лабораторная работа о-4 изучение поляризации света

Л АБ ОР АТ ОР Н АЯ Р АБ ОТ А О -4
ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА
ОБОРУДОВАНИЕ: источник света, поляризатор, анализатор,
фотоэлемент, гальванометр, соединительные провода.
Световые волны – волны поперечные. Они характеризуются не
только энергией, которую несут, и длиной волны, но и направлением

колебаний векторов напряженностей переменных электрического E

и магнитного H полей.


Свет, в котором векторы E и H имеют всевозможные направления
колебаний, называют естественным. Естественный свет излучают Солнце, лампы накаливания и т.п. Это хаотическое изменение направлений


плоскости колебаний векторов E и H обусловлено тем, что мы одновременно наблюдаем излучение миллиардов атомов, и естественный
свет является наложением бесчисленного количества линейно поляризованных волн. Плоскость колебаний векторов в естественном свете
непрерывно меняется (рис. 1а).

E

E

E

E

E
б)
а)
Рис. 1
Если колебания векторов происходят в одной плоскости, то волна
называется плоскополяризованой (рис.1б). Плоскость, в которой проис
ходят колебания вектора Е , называется плоскостью поляризации. Произвести поляризацию света, то есть отобрать из естественного света

составляющие вектора Е , колеблющиеся в какой-то определенной
плоскости, можно различными способами.
1
Поляризация при отражении от поверхности диэлектрика
Электромагнитная волна, падая на вещество-диэлектрик, вызывает
колебания в атомах и молекулах вещества. Атомы и молекулы сами
становятся излучателями электромагнитных волн – вторичных. Эти
вторичные волны излучаются электронами, колеблющимися в атомах
и молекулах диэлектрика, причем направление колебаний электронов

совпадает с направлением колебаний электрического вектора Е падающей волны. Интенсивность излучения электронами вторичных волн
зависит от направления (рис. 2) оси диполя AB. В направлении оси диполя (колебания электрона) AB интенсивность равна нулю, в перпендикулярном – максимальна.
J=0
A
J()

J = max
B
Рис. 2
π
,
2
(рис. 3), то в отраженном луче будут полностью отсутствовать колебания вектора, происходящие в плоскости падения, так как происходят
в направлении оси диполя AB, но зато эти колебания будут в преломленном луче (в плоскости рисунка эти колебания показаны стрелками).

В отраженном луче колебания вектора Е будут происходить только
в плоскости, перпендикулярной рисунку (эти колебания показаны на
рисунке точками), то есть отраженный луч при определенном угле падения будет полностью поляризован.
Угол Р называется углом полной поляризации (рис. 3) или углом
Брюстера. Для угла полной поляризации имеет место закон Брюстера:
Если преломленные и отраженные лучи составляют угол ρ  β 
tgP  n 
sin P
sin P

,
cos(90  P) cos P
(1)
где n – коэффициент преломления диэлектрика.
2
Преломленный луч будет частично поляризован. Для того, чтобы
преломленный луч был полностью поляризован, его пропускают через
несколько пластинок диэлектрика, например, стеклянных (стопа Столетова).
P
P
J=0
n

J = max

Рис. 3
Поляризация при двойном лучепреломлении
Явление двойного лучепреломления наблюдается в анизотропных
средах (анизотропной называется среда, физические свойства которой
в разных направлениях различны). Анизотропной средой будут кристаллы кварца и исландского шпата.
На рис. 4 показано прохождение света через кристалл исландского
шпата. Прямая О1О2, называется кристаллографической осью кристалла
(прямая, соединяющая противоположные телесные тупые углы).
Î
N
1
D

