Любой прибор, позволяющий из естественного света получать поляризованный, называется поляризатором (диэлектрическая пленка, стопа Столетова, кристалл турмалина, поляроид, призма Николя и др.). Прибор, позволяющий отличать естественный свет от поляризованного и определять в последнем направление колебаний вектора Е, называется анализатором (рис. 6). Поляризатор и анализатор взаимозаменяемы – один и тот же прибор может служить как поляризатором, так и анализатором.
Рис. 6
Если пучок света проходит последовательно через два таких прибора, то первый будет служить в этом случае поляризатором, а второй – анализатором. Пусть I0 – интенсивность света, прошедшего через поляризатор. Интенсивность света I, прошедшего через анализатор, определяется законом Малюса:
I = I0 cos2 α , |
(6) |
где α – угол между осями анализатора и поляризатора. Если эти оси взаимно перпендикулярны, то свет из анализатора выходить не будет (I = 0 при α = π/2) (рис. 6).
2. Описание установки и метода измерений
Установку соберите на оптической скамье (рис. 7).
11
Рис. 7
На одном конце скамьи поместите источник света 2 (лампу накаливания), подключаемый к регулятору напряжения ВП-1. Регулятор напряжения позволяет изменить яркость источника света.
Вкачестве поляризатора используйте поляроид 3, заключенный в оправу с лимбом 4 (цена деления шкалы 1°) для отсчета угла поворота поляроида вокруг горизонтальной оси.
Вкачестве анализатора можно использовать такой же поляроид 5 или черное зеркало 6, или стопу Столетова. Черное зеркало и стопа пластин укреплены на горизонтальном столике, который может поворачиваться вокруг зеркальной оси.
Для измерения интенсивности света, отраженного от черного зеркала (стопы) или прошедшего через стопу, используйте фотоэлемент 12, укрепленный на кронштейне 13, который независимо от столика может поворачиваться вокруг вертикальной оси. Углы поворота черного зеркала (стопы) и фотоэлемента отсчитываются с помощью лимба 14 столика с ценой деления шкалы 1°. Для измерения интенсивности света, прошедшего через поляроид, используйте фотоэлемент 15, укрепленный на отдельном рейтере. Используемый в процессе измерения фотоэлемент подключите к микроамперметру.
Лабораторная работа № 14А
ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА МАЛЮСА
1. Порядок выполнения работы
1.Установить на оптической скамье приборы в следующей последовательности: источник света, рейтер с линзой, два рейтера с поляроидами и рейтер с фотоэлементом. Первый поляроид является поляризатором, второй – анализатором.
2.Сдвинуть приборы до минимального возможного расстояния между ними и отрегулировать их по высоте так, чтобы центры выходного окна осветителя, поляроидов и тубуса фотоэлемента располагались на одной горизонтальной прямой, параллельной оптической скамье. Плоскости выходного окна осветителя, поляроидов и фотоэлемента должны быть перпендикулярны оптической скамье.
3.Увеличить расстояние между осветителем и фотоэлементом до 60-100 см. Поляроиды установить между ними произвольно. Стрелку на оправе анализатора совместить с нулем шкалы.
4.Замкнуть цепь источника света нажатием кнопки "СЕТЬ" на панели регулятора напряжения. Вращением ручки на панели прибора отрегулировать яркость источника. Перемещая по скамье линзу, добиться параллельности хода лучей в световом пучке. Отсутствие расходимости светового пучка можно проконтролировать визуально по размерам светового пятна на листке бумаги, помещая плоскость листка перпендикулярно оптической оси установки на различных расстояниях справа от линзы.
5.Включить в измерительную цепь фотоэлемент нажатием кнопки "СЕТЬ" на панели микроамперметра. Масштаб шкалы микроамперметра установить нажатием клавиши на передней панели. В процессе измерения следить за тем, чтобы стрелка прибора не выходила за пределы его шкалы.
6.Вращая поляризатор, добиться максимальной величины интенсивности света, прошедшего через оба поляроида. Этому соответствует максимальная величина фототока imax, измеряемого амперметром.
7.Установить шкалу микроамперметра так, чтобы при максимальном фототоке imax стрелка микроамперметра находилась в пределах последней четверти шкалы. Если необходимо, еще раз изменить яркость источника света и переместить фотоэлемент вдоль оптической скамьи.
Поворачивать анализатор в пределах от 0° до 180° и через каждые 15° отмечать показания фототока i. Заполнить табл. 1.
8.Выключив осветитель, отметить показания фотоэлемента iф, соответствующие освещенности в аудитории (фоновый фототок).
