ПРОВЕРКА ЗАКОНА МАЛЮСА

Лабораторная работа № 13

Цель работы: Проверка закона Малюса для линейно-поляризованного света.

Оборудование: 1. Установка, состоящая из осветителя, двух поляроидов и фотоэлемента ЦГ-3.

2. Вольтметр Э-59 на 300 В.

3. Микроамперметр М198/2 на 10 мкА.

4. Выпрямитель ВУП-1.

ТЕОРИЯ

Элементарными излучателями света являются возбужденные атомы, молекулы и т.д. Макроскопические источники света содержат в себе громадное множество элементарных излучателей, которые в очень большом числе случаев испускают свет независимо друг от друга. При этом фазы электромагнитных волн, излучаемых отдельными электромагнитными излучателями, испытывают быстрые хаотические изменения. Столь же быстро и хаотически меняются направления векторов Е и Н световых волн, испускаемых элементарными излучателями. Вследствие этого и результирующее излучение макроскопических источников света испытывает такого же рода хаотическое изменение фазы волны и направлений Е и Н.

Свет, у которого направление векторов напряженности электрического и магнитного полей беспорядочно изменяется в пространстве, называют естественным или неполяризованным.

Кроме источников, испускающих неполяризованный свет, существуют источники, дающие поляризованное излучение (свет). Электромагнитные волны такого излучения отличаются тем, что у них направление колебаний электрического и магнитного векторов либо сохраняется неизменным, либо испытывает закономерные изменения ориентации (вращается). Такие волны называют поляризованными волнами. В этом случае употребляется термин поляризованный свет.

С помощью специальных поляризационных приспособлений (призмы Николя, поляроидов и т.д.) естественный свет может быть превращен в линейно поляризованный. Основное свойство таких приспособлений заключается в том, что они могут пропускать световые волны, электрический вектор напряженности которых колеблется лишь в строго определенных направлениях. Это направление называется главным направлением.

В настоящей работе для получения и исследования линейно поляризованного света применяются поляроиды. Они изготавливаются из очень мелких кристаллов турмалина или герапатита (сернокислого йод-хинина), нанесенных на целлулоидную пленку. Оптические оси всех кристалликов специальным образом ориентируются в одном направлении. Кристаллы герапатита толщиной» 0,1мм (получены в 1852 г. Герапитом) почти полностью поглощают обыкновенный луч. В 1935г. были выпущены листы целлулоида, покрытые мелкими одинаково ориентированными кристалликами – эти пленки и получили название поляроидов.

Таким образом, падающий естественный свет, проходя сквозь поляроид, становится плоскополяризованным.

Рассмотрим установку (рис. 1), состоящую из источника света, двух поляроидов П и А и фотоэлемента. Пройдя сквозь первый поляроид (поляризатор) свет становится плоскополяризованным. Второй поляроид А (анализатор) может пропускать только те колебания, которые совпадают с его главным направлением АА (рис. 2). Если главные направления поляризатора и анализатора совпадают, то интенсивность проходящего света будет максимальной. Если же анализатор повернуть таким образом, что его главное направление составляет угол 90° с главным направлением поляризатора, то интенсивность проходящего света будет минимальной. Такое положение поляроидов называется скрещенным.

Рис. 2

Пусть Е_П (рис. 2) по модулю равен амплитуде вектора напряженности падающей волны, причем направление Е_П совпадает с направлением пропускания поляризатора. АА - главное направление анализатора.

Вектор Е_П можно разложить на две взаимно перпендикулярные составляющие Е_А и Е, одна из которых совпадает с главным направлением анализатора. Колебания, перпендикулярные направлению АА, не проходят через анализатор.

Из рис. 2 видно, что амплитуда выходящего из анализатора света, равна:

Е_А = Е_П × cos j, (1)

где j - угол между направлениями пропускания поляризатора и анализатора.

Так как интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды, то

I = I_о cos2 j. (2)

Выражение (2) получило название закона Малюса, сформулированного им в 1810 г. и подтвержденного тщательными фотометрическими измерениями Араго. Формулировка закона Малюса: интенсивность линейно-поляризованного света I, прошедшего анализатор, пропорциональна cos²j, где j - угол между пропускными направлениями поляризатора и анализатора, а коэффициент пропорциональности, I_о - интенсивность линейно-поляризованного света, падающего на анализатор.

