Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Порядок выполнения работы

1. Включите источник света.

2. Расположите экспериментальную установку на столе на расстоянии 3-6 м от источника света.

3. Направьте прибор на лампу так, чтобы через щель движка, сделанную на нулевом делении шкалы, была видна нить накала лампы. Тогда по обе стороны от окна движка на черном фоне над шкалой появляются дифракционные спектры, как показано на рисунке 22.3. Если положение спектров получается наклонное по отношению к шкале, то поверните рамку с решеткой на некоторый угол вокруг шурупа, на котором укреплена рамка, и закрепите прибор гайкой шарнира.

4. По шкале движка, рассматриваемой через решетку, определите расстояние красных и фиолетовых лучей спектров 1-го и 2-го порядков, расположенных по обе стороны от щели. Измерьте расстояние z от дифракционной решетки до движка по линейке. Все данные занесите в таблицу.

Таблица – Экспериментальные данные

c	z	m	σ	δ
		+1
		–1
		+2
		–2

5. Проведите аналогичные измерения еще для двух различных значений z.

6. Определите длины световых волн для красных и фиолетовых лучей по формуле (22.6). Результаты заносите в таблицу.

7. Определите среднее значение длины волны красного и фиолетового цветов по формуле .

Определите абсолютные и относительные погрешности по формулам: , .

Полученные значения внесите в таблицу.

8. Окончательный результат запишите в виде:

, .

Контрольные вопросы

1. Дифракция света и условия ее наблюдения. Виды дифракции.

2. Объяснение дифракции с помощью принципа Гюйгенса.

3. Принцип Гюйгенса – Френеля.

4. Дифракционная решетка и ее характеристики.

5. Условия минимумов, добавочных минимумов и главных максимумов для дифракционной решетки.

6. Вывод расчетной формулы (22.6).

7. Объяснение окраски спектров, полученных от источника белого света с помощью дифракционной решетки.

Лабораторная работа №23: Изучение явления поляризации света

Цель работы: изучить явление поляризации на примере нескольких характерных экспериментов; проанализировать и описать проведенные эксперименты, записать соответствующие выводы.

Оборудование: конденсор, объектив, оптическая скамья, диафрагма, экран, поляроиды, черное зеркало, стопка стеклянных пластин, кристалл исландского шпата, препарат из целлофана, модели рельса и балки из оргстекла.

Краткая теория

Явления, связанные с поляризацией света удобно рассматривать с точки зрения волновой теории света, согласно которой свет представляет собой электромагнитные волны с длиной волны в диапазоне приблизительно 0,40,73 мкм. В плоской электромагнитной волне колеблются векторы напряженностей электрического и магнитного полей, причем их колебания происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях и каждый из векторов перпендикулярен направлению распространения волны. Физиологическое, фотохимическое и другие действия света вызываются колебаниями и его называют световым. Плоскость, в которой колеблется световой вектор, называется плоскостью колебаний. Излучение светящегося тела состоит из волн, испускаемых его атомами. Процесс излучения каждого атома продолжается»10^-8 с, и за это время образуется цуг волны (последовательность «горбов и впадин») длиной около трех метров. В каждом цуге волн плоскость колебаний имеет вполне определенное положение. Однако в цугах различных атомов плоскости колебаний ориентированы хаотически. Поэтому в результирующей волне, испускаемой телом, все положения относительно направления распространения равновероятны. Такой свет называется неполяризованным или естественным. Свет, в котором направления колебаний упорядочены каким-либо образом, называют поляризованным.

Поляризованный свет можно получить из естественного с помощью специальных приборов, называемых поляризаторами. Такие приборы свободно пропускают волны, в которых плоскости колебаний параллельны некоторой плоскости, называемой плоскостью поляризатора, и полностью задерживают волны с колебаниями, перпендикулярными плоскости поляризатора. Если естественный свет пропустить через поляризатор, то на выходе получится свет, в котором колебания совершаются в одной плоскости. Такой свет называется плоско- или линейнополяризованным. Если плоскополяризованный свет смешать с естественным светом, то в результирующем пучке света колебания одного направления будут преобладать над колебаниями других направлений. Свет в этом случае называют частично поляризованным. Если частично поляризованный свет пропускать через поляризатор, то при вращении поляризатора вокруг направления луча, интенсивность вышедшего света будет изменятся в пределах от I_min до I_max. Величину

называют степенью поляризации. Для естественного света P= 0 (I_min=I_max), для плоскополяризованного – P= 1 (I_min= 0 ).

