Методы экспериментального исследования поляризации света

 

.1.4 Дихроичные пластинки. На ином принципе основаны поляризационные приспособления, простейшим представителем которых является турмалин. Турмалин представляет собой двояко-преломляющий кристалл, в котором один из лучей (обыкновенный) поглощается значительно сильнее, чем другой. Поэтому из пластинки турмалина оба луча, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях, выходят с весьма различной интенсивностью, и прошедший через нее свет оказывается частично поляризованным. Если взять достаточно толстую (около 1 мм) пластинку турмалина, то в случае видимого света обыкновенный луч практически целиком поглощается и вышедший свет будет плоскополяризованным.

Для некоторых участков видимого спектра и .необыкновенный луч обнаруживает заметное поглощение, и поэтому турмалин при выбранной толщине оказывается окрашенным; турмалин является не только поляризатором, но и светофильтром, практически  пропускающим зелено-желтую область видимого спектра. Это обстоятельство является. конечно, крупным недостатком турмалина как поляризующего приспособления, но, с другой стороны допустимая апертура падающих на него лучей весьма значительна, что иногда играет важную роль.

Различие в поглощении лучей разной поляризации влечет за собой различие в поглощении естественного  света в зависимости от направления его распространения, ибо от этого последнего зависит ориентация электрического вектора волны относительно кристаллографических направленностей

Такое различие в поглощении, зависящее, кроме того, от длины волны, приводит к тому, что кристалл по разным направлениям оказывается различно окрашенным. Это явление носит название дихроизма (или, лучше, плеохроизма — многоцветности) и в большей или меньшей степени характеризует, по-видимому, все двоякопреломляющие кристаллы. Оно было открыто Кордье (1809 г.) на минерале, названном кордиеритом. Дихроизм турмалина был обнаружен Био и Зеебеком (1816 г.).

Особое значение приобрели  дихроичные вещества благодаря изобретению поляроидов. Поляроид представляет собой пленку очень сильно дихроичного кристалла — герапатита (периодат бисульфата хинина), полученного Герапатом в 1852 г. Чешуйка герапатита толщиной около 0,1 мм практически нацело поглощает один из лучей, являясь уже в таком тонком слое совершенным линейным поляризатором.

Было предложено несколько способов получения довольно больших поверхностей, покрытых мелкими, одинаково ориентированными кристалликами герапатита и представляющих, таким образом, поляризационное приспособление с большой площадью. Листы целлулоида, обработанные по такому методу, были выпущены в продажу в 1935 г. под названием поляроидов. В настоящее время существует несколько разновидностей дихроичных пластин, изготовленных по типу поляроидов, с использованием как герапатита, так и других соединений, а также в виде больших (с линейным размером до 60 мм) кристаллических пластинок герапатита и т.д. Недостатком дихроичных пластин является меньшая по сравнению с призмами из исландского шпата прозрачность и некоторая ее селективность, т.е. зависимость поглощения от длины волны, так что современные поляроиды пропускают фиолетовую, а также красную области спектра поляризованными лишь частично. Эти недостатки, однако, для многих практических целей искупаются возможностью пользоваться в качестве поляроида дешевым поляризационным приспособлением не только с апертурой, близкой к 180°, но и с очень большой поверхностью (в несколько квадратных дециметров). Одно из применений поляроиды нашли в автодорожном деле для защиты шофера от слепящего действия фар встречных машин.

2. Физический смысл закона Брюстера

 

 

Падающая волна возбуждает в среде II(рис. 30) колебания электронов,  которые становятся источником вторичных волн; эти волны и дают отраженный свет. Направление колебаний совпадает с направлением  электрического  вектора  световой  волны),  т.е. для среды II оно перпендикулярно к ОС. Мы можем представить себе это колебание как сумму двух колебаний, одно из которых (α) лежит в плоскости АО С, а другое (β) — к ней перпендикулярно. Другими словами, мы изображаем колебание электронов в молекуле как суперпозицию колебаний двух элементарных излучателей, оси которых направлены соответственно по α и β.

 

Рисунок 30

 

Представим себе теперь, что свет падает под углом Брюстера, т.е. φ+ψ = π/2. При этом, очевидно, ОВ ┴ОС. Следовательно, ОВ║а. Известно, однако, что колеблющийся электрический заряд не излучает электромагнитных волн вдоль направления своего движения. Поэтому излучатель типа а вдоль ОВ не излучает. Таки образом, по направлению ОВ идет свет, посылаемый излучателями типа β направление колебаний которых перпендикулярно к плоскости чертежа. Другими словами, отраженный свет вполне поляризован, и колебание вектора напряженности поля в нем перпендикулярно к плоскости падения.

Если угол падения  отличается от угла Брюстера, то вдоль ОВ может распространяться волна, содержащая наряду с компонентой β и компоненту α_у доля которой будет тем больше, чем больше угол между направлением α и направлением отраженной волны. Таким образом, отраженный свет будет частично поляризован, и степень поляризации возрастает по мере приближения к углу Брюстера.

3. Описание  установки.