Если cosj = 1, то I = I_о, т.е. I_о есть максимальная интенсивность поляризованного света, прошедшего анализатор.

Зная, что величина фототока пропорциональна интенсивности падающего на фотоэлемент света, можно проверить закон Малюса (формулу (2)) по изменению величины фототока при повороте поляризатора или анализатора. Фототок i будет соответствовать интенсивности света I, прошедшего поляризатор и анализатор, фототок i_o - интенсивности света I_о, прошедшего только поляризатор. Тогда закон Малюса можно переписать в виде:

i = i_o×cos²j, (3)

где i_o – максимальная величина фототока, i – величина фототока при повороте поляризатора.

Нужно иметь в виду, что реальная интенсивность света, прошедшего через анализатор, будет иметь меньшее значение I, т.к. произойдет еще поглощение света в поляризаторе и анализаторе.

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Для проверки закона Малюса нужно изучить зависимость фототока i от угла j, используя формулу (3). Для этого соберите электрическую схему установки согласно рис. 3.

1. Включите осветитель в сеть (220В).

2. Подайте на фотоэлемент постоянное напряжение, равное 220 В.

3. Вращая поляризатор, добейтесь максимального отброса светового указателя микроамперметра. Запишите соответствующее этому отбросу деление на лимбе поляризатора, принимая его за начало отсчета (т.е. j = 0°).

4. Получите зависимость величины фототока i от угла поворота поляризатора j.

5. Результаты внесите в табл. 1.

Таблица 1

6. По полученным данным постройте график зависимости силы фототока i_эксп, пропорциональной интенсивности проходящего света I, от квадрата косинуса угла поворота j, т.е.

i _эксп.= ¦ (соs²j).

7. Постройте теоретическую кривую зависимости

i _теор.= i_o×cos²j,

беря за i_o× максимальное показание микроамперметра при j = 0°.

8. Объясните различие графиков i _эксп. и i _теор. как функций от cos²j.

9. Начертите и объясните с помощью закона преломления света ход лучей в призмах: Николя, Волластона, Рашона, Сенармона.

Дополнительное задание*

Исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) фотоэлемента ЦГ-3 при двух постоянных световых потоках Ф₁ и Ф₂.

Для выполнения этого задания используйте прежнюю схему (рис. 3).

1. Включите осветитель, добейтесь максимального светового потока, падающего на фотоэлемент, для чего подайте на фотоэлемент постоянное напряжение, равное 220 В, и, вращая поляризатор, получите максимальный отброс светового указателя микроамперметра, при необходимости изменняя расстояние между осветителем и поляризатором, после чего уменьшите напряжение на фотоэлементе до нуля. При данном световом потоке снимите вольтамперную характеристику ЦГ-3.

2. Уменьшите световой поток, для чего поверните ось поляризатора на 20° и вновь снимите ВАХ.

3. Значения силы тока и напряжения внесите в табл. 2.

Таблица 2

4. По полученным данным постройте график зависимости i = ¦ (U) при Ф₁ = const и Ф₂ = const. Оба графика постройте на одном листе.

5. Объясните различие графиков.

Примечание: фотоэлемент ЦГ-3 имеет темновой ток» 8×10^-9А при
U = 220 В.

Контрольные вопросы:

1. Какой свет называется естественным, линейно-поляризованным?

2. Какие способы получения поляризованного света Вы знаете?

3. Какое вещество называется изотропным? Анизотропным?

4. В чем заключается явление двойного лучепреломления?

5. Какой луч называется обыкновенным? Необыкновенным? Какими свойствами обладают эти лучи?

6. В рабочих тетрадях начертите ход лучей в призмах Николя, Волластона, Рашона, Сенармона.

7. Каково устройство и принцип действия фотоэлемента. Расшифруйте маркировку фотоэлемента ЦГ-3.

8. Охарактеризуйте действие всех электроизмерительных приборов, применяемых в данной работе.

9. Сформулируйте закон Малюса. Как выразить интенсивность света, прошедшего анализатор, через интенсивность естественного света?

Поиск по сайту: