погасить луч. В качестве анализатора используются те же поляризаторы (диэлектрики, николи, поляроиды). На рис. 9. изображен поляризатор Р, из которого выходит поляризованный свет (вектор колеблется в направлении РР), и анализатор А (колебания вектора по АА).По закону Малюса: Интенсивность света І, выходящего из анализатора, пропорциональна квадрату косинуса угла α между направлением плоскостей колебаний (вектора ) поляризатора и анализатора, т.е.  , (1)где І0 – интенсивность света, выходящего из поляризатора. (поскольку поляризатор пропускает только необыкновенный луч, то половина интенсивности естественного света, І0 , падающего на поляризатор теряется, т.е., І0=І/2). Закон Малюса очень легко выводится. Поскольку интенсивность волны всегда пропорциональна квадрату амплитуды колебаний, то  , (2)где ЕР и ЕА - амплитуды колебаний, прошедших поляризатор и анализатор. Из рис. 9 видно  , (3)отсюда  (4)Если направления плоскостей колебаний поляризатора и анализатора перпендикулярны α = 90о , то говорят, что поляризатор и анализатор скрещены (установлены на гашение света – через скрещенные поляроиды свет не проходит). Если направления плоскостей поляризатора РР и анализатора АА совпадают α = 0о, то интенсивность проходящего света будет максимальной. Для любого другого угла α интенсивность света вычисляется по закону Малюса. Описание установки и порядок выполнения работы . У  становка для проверки закона Малюса представляет собой штатив микроскопа 1 , на котором укреплены : осветитель 2 , поляризатор 3 , анализатор 4 , смонтированный на лимбе 5 , и фотоэлемент 7 . Лампочка осветителя на 8В питается от источника 8 , который включается тумблером 9 . Лимб 5 вместе с анализатором 4 может вращаться вокруг вертикальной оси. Лимб имеет деления от 0 до 360, и угол поворота считывается против нуля нониуса 6 . С  вет, прошедший через анализатор, регистрируется фотоэлементом 7. Фототок измеряется микроамперметром 10 . Таким образом по силе фототока можно судить об интенсивности света, прошедшего через анализатор. ( сила фототока пропорциональна интенсивности света ). Оптическая схема установки показана на рис. 10 . Цель работы - проверить , действительно ли интенсивность света  , выходящего из анализатора , пропорциональна квадрату косинуса угла между направлением плоскостей колебаний поляризатора и анализатора , как это утверждает закон Малюса .Для этого : 1 . Задавшись значениями угла от 0 до 90 через 10 и значениями (задается преподавателем ) , рассчитайте по закону Малюса теоретическое значение  для разных . Данные расчетов занесите в таблицу :
2  . Постройте график зависимости . Это должна быть прямая линия . 3 . Совместите на установке “ нуль ” лимба с “ нулем ” нониуса. В этом положении = 0. Затем с помощью световой диафрагмы установите на микроамперметре заданное значение I , но при = 0 ,  ) . 4 . Постройте график зависимости от 0 до 90 и сравните его с теоретическим. |
