Методика измерений и обработки результатов

Теоретическое введение

В соответствии с электромагнитной теорией света, световая волна представляет собой электромагнитную волну определенной частоты. Поэтому плоскость колебаний вектора напряженности

электрического поля световой волны перпендикулярна плоскости колебаний вектора индукции магнитного поля волны

. Кроме того, оба эти вектора перпендикулярны направлению распространения световой волны, т.е. световая волна (как и любая электромагнитная волна) является поперечной.

Поперечность световых волн нарушает их осевую симметрию относительно направления распространения. Это обусловлено существованием выделенных направлений, которые связаны с напряженностью электрического и индукцией магнитного полей волны, в плоскости, перпендикулярной направлению скорости ее распространения. Таким образом, световая волна имеет поперечную анизотропию. Физической характеристикой поперечной анизотропии световых волн является их поляризация. Термин “поляризация света” имеет два аспекта: во-первых, это процесс получения поляризованного света; во-вторых, свойство световой волны, характеризующее упорядоченность ориентации векторов электрического и магнитного полей этой волны в пространстве и во времени.

Свет, излучаемый каким-либо источником, представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы же излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными направлениями колебаний светового вектора Е (рис. 2, а). Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора Е относительно оси распространения называется естественным (неполяризованным). Свет, в котором наблюдается преимущественное направление колебаний вектора Е (но не исключительное!) (рис. 2, б), — частично поляризованный. Свет, в котором вектор Е колеблется в определенной плоскости (рис.2, в), называется поляризованным (линейно поляризованным). Частично поляризованный свет представляет собой сочетание естественного и линейно поляризованного света. Под поляризацией света понимают выделение из естественного света световых колебаний с определенным направлением электрического вектора.

Наблюдения показывают, что причины поляризации света могут быть различными, но наиболее часто поляризация происходит в трех случаях: а) при прохождении света через некоторые кристаллы (например, турмалин); б) при отражении и преломлении света на границе раздела двух диэлектриков, в) при двойном лучепреломлении.

Оптические приборы, предназначенные для получения поляризованного света, называют поляризаторами. Поляризаторы можно использовать и для анализа поляризованного света, тогда их называют анализаторами. Действие поляризаторов основано на том, что они пропускают световые колебания лишь с определенной ориентацией вектора Е, которую называют осью поляризатора. Плоскость колебаний вектора Е в этом случае называют плоскостью поляризатора. Причем положение этой плоскости определяется свойствами вещества, из которого изготовлен поляризатор. Поляризатор пропускает колебания вектора напряженности электрического поля световой волны только в одной плоскости. Колебания во всех других плоскостях гасятся поляризатором.

Поляризатор по своей конструкции ничем не отличается от анализатора. Разница в функциях: поляризатор выделяет из естественного света пучок с одним направлением колебаний вектора Е, а анализатор определяет, каково направление этих колебаний. Именно поэтому поляризаторы и анализаторы носят общее название поляроиды

Для получения поляризованного света можно воспользоваться поляроидной пленкой, которая состоит из имеющих сложное строение длинных молекул с выстроенными параллельными осями. Такой поляроид действует как набор параллельных щелей, почти беспрепятственно (без потерь) пропуская свет одной поляризации (соответствующее направление называется осью поляроида) и почти полностью поглощая свет, поляризованный в перпендикулярной плоскости.Если напряженность электрического поля Е колеблется вдоль осей длинных молекул, то электроны будут перемещаться вдоль молекул, совершая тем самым работу и перенося энергию. Следовательно, если вектор Е параллелен «щелям», то волна будет поглощаться. Если напряженность электрического поля Е колеблется перпендикулярно осям длинных молекул (т. е. перпендикулярно «щелям»), то поле Е не будет совершать работу и поглощение отсутствует. Под осью поляроида понимают направление, в котором отсутствует поглощение электрического поля Е; следовательно, ось поляроида перпендикулярна длинным молекулам и «щелям» между ними.

Если пучок, плоскополяризованного света, плоскость поляризации которого Р падает на поляризатор, ось которого образует угол φ с направлением поляризации, то после поляризатора он будет поляризован в плоскости Р₁, параллельной оси АА поляризатора, и иметь амплитуду, ослабленную в cosφ раз (рис. 3).

Составляющая Е_┴, перпендикулярная плоскости Р₁, поглотится поляризатором, а составляющая Е_║ пройдет через поляризатор. Поэтому амплитуда волны, прошедшей через поляризатор, будет равна:

E _║ = E ₀ · cosφ

где E₀ – световой вектор (напряженность электрического поля) падающей на поляризатор, линейно поляризованный волны; φ – угол между направлением колебаний вектора напряженности электрического поля падающей волны и плоскостью поляризатора.

