Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Описание экспериментальной установки

ИЗУЧЕНИЕ ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА

Цель работы: определение удельной постоянной вращения сахара, определение концентрации сахара в растворе по углу поворота плоскости поляризации света.

Приборы и принадлежности:

1. Осветитель;

2. Установка с двумя поляризаторами и фотоэлементом;

3. Люксметр;

4. Прозрачная кювета;

5. Два раствора сахара с различной концентрацией.

Краткая теория

Поляризацией света называется совокупность явлений волновой оптики, в которых проявляется поперечность световых волн. Волной называется колебание, которое вызванное, каким – либо образом в одном месте, влечет за собой последовательное возникновение колебаний в других местах, все более и более удаленных от первоначального. Огромную роль играют электромагнитные волны. Эти волны представляют собой передачу из одних мест пространства в другие колебаний электрического и магнитного полей, создаваемых электрическими зарядами и токами. Электромагнитная волна характеризуется колебанием двух векторов: вектора электрической напряженности и вектора магнитной индукции . Оба вектора колеблются во взаимно перпендикулярных плоскостях в одинаковых фазах. Скорость распространения волны перпендикулярна к направлениям обоих векторов (рис.1). Вектор напряженности электрического поля электромагнитной световой волны носит название светового вектора.

Электромагнитная волна называется линейно–поляризованной (или плоскополяризованной), если направления колебаний векторов и в этой волне строго фиксированы и лежат в определенных плоскостях. На рис.2 показаны плоскости А и С, в которых происходят колебания векторов и в линейно – поляризованной волне, распространяющейся со скоростью . Линейно – поляризованная световая волна называется линейно – поляризованным светом.

Электромагнитная волна называется естественной (неполяризованной), если направления колебаний векторов и в этой волне могут лежать в любых плоскостях, перпендикулярных к вектору скорости распространения волны (рис.3). Направления колебаний вектора всегда перпендикулярны к направлению колебаний вектора . Иными словами, естественным (неполяризованным) светом называются световые волны, у которых направления колебаний векторов и хаотически меняются так, что равновероятны все направления колебаний в плоскостях, перпендикулярных лучу.

Устройства, которые служат для преобразования естественного света в поляризованный свет, называются поляризаторами. Простейшим поляризатором является кристалл турмалина, обладающий способностью пропускать световые волны с колебаниями вектора , лежащими в одной определенной плоскости. На рис.4 показано, что если естественный свет падает на пластинку кристалла турмалина, вырезанную так, чтобы одна из ее сторон совпала с осью кристалла, то турмалин пропускает лишь световую волну, у которой вектор колеблется в определенной плоскости.

Идеальный поляризатор полностью пропускает колебания, лежащие в его плоскости и полностью задерживает колебания в перпендикулярной плоскости. Поляризатор, задерживающий перпендикулярные к его плоскости колебания только частично называется несовершенным. На выходе из несовершенного поляризатора получается свет, в котором колебания одного направления преобладает над колебаниями в других направлениях. Такой свет называется частично поляризованным. Его можно рассматривать как смесь естественного и линейно – поляризованного света. Частично поляризованный свет, как и естественный, можно представить в виде наложения двух линейно – поляризованных волн с взаимно – перпендикулярными плоскостями колебаний. В случае естественного света интенсивность этих волн одинакова, а в случае частично – поляризованного света – разная.

Если на пути луча линейно – поляризованного света с интенсивностью I₀поставить поляризатор (рис.5.), то интенсивность I прошедшего через него света можно определить по формуле

I=I₀cos²φ

(1)

Где φ – угол между плоскостью поляризации света и плоскостью поляризатора. Соотношение носит название закона Малюса.

Если луч естественного света пропустить последовательно через два поляризатора, плоскости которых образуют угол φ, то из первого поляризатора выйдет линейно – поляризованный свет, интенсивность которого I₀ составит половину интенсивности естественного света I_ест. Согласно закону Малюса из второго поляризатора выйдет свет интенсивности I₀cos²φ. Таким образом, интенсивность света, прошедшего через два поляризатора, равна

cos²φ

(2)

Некоторые вещества (например, из твердых тел – кварц, сахар, винная кислота, скипидар), называемые оптически активными, обладают способностью вращать плоскость поляризации. Явление вращения плоскости поляризации может быть исследовано на следующем опыте. Если между скрещенными поляризующими призмами, дающими темное поле зрения, поместить оптически активное вещество (например, кювету с раствором сахара), то поле зрения просветлеет. Однако если повернуть анализатор на некоторый угол, то можно вновь получить темное поле зрения. То обстоятельство, что поворотом анализатора можно погасить свет – получить темное поле зрения, - означает, что волна, прошедшая через оптически активное вещество, является плоскополяризованной. Однако поскольку для погашения света требуется повернуть анализатор на некоторый угол φ, то, следовательно, плоскость поляризации тоже поворачивается данным веществом на этот угол.

Угол поворота плоскости поляризации для оптически активных кристаллов и чистых жидкостей

(3)

для оптически активных растворов

(4)

где - так называемое удельное вращение, численно равное гулу поворота плоскости поляризации света слоем вещества единичной толщины (и единичной концентрации для растворов), - расстояние, пройденное светом в оптически активном веществе, - массовая концентрация оптически активного вещества в растворе, кг/м³.

Оптически активные вещества в зависимости от направления вращения плоскости поляризации разделяются на право – и левовращающие. В первом случае плоскость поляризации, если смотреть навстречу лучу, вращается вправо (по часовой стрелке), во втором – влево (против часовой стрелке). Явление вращения плоскости поляризации и формула (4) лежат в основе точного метода определения концентрации растворов оптически активных веществ, называемого поляриметрией.

Описание экспериментальной установки

Схема экспериментальной установки показана на рис.6. Естественный свет от осветителя 1 проходит последовательно через два поляризатора 2 и 3 и попадает на фотоэлемент 4. Напряжение, возникавшее на фотоэлементе, пропорционально интенсивности падающего на него света. Это напряжение измеряется люксметром 5 (люксметр представляет собой милливольтметр, шкала которого проградуирована в люксах, т. е. позволяет напрямую измерять освещенность поверхности фотоэлемента). Поляризатор 2 может вращаться вокруг падающего на него светового луча: угол поворота поляризатора может быть точно измерен по специальной шкале. Таким образом, установка позволяет определять освещенность фотоэлемента Е, которая пропорциональна интенсивности света I, прошедшего через два поляризатора, при различных значениях угла φ между плоскостями этих поляризаторов.

Принцип определения угла поворота следующий: при пустой кювете вращением поляризатора 2 добиваются минимальных показаний люксметра 5 (при этом угол между плоскостями поляризаторов 90^º, согласно закону Малюса через поляризатор 3 свет не проходит). Кювету заполняют раствором оптически активного вещества, при этом показания люксметра отклоняются от минимума, т.е. свет начинает проходить через поляризатор 4. При повороте поляризатора на некоторый угол φ можно вновь получить минимальные показания люксметра. Угол φ и есть угол, на который оптически активное вещество поворачивает плоскость поляризации света.