Прибор Норренберга. Прибор Норренберга
 Скачать 1.05 Mb.
|
Нижегородский государственный университет им.Н.И.Лобачевского Высшая школа общей и прикладной физики Отчёт к лабораторной работе «Прибор Норренберга» Выполнил: студент 2 курса Сальников Николай Нижний Новгород, 2021 г. Часть 1 Исландский шпат Рис. 1: Кристалл исландского шпата Пунктиром на рисунке показано направление главной оптической оси кристалла. Плоскость главного сечения проходит через короткую пространственную диагональ и на- клонное ребро особенной вершины ромбоэдра. В необыкновенной волне вектор E колеблется в главной плоскости, а в обыкновенной - перпендикулярно ей. Полярископ Пропуская луч света через кристалл, наблюдаем две светящиеся точки. Определяем, какая из них создаётся обыкновенным лучом (неподвижная), а какая необыкновенным (подвижная). Вращая кристалл, фиксируем четыре относительных положения обеих точек и главного сечения: Изображение необыкновенной точки оказывается ближе к глазу Вставив в гнездо наглазника анализатор, наблюдаем за изменением яркости обеих точек. Чтобы перейти от полного гашения одной точки к полному гашению другой, анализатор нужно повернуть на 90 ◦ . Следовательно, обыкновенный и необыкновенный лучи линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Чтобы яркость точек стала одинакова, анализатор нужно повернуть на 45 ◦ относи- тельно положения, при котором одна из точек погашена. Определим направление колебаний вектора E, пропускаемых полярископом. Для этого установим поляризатор между свтодиодом и кристаллом, изменив положение шторки на полярископе, после чего вращаем кристалл и добиваемся того, чтобы была видна только одна точка (в нашем случае это была необыкновенная): Так как колебания в необыкновенном луче происходят в главной плоскости, а она в дан- ном случае параллельна плоскости, соединяющей стойки, делаем вывод, что полярископ пропускает свет с колебаниями вектора E вдоль прямой, соединяющей стойки прибора. Вращая кристалл, наблюдаем, как изменяются яркости точек в зависимости от угла меж- ду плоскостью главного сечения и плоскостью колебаний вектора E полярископа. Яркость необыкновенной точки максимальна, когда плоскости параллельны; при вра- щении кристалла она начинает уменьшаться, а когда плоскость главного сечения стано- вится перпендикулярна плоскости колебаний, точка гаснет. Для обыкновенной точки всё наоборот: нулевая яркость при параллельных плоскостях и максимальная при перпенди- кулярных. Далее, вставляем в гнездо вместо наглазника анализатор. Вращая его, наблюдаем за изменением яркости точек. Чтобы перейти от полного гашения одной точки к полному гашению другой, анализа- тор нужно повернуть на 90 ◦ . Чтобы яркость точек стала одинакова, анализатор нужно повернуть на 45 ◦ относительно положения, при котором одна из точек погашена. Часть 2 Обычный прибор Норренберга Проводим опыты с чёрным зеркалом. Для этого устанавливаем прибор по обычной схеме (без удвоения) и заменяем анализатор чёрным зеркалом. Далее, зеркало необходимо установить наклонно под углом, близким к углу Брюстера. Вращая зеркало, фиксируем его положения, при которых интенсивность отражаемого им линейно поляризованного света максимальна и минимальна (положения определяем по относительной ориентировке горизонтальных осей вращения поляризующего и чёрного зеркала): Оси перпендикулярны, интенсивность минимальна Оси параллельны, интенсивность максимальна Рис. 2: Опыт с чёрным зеркалом Из наблюдаемых результатов и того, что излучаемый прибором свет поляризован в плоскости, соединяющей стойки, следует, что отражаемый зеркалом свет поляризован в плоскости зеркала. Повторим опыт, заменив чёрное зеркало стопкой стеклянных пластин, и сравним