Естественный и частично поляризованный свет можно представить как результат наложения двух некогерентных плоскополяризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях волн:

Результирующая напряженность (рис. 23.1) является векторной суммой и . Угол , который составляет вектор с направлением , определяется выражением

Вследствие некогерентности волн разность фаз d претерпевает случайные хаотические изменения. Соответственно угол j так же будет испытывать скачкообразные беспорядочные изменения. При этом, в случае естественного света, амплитуды накладываемых волн должны быть одинаковы, а для частично поляризованного света – разными. Если же накладываемые волны будут когерентными, то конец результирующего вектора в общем случае будет совершать движение по эллипсу (результат сложения взаимно перпендикулярных колебаний одинаковой частоты). Свет в этом случае называется эллиптическим поляризованным.

При прохождении плоскополяризованного света через поляризатор интенсивность света на выходе из поляризатора зависит от угла a между плоскостью колебаний в падающем свете и плоскостью поляризатора (рис. 23.2).

Если интенсивность падающего света равна I ₀ то интенсивность прошедшего света I определяется выражением

, (23.1)

которое называют законом Малюса. Соотношение (23.1) объясняется из следующих соображений. Падающую волну с амплитудой А ₀ можно представить как результат наложения волны с амплитудой , плоскость колебаний которой перпендикулярна плоскости поляризатора, и волны с амплитудой , в которой световой вектор колеблется в плоскости поляризатора. Первая из этих волн полностью задерживается поляризатором, а вторая – свободно проходит. Поэтому интенсивность прошедшего света, пропорциональна квадрату амплитуды прошедшей волны и определяется соотношением .

Поляризация света наблюдается на границе раздела двух диэлектриков. При этом если угол падения i¹ 0, то в отраженном свете преобладают волны с плоскостью колебаний, перпендикулярной плоскости падения (световой вектор в них изображен точками на рис. 23.3), а в преломленной – с плоскостью колебаний, параллельной плоскости падения (световой вектор – стрелки на рис. 23.3). Степень поляризации лучей зависит от угла падения и, если выполняется соотношение (называемое законом Брюстера)

(в этом выражении n ₁₂ – относительный показатель преломления второй среды относительно первой), то степень поляризации преломленного луча достигает максимума, а отраженный луч становится плоскополяризованным (P_отр. =1). Соответствующий угол падения называется углом Брюстера i_Б. Это явление объясняется с учетом граничных условий для электрической или магнитной составляющих электромагнитной волы на границе раздела двух диэлектриков.

При прохождении света через прозрачные кристаллы, не принадлежащие к кубической системе, наблюдается явление двойного лучепреломления, заключающее в том, что падающий на кристалл луч разделяется внутри кристалла на два луча. Один из этих лучей подчиняется обычному закону преломления и называется обыкновенным (обозначается буквой «о»). Для другого луча закон преломления не выполняется, и даже при нормальном падении он может отклоняться от нормали (рис. 23.4). Этот луч называется необыкновенным и обозначается буквой «e». Оба луча являются плоскополяризованными, причем во взаимно перпендикулярных плоскостях.

В каждом кристалле имеется направление, вдоль которого обыкновенный и необыкновенный лучи распространяются не разделяясь и с одинаковой скоростью. Такое направление (именно направление, а не линия) называется оптической осью кристалла. Любая плоскость, проходящая через оптическую ось, называется главным сечением (главной плоскостью). Плоскость колебаний обыкновенного луча перпендикулярна главному сечению; необыкновенного – совпадает с главным сечением.