n
C
B
M
O2
Рис.4
3
E
Всякое направление в кристалле, параллельное О1О2 называется оптической осью кристалла. Сечение МО1О2 – главное сечение кристалла,
или главная плоскость; это сечение проходит через оптическую
ось и нормаль, проведенную в точку В падения луча АВ.
Естественный луч АВ разделяется в кристалле на два луча: BD и ВС.
Луч BD называется необыкновенным лучом (Е).
Показатель преломления кристалла ne для необыкновенного луча
зависит от направления распространяющего луча, и, следовательно,
в различных направлениях необыкновенный луч в кристалле распространяется с различными скоростями. Луч ВС называется необыкновенным лучом (О). Скорость его в кристалле не зависит от направления
(рис. 5).
Показатель преломления кристалла no для обыкновенного луча
c
c
no  , для необыкновенного луча ne  , где vo – скорость обыкноvo
ve
венного луча в кристалле. Вдоль направления оптической оси двойного
лучепреломления нет, так как vo = ve.
Оба вышедших из кристалла луча поляризированы, колебания век
тора Е в луче BD совершаются в плоскости главного сечения кристалла
(луч отмечен черточками), а в луче ВС – в плоскости, перпендикулярной главному сечению (луч отмечен точками). Свойства обоих лучей,
вышедших из кристалла, за исключением направления поляризации,
абсолютно одинаковы.
A
B
D
C
O
e
Рис.5
4
Чтобы использовать такие поляризованные лучи для технических
целей, их надо отделить один от другого. Это осуществляется в призме
Николя Faer. Для изготовления призмы Николя естественный кристалл
исландского шпата подпиливают определенным образом, затем кристалл распиливается по линии AR (рис. 6) и обе половины склеиваются
"канадским бальзамом". Если на Николь падает естественный свет, то
в призме он раздваивается. Обыкновенный луч I, дойдя до слоя канадского бальзама АВ, в точке С испытывает полное внутреннее отражение
(рис. 6), так как для обыкновенного луча канадский бальзам оптически
менее плотен, чем исландский шпат, то есть nпш > nкб. Таким образом,
обыкновенный луч отводится в сторону и поглощается в оправе Николя.
Необыкновенный луч II свободно проходит через слой канадского
бальзама и выходит из призмы полностью поляризованным.
A
E
II
I
F
R
Рис. 6
Устройства, при помощи которых получают поляризованный свет,
называют поляризаторами.
Кроме двойного лучепреломления, для поляризации света применяются искусственные пленки-поляроиды, представляющие собой целлулоидные пленки, в которые введено большое количество герапатита
(сернокислый йод-хинин). Такая пленка пропускает только необыкновенные лучи и поглощает обыкновенные.
Закон Малюса
Для анализа степени поляризации света применяются устройства,
называемые анализаторами, в качестве которых используют те же самые
поляризаторы (диэлектрики, призмы Николя, поляроиды). Если взять
два поляроида (рис. 7) (один поляроид – Р – поляризатор, из него выхо
дит плоскополяризованный свет (вектор Е колеблется по направле
нию РР), второй поляроид А – анализатор (колебания Е по АА)), то
по закону Малюса интенсивность света I, выходящего из анализатора,
5
пропорциональна квадрату косинуса угла между направлением плоско
стей колебаний (вектора Е ) поляризатора и анализатора, то есть
I  I 0 cos 2 α ,
(2)
где Io – интенсивность света, выходящего из поляризатора Р, если Io –
интенсивность естественного света, то
Io 
I o'
.
2
(3)
S

P
P
À
O
À
ÔÝ
À
G
P
Рис.7
Закон Малюса очень легко выводится. Интенсивности
I0  E2P,
(4)
I  E2A,

где ЕP и ЕA – амплитуды колебаний векторов Е , прошедших анализатор
и поляризатор, из рисунка видно
E A  EP cos α ,
(5)
подставляя выражение (5) в (4), получим:
E À2  ( Eð  cos α) 2  Eð2  cos2 α
(6)
I  I 0 cos2 α.
Если направление плоскостей колебаний поляризатора и анализатора перпендикулярны  = 90o, то говорят, что поляризатор и анализатор
скрещены (установлены на гашение света – через скрещенные поляризаторы свет не проходит). Если направления плоскостей поляризатора
РР и анализатора АА совпадают  = 0о, то интенсивность проходящего
света будет максимальной. Для любого другого угла  интенсивность
света вычисляется по формуле (2).
6
ЗАДАНИЕ И ОТЧЕТНОСТЬ
Проверка закона Малюса проводится на установке, состоящей из
источника естественного света S, поляроида Р – поляризатора, поляроида А – анализатора. Анализатор может вращаться вокруг оси ОО’.
1. Поворачивая анализатор, измените интенсивность света, падающего на фотоэлемент ФЭ, соединенный с гальванометром G. В зависимости от интенсивности света I сила фототока в гальванометре G будет
меняться. Свет, выходящий из поляризатора, плоскополяризованный.

Плоскость колебаний вектора Е показана направлением РР, направления плоскости колебаний для анализатора – направлением АА.
2. Снимите зависимость фототока от квадрата косинуса угла , для
чего поверните анализатор вокруг оси ОО’ и с того момента, как ток
через гальванометр достигнет наибольшей величины, снимите показания тока через каждые 100 поворота анализатора. Отсчеты производятся
от 00 до 3600. Так как значения соs2 повторяются в интервалах 00 – 900,
900 – 1800, 1800 – 2700, 2700 – 3600, можно определить средние значения
освещенности (Еср) для них. Данные занесите в таблицу.
Таблица

cos2
I
I180-
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
7
I180+
I360-
Iср
3. Построите график зависимости фототока I от .
I
cos2
4. Проверьте выполнение закона Малюса подстановкой данных измерений в формулу (6) для двух случаев.
5. Сделайте выводы.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Дайте определение естественного и поляризованного света.
2. Как происходит поляризация света при отражении от поверхности диэлектрика?
3. Где наблюдается явление двойного лучепреломления? Как поляризованы обыкновенный и необыкновенный лучи?
4. Как устроена призма Николя?
5. Как зависит интенсивность света, прошедшего через анализатор,
от угла между направлением плоскостей колебаний поляризатора и анализатора?
РАСЧЕТЫ И ВЫВОДЫ
8