 

 

На неподвижной оси  на подшипнике закреплен металлический  вращающийся диск, диаметром 90 мм. На диске посредством винтов закреплены два металлических уголка, при  этом один уголок закреплен таким образом, чтобы имелась возможность его перемещения для создания зазора до 3 мм толщиной. Уголки предназначены для крепления исследуемого образца.

К неподвижной оси  на кронштейне закреплена полая металлическая трубка с внутренним диаметром 18 мм, и длиной 145 мм., трубка предназначена для закрепления поляризатора. К вращающемуся диску прикреплена металлическая стрелка длиной 110 мм. Стрелка предназначена для измерения угла падения света на поверхность исследуемого образца.  Угол отмеряется по шкале с шагом 2,5 градуса. Шкала расположена ниже основания вращающегося диска, и представляет собой окружность, разделенную радиусами на секторы.

 

4. Описание эксперимента

 

Между металлическими уголками закрепляется исследуемый образец. Направить узкий пучок света на поверхность исследуемого образца под углом примерно 30⁰ . На пути отраженного света поставить анализатор, а затем экран. Вращая анализатор, убедиться, что отраженный свет поляризован.

Увеличивая постепенно угол падения света, получить максимально поляризованный свет. С помощью закрепленной стрелки, по шкале определяется угол, при котором наблюдается максимальная поляризация света.

При проведении эксперимента было исследовано 5 образцов. Были получены следующие результаты:

Наименование материала	Теоретические данные	Экспериментальные
Винил	42055/	440
Стекло	570	560
Текстолит	620	580
Пластик	56030/	560
Резина	56060/	540

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для достижения поставленной цели мною была изучена литература по теме исследования. Были рассмотрены теоретические аспекты явления поляризации света, основные поляризационные приспособления, кратко рассмотрено практическое применение явления.

В практической части  исследования была разработана установка  для определения угла Брюстера и  изучения состояния поляризованного света при отражении от диэлектрика. Было проведено экспериментальное  исследование явления поляризации света при отражении от диэлектриков. 

 Полученные в результате эксперимента данные хорошо согласуются с теоретическими, что позволяет использовать разработанную установку при выполнении лабораторных работ. Также были разработаны методические рекомендации по проведению лабораторной работы с использованием установки.

 

Литература

 

1. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика: учебник – М.:МГУ., 2004 -655 с.
2. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. –М.: Наука, 1970. – 856 с.
3. Геворкян  Р. Г. Курс физики: Учеб. пособие. – М.: Высш. школа, 1979. – 656 с.-ил.
4. Гершензон Е.М., Малов Н.Н., Эткин В.С. Курс общей физики: Оптика атомная физика. – М.: Просвещение, 1981
5. Годжаев Н.М. Оптика – M.: Высшая школа, 1977
6. А.А. Детлаф, Б.М. Яворский курс физики (в трех томах) Т3. Волновые процессы. Оптика. Атомная и ядерная физика: Учебное пособие для студентов втузов - 3-е изд., перераб и дополн.- М.:Высш. шк.,1979 – 511 с.:ил.
7. В.Ф. Дмитриева, В. Л. Прокофьев Основы физики: Учебное пособие для студентов вузов – 2-е изд., испр. и дополн. – М.:Высш. шк.,2001 – 527 с.:ил.
8. М. И. Захаров, М. Ф. Ступак, Д. К. Топорков Поляризация света. Сборник лабораторных работ  по физической оптике./Под ред. М. И. Захарова/ Новосиб. Гос. ун-т. – Новосибирск, 2008. 102 с.
9. Г.А.Зисман, О.М. Тодес Курс общей физики Т.3 . Оптика, Физика атомов и молекул, Физика атомного ядра и микрочастиц : Учебное пособие для студентов вузов – 4-е изд, стереотипное – М.:Наука., 1970 – 500 с.
10. Калитиевский Н.И. Волновая оптика. М., 1978,
11. Королев Ф.А. Курс физики: Оптика, атомная и ядерная физика. – М.:Просвещение, 1974.
12. Ландсберг Г. С. Оптика: Учеб. пособие: Для вузов – 6-е изд., стеретип., - М.:Физматлит, 2003. – 848 с.
13. Матвеев А. Н. Оптика: Учеб.  пособие для физ. спец. Вузов – М.:Высш. шк., 1985 – 351 с., ил.
14. Путилов К. А. Курс физики. Том 3. Оптика. Атомная физика. Ядерная физика. Термодинамика.- М.: Государственное издательство Технико-Теоретической литературы, 1975

 

15. Савельев И. В. Курс общей физики, Т. 3 Оптика, атомная физика, физика атомного ядра, м элементарных частиц – М.:Наука., 1970 – 537 с
16. Сивухин Д. В. Общий курс физики Т. 4. Оптика. – М.: 1980 – 752 с. – ил
17. Степанов С. В., Смирнов С. А. Лабораторный практикум по физике – М.: ФОРУМ: Инфра-М, 2010. -112 с.: ил.
18. Физический энциклопедический словарь Том 1. М.: “Советская энциклопедия”,1990

 

19. Б. М. Яворский, А. А. Пинский  Основы физики Т.2. Электродинамика. Колебания и волны. Основы квантовой физики атомов, молекул и твердых тел - 5-е изд. стереот. - М.: Физматлит, 2003.-552с.