Для некоторых кристаллов характерно наличие дихроизма, заключающееся в том, что один из лучей (например, в минерале турмалина - обыкновенный луч) поглощается значительно сильнее, чем другой. Очевидно, что соответствующим образом вырезанные пластинки таких кристаллов могут служить поляризаторами.

Двойное лучепреломление объясняется анизотропией в основном диэлектрической проницаемости e кристаллов: значение , измеренное для напряженности электрического поля вдоль оптической оси, не совпадает со значением , измеренным перпендикулярно оптической оси. Анизотропией e определяется анизотропия показателя преломления n , а следовательно и различнаяскорость вектора по отношению к оптической оси (, с – скорость света в вакууме, – в среде).

На рисунке 23.5 плоскость рисунка является главным сечением. Колебания светового вектора обыкновенного луча происходят в перпендикулярной плоскости и на рисунке изображены точками. При любом направлении распространения волны световой вектор всегда перпендикулярен оптической оси, и скорость распространения волн одинакова во всех направлениях (на рис. 23.5 показаны три обыкновенных (о) и три необыкновенных (е) луча с разными направлениями распространения в кристалле). Если в некоторый момент времени в точке О кристалла включить точечный источник, излучающий обыкновенные лучи, то фронт волны в кристалле будет иметь форму сферы (1 – на рис. 23.5).

Колебания в необыкновенном луче совершаются в главном сечении (на рис. 23.5. изображены двусторонними стрелочками). Поэтому для разных лучей углы между вектором и оптической осью принимают разные значения (см. рис. 23.5.). Вследствие этого для необыкновенного луча показатель преломления зависит от направления луча в кристалле и изменяется от n_о (для луча, направленного вдоль оптической оси) до (для луча, направленного перпендикулярно оптической оси, т.е. со световым вектором вдоль оси). Соответственно и скорость распространения изменяется в пределах от до . Фронт волны от источника света в О для необыкновенных лучей будет представлять эллипсоид вращения (2 – на рис. 23.5).

Отчетливую интерференцию плоскополяризованных лучей можно наблюдать только в том случае, если колебания светового вектора происходят во взаимодействующих лучах одного направления. Для получения интерференционной картины от двух когерентных лучей с амплитудами и (рис. 23.6), поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях, необходимо предварительно выделить из них составляющие и , параллельные некоторому направлению ОО^'. Это, очевидно, можно сделать, если пропустить лучи через поляризатор, плоскость которого совпадает с направлением ОО^'.

Если плоскополяризованный луч с амплитудой (рис. 23.7) направить перпендикулярно поверхности кристаллической пластинки, вырезанной так, что оптическая ось параллельна ее поверхности (поверхность является главным сечением), то в пластинке падающий луч разделится на обыкновенный и необыкновенный. Соотношение их амплитуд Е_о и Е_е будет зависеть от угла j между плоскостью колебаний в падающем луче и оптической осью пластинки. Распространяясь в пластинке с различной скоростью, на выходе из нееобыкновенный и необыкновенный лучи окажутся сдвинутыми по фазе на

где d – толщина пластинки,

l ₀ - длина волны.

при этом обыкновенный и необыкновенный лучи будут когерентными и могут интерферировать. Результат интерференции можно наблюдать, пропустив лучи через поляризатор для сведения колебаний в одну плоскость. Длина волны, для которой выполняется условие интерференционного максимума, зависит от разности и толщины пластины. Поэтому, если пластинка имеет различную толщину, то ее участки будут окрашены в различные тона.

Двойное лучепреломление можно наблюдать в аморфных телах и кубических кристаллах, если подвергнуть их механической деформации, обеспечивающей возникновение оптической анизотропии. Экспериментально установлено, что разность в этом случае пропорционально приложенному механическому напряжению. На этом явлении основан оптический метод изучения распределения напряжений в телах. Модель исследуемой детали выполняют из прозрачного изотропного материала, помещают между скрещенными поляризаторами и подвергают действию нагрузок, аналогичных действующим на исследуемую деталь. Вследствие возникающего двойного лучепреломления система начинает пропускать свет, причем модель оказывается испещренной полосами, каждая из которых соответствует определенному напряжению.

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