ре- зультат. Различие с первым экспериментом в том, что теперь будем наблюдать за интен- сивностью не отражённого, а проходящего через пластинки света. Оси параллельны, интенсивность минимальна Оси перпендикулярны, интенсивность максимальна Рис. 3: Опыт со стопкой стеклянных пластин Интенсивность максимальна при перпендикулярно расположенных осях поляризую- щего зеркала прибора и стопки пластин. Следовательно, пластинки пропускают свет, по- ляризованный в плоскости, перпендикулярной стойкам стопки. Часть 3 Определение типа пластинок Для восьми предложенных пластинок определяем направление оптической оси: парал- лельно срезу или перпендикулярно ему. Для этого ставим анализатор на затемнение (скрещённые николя), кладём пластинку на средний столик и, вращая её, наблюдаем за изменением интенсивности света в анализа- торе. Если интенсивность не меняется, то оптическая ось перпендикулярна срезу - это кварцевые пластинки. Если же наблюдается изменение интенсивности, то оптическая ось параллельна срезу. Это - фазовые пластинки λ/2 и λ/4. В результате опыта выяснили, что пластинки 1-6 фазовые, а пластинки без номеров кварцевые. Фазовые пластинки Из пластинок с оптической осью, параллельной срезу, выявляем пластины в λ/2 и λ/4. Для этого: 1. Выбираем красный светофильтр. 2. Совмещаем нулевые отметки подвижной и неподвижной шкалы на среднем столике. 3. Ставим анализатор на затемнение. 4. Кладём пластинку на средний столик и, вращая её, добиваемся затемнения анализатора. Затемнённый анализатор означает, что при данном положении пластинки она пропуска- ет свет лишь с той поляризацией, которую имеет свет, излучаемый прибором (то есть с Бикварц Убеждаемся в том, что половинки бикварца поворачивают плоскость поляризации в про- тивоположных направлениях. Для этого: 1. Выбираем красный светофильтр. 2. Кладём бикварц на средний столик. 3. Вращая анализатор, наблюдаем, как меняется интенсивность света в половинках би- кварца. Половинки затемняются по очереди, и для перехода от полного гашения одной из них до полного гашения другой анализатор нужно повернуть на 180 ◦ . Следовательно, пово- рот плоскости поляризации действительно происходит в противоположных направлениях. Далее, наблюдаем дополнительные цвета в половинках бикварца. Для этого: 1. Выбираем белый свет. 2. Вращая анализатор, записываем, какие цвета наблюдаются в половинках. Пары цветов в половинках, в том порядке, в котором они появлялись при вращении ана- лизатора: Красный - голубой Оранжевый - зелёный Жёлтый - жёлтый Оранжевый - зелёный Голубой - розовый Фиолетовый - розовый Розовый - фиолетовый Часть 5 Пластинка λ/4 Устанавливаем прибор по схеме удвоителя Норренберга. Необходимо убедиться, что при этом пластинка λ/4 «превращается» в пластинку λ/2. Для этого: 1. Выбираем красный светофильтр. 2. Совмещаем нули подвижной и неподвижной шкалы на нижнем столике. 3. Ставим анализатор на затемнение. 4. Кладём пластинку на нижний столик. 5. Вращаем пластину, добиваемся затемнения анализатора. 6. Поворачиваем столик на 45 ◦ 7. Вращая анализатор, наблюдаем за изменением интенсивности света. Видим, что интенсивность меняется, при этом дважды за полный оборот анализатора наступает полное затемнение. Следовательно, падающий свет линейно поляризован, как при прохождении через пластинку λ/2. Кварцевая пластинка Наблюдаем за вращением плоскости поляризации кварцевой пластинки. Для этого: 1. Выбираем красный светофильтр. 2. Ставим анализатор на затемнение. 