Интенсивность световой волны пропорциональна квадрату амплитуды напряженности E², поэтому интенсивность света прошедшего через поляризатор:

где I₀ интенсивность падающего на поляризатор линейно поляризованного света. Это соотношение носит название закона Малюса, согласно которому:

Интенсивность света, прошедшего через поляризатор пропорциональна интенсивности линейно поляризованного света, падающего на поляризатор и квадрату косинуса угла между плоскостью поляризации падающего света и плоскостью поляризатора.

При падении на поляризатор естественного света, интенсивности любых двух взаимно перпендикулярных составляющих всегда будут одинаковыми, поэтому интенсивность поляризованного света I, прошедшего через поляризатор, всегда будет равна , где I₀ – интенсивность естественного света, падающего на поляризатор.

Если вращать поляризатор вокруг луча частично поляризованного света, то интенсивность света за поляризатором будет изменятся от I_max до I_min (переход от I_max к I_min совершается при повороте на угол, равный π/2). Отношение:

называется степенью поляризации. Здесь I_max и I_min – соответственно максимальная и минимальная интенсивности частично поляризованного света, пропускаемого поляризатором. Для плоско поляризованного света: I_min = 0; P = 100%; для естественного света: I_max = I_min ; P = 0%.

Методика измерений и обработки результатов

Оптическая схема установки для проведения анализа поляризации света состоит из следующих узлов: лазер (1), поляризатор (2), фотоприемник (3), микроамперметр (4).

Порядок выполнения работы:

1. Включите питание лазера, тумблером "Сеть".

2. Проверьте ход лазерного луча. Установите фотоприемник так, чтобы луч лазера попадал точно в его входное отверстие. Убедитесь, что при вращении поляризатора, луч лазера не выходит за пределы входного отверстия фотоприемника.

3. Вращая поляризатор, укрепленный на держателе со шкалой, снимите зависимость интенсивности, проходящего через него света, от угла поворота поляризатора (т.е. положения оси или плоскости поляризатора по отношению к вертикальному направлению). Измерения проведите с шагом 15°. Интенсивность света в относительных единицах измеряется микроамперметром.

4. Результаты измерений занесите в таблицу 1.

Таблица 1

φ, град	0°	15°	30°	45°	60°	75°	90°	…	330°	345°
I, отн.ед
cos²φ
I /I_max

6. Вблизи углов соответствующих максимумам и минимумам интенсивности, полученным в таблице, медленным вращением поляризатора найдите точное положение двух абсолютных максимумов и двух абсолютных минимумов; значения этих интенсивностей и соответствующих им углов занесите в таблицу 2.

Таблица 2

I_max, отн.ед.	φ, град	I_min, отн.ед.	φ,град	P, %

7. Рассчитайте для углов, приведенных в таблице значения функции cos2φ и занесите их в таблицу 1.

8. Рассчитайте степень поляризации лазерного излучения (P) и занесите результаты расчетов в таблицу 2.

9. Постройте, в полярных координатах зависимость нормированной на максимум интенсивности (значение Imax взять из таблицы 2), прошедшего через поляризатор света, от угла между вертикалью и осью поляризатора I/Imax = f (φ).

10. На том же графике постройте теоретическую зависимость, отражающую закон Малюса I/I0 = cos2φ.

11. Проанализируйте результаты эксперимента (таблицу, графики, значение степени поляризации) и сделайте вывод о состоянии поляризации лазерного излучения.

Вопросы для самоконтроля

1. Какой свет является неполяризованным (естественным), полностью поляризованным, частично поляризованным?

2. Что такое линейно поляризованный свет и плоскость поляризации света?

3. Почему по результатам измерений силы тока в цепи фотоприемника можно судить об интенсивности света прошедшего через анализатор ?

4. Сформулируйте закон Малюса, запишите формулу.

5. Почему для определения направления колебаний вектора напряженности электрического поля лазерного излучения используется только один поляроид ?

6. Запишите формулу для расчета степени поляризации.

7. Приведите примеры практического использования явления поляризации света.

8. Назовите известные вам способы получения поляризованного света?

Литература

1. Зисман А.Г., Тодес О.М. Курс общей физики, т.3, стр.109.

2. Савельев И.В. Курс общей физики, т.2, стр.428–441, 448–461.

3. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Курс общей физики, ч.3, стр.146–148.

4. Матвеев А.Н. Оптика, стр.37–40, 281–284.

5. Бутиков Е.И. Оптика стр.102–116.

6. Трофимова. Курс физики. 2003г.

Дата добавления: 2020-04-08; просмотров: 170; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!