2. Обработка результатов измерений
Таблица 1 |
|||||||
Угол поворота |
0° |
15° |
30° |
45° |
60° |
360° |
|
анализатора α |
|||||||
Фототок i |
|||||||
i – iф |
1.Построить графики зависимости I(α) в полярной системе координат, считая, что
интенсивность света I пропорциональна фототоку (i – iф), а также график зависимости I/I0 от cos2α. Здесь I0 ~ (i – iф)max.
2.Найти степень поляризации света по формуле
P = |
I max − Imin |
. |
(7) |
Imax + I min |
|||
3.Установить на оптической скамье в качестве поляризатора стопу Столетова. Вращая кольцо анализатора, найти Imax и Imin. Рассчитать степень поляризации света для стопы Столетова. Сравнить ее значение с аналогичной величиной, полученной в пункте 2 для поляроида.
Лабораторная работа № 14Б
ИССЛЕДОВАНИЕ ОТРАЖЕНИЯ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА ОТ ЧЕРНОГО ЗЕРКАЛА
1. Порядок выполнения работы
1.На оптической скамье установить осветитель, поляроид и черное зеркало.
2.Провести юстировку приборов так, чтобы центры выходного окна осветителя, поляроида и тубуса фотоэлемента располагались на одной высоте. Плоскость выходного окна осветителя и поляроида должны быть перпендикулярны оптической скамье.
3.Подключить фотоэлемент к микроамперметру и измерить фототек iф, соответствующий освещенности аудитории (фоновый фототок).
4.Включить источник света. Перемещая по скамье линзу Л, добиться параллельности хода лучей в световом пучке. Отсутствие расходимости светового пучка можно проконтролировать визуально по размеру светового пятна на листе бумаги, помещая плоскость листа перпендикулярно лучу на различных расстояниях справа от линзы.
5.Освободив зажимной винт 11 (рис. 7) на стойке рейтера со столиком и черным зеркалом, повернуть стол так, чтобы метка на центральной части столика указывала направление падающего луча. Установив таким образом столик, зафиксировать его положение зажимным винтом 11 на стойке рейтера. При совмещении нуля на внутреннем лимбе с меткой на столике падение луча на зеркало будет нормальным.
6.Установить зеркало так, чтобы падающий на него луч света составлял угол φ ≈ 60° с нормалью к его поверхности. При этом деление внутреннего лимба, соответствующее 60°, должно находиться против метки на столике. Повернуть кронштейн с фотоэлементом и установить его так, чтобы указатель на кронштейне фотоэлемента находился против деления внешнего лимба, соответствующего углу 60° по другую сторону от 0° (угол отражения равен углу падения).
7.Вращая поляроид вокруг горизонтальной оси и следя за стрелкой микроамперметра, добиться минимального значения фототока. Минимум фототока указывает на то, что направление колебаний вектора E в падающем луче лежит в плоскости падения.
8.Проделать п. 6 для углов падения φ в интервале от 5° до 80° через каждые 5°, измеряя фототок. Данные занести в табл. 2.
9.Поворотом вокруг вертикальной оси установить зеркало так, чтобы луч скользил вдоль зеркала, при этом угол падения луча будет φ ≈ 90°. Поворачивайть кронштейн с фотоэлементом так, чтобы скользящий вдоль зеркала луч попадал на фотоэлемент. Запишите показание фотоэлемента i0, пропорциональное интенсивности света I0, выходящего из поляроида. Эта величина не должна зависеть от угла поворота поляроида.
2. Обработка результатов измерений
Таблица 2 |
||||||
iф = |
i0 = |
|||||
Угол падения φ |
5° |
10° |
15° |
80° |
||
Фототок i |
||||||
i – iф |
||||||
ρ|| |
||||||
1.Вычитая из всех показаний фотоэлемента фоновый фототок iф, найти коэффициент отражения света по формуле
ρ|| = |
i −iф |
. |
(8) |
i0 −iф |
|||
2.Построить график зависимости ρ|| от φ в декартовой системе координат. По графику найти угол Брюстера, а по формуле n = tg φБp найти показатель преломления стекла, из которого сделано черное зеркало.
3.Повернув кольцо поляроида вокруг горизонтальной оси на 90°, провести аналогич-
ные |
измерения |
для |
перпендикулярной |
составляющей |
па |
дающего света (см. пп. 6 и 8). Данные занести в таблицу, аналогичную табл. 2.
4.Построить график зависимости ρ от φ в декартовой системе координат.