3. Кладём пластинку на нижний столик. Видим, что анализатор по-прежнему затемнён, хоть свет и пропускается теперь через кварцевую пластинку. Значит, плоскость поляризации не поворачивается. Такой результат объясняется тем, что свет проходит через пластинку дважды в противо- положных направлениях, и плоскость поляризации поворачивается на один и тот же угол, но в противоположные стороны, что в итоге даёт нулевой угол поворота. Вывод В ходе выполнения опытов мы познакомились с устройством прибора Норренберга, прин- ципом его работы и эффектами, наблюдаемыми при его использовании. При помощи поля- рископа наблюдали двойное лучепреломление естественного и линейно поляризованного света в кристаллах исландского шпата. Было исследовано и сравнено действие чёрного зеркала и стопки стеклянных пластин на падающий поляризованный свет. Также мы научились определять направление оптической оси пластинок и их тип для заданной длины волны падающего света (λ/2 или λ/4). Для кварцевой пластинки были определены углы поворота плоскости поляризации. Иссле- дуя прохождение света через бикварцевую пластину, мы убедились, что поворот плоскости поляризации происходит в противоположных напрвлениях, и выяснили, какие дополни- тельные цвета наблюдаются в половинках бикварца. В опытах с удвоителем Норренберга было исследовано, какое влияние на поляризацию света оказывает двукратное прохождение света через пластинки (фазовую λ/4 и кварце- вую). |
E в плоскости, соединяющей стойки прибора). Значит, оптическая ось идёт либо параллельно стойкам, тогда пропускается необыкновенный луч, либо пер- пендикулярно, тогда проходит, соответственно, только обыкновенный.
5. Поворачиваем столик на 45
◦
. В результате интенсивность света в обыкновенном и необыкновенном лучах, пропускаемых пластинкой, становится равной.
6. Вращая анализатор, наблюдаем за изменением интенсивности света, и в соответствии с этим делаем вывод о типе пластинки. Если интенсивность одинакова при любом положе- нии анализатора, то свет имеет круговую поляризацию. Следовательно, данная пластинка относится к типу λ/4. Если интенсивность меняется и при этом есть положение анализа- тора, при котором наступает полное затемнение - поляризация линейная, и тип пластинки
- λ/2. Если же при вращении интенсивность меняется, но полного затемнения нет - поля- ризация эллиптическая, и тип пластинки для данной длины волны падающего света не определён.
Для каждой из пластинок вышеперечисленные пункты повторяем, заменив красный светофильтр на зелёный.
Результаты опыта:
Пластинка №1 - и в красном, и в зелёном свете интенсивность изменяется, но не до нуля;
следовательно, тип пластинки неопределённый.
Пластинка №3 - в красном свете интенсивность неизменна, значит, для данной длины вол- ны это пластинка λ/4. Для зелёного - неопределённого типа.
Пластинка №5 - неопределённого типа в красном свете, λ/2 в зелёном.
Выбрав белый свет, поставим анализатор на затемнение. Кладём пластинку на сред- ний столик и, вращая анализатор, наблюдаем за изменением цвета. Повторяем опыт для каждой из выбранных пластинок.
В ходе опыта для всех пластинок наблюдались следующие цвета: белый, красный, оран- жевый.
Часть 4
Кварцевая пластинка
Определяем угол и направление вращения плоскости поляризации в кварцевой пластинке.
Для этого:
1. Выбираем красный светофильтр.
2. Совмещаем нулевые отметки на верхнем столике.
3. Ставим анализатор на затемнение (скрещённые николя).
4. Кладём пластинку на средний столик (в анализаторе свет).
5. Поворачиваем верхний столик по часовой стрелке до затемнения в анализаторе и отме- чаем угол поворота.
6. Совмещаем нулевые отметки на верхнем столике.
7. Поворачиваем верхний столик против часовой стрелки до затемнения в анализаторе и отмечаем угол поворота.
8. Те же действия повторяем, сменив красный светофильтр на зелёный.
По результатам опыта заполняем таблицу:
Светофильтр
По часовой стрелке (градусы)
Против часовой стрелки (градусы)
Красный
90 90
Зелёный
58 122