КРАТКАЯ ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

КАФЕДРА ФИЗИКИ

Методическое указание к лабораторной работе № 4 – О.

ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА ПРИ ОТРАЖЕНИИ И ПРЕЛОМЛЕНИИ.

Т Ю М Е Н Ь 2004 г.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4-0

ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА ПРИ ОТРАЖЕНИИ И

ПРЕЛОМЛЕНИИ

Цель работы: 1. Исследовать явление поляризации света при отражении.

2. Проверить закон Брюстера и определить величину угла Брюстера

при отражении света от стеклянной пластины.

Принадлежности: Источник света, стеклянная пластина, поляризатор, фотоэлемент, миллиамперметр, дуга с делениями.

КРАТКАЯ ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

К явлениям поляризации света относятся явления, обусловлен­ные поперечным характером колебаний световых волн. Естественный свет не проявляет своей асимметрии относительно направления рас­пространения. Это связано с тем, что в естественном свете имеются колебания, совершающиеся в самых различных направлениях, перпен­дикулярных лучу. Если колебания светового вектора лежат в одной плоскости, то свет плоско или линейно поляризован. Плоскость, в которой происходят колебания светового вектора, называется плоскостью колебаний.

Если в результате каких-либо внешних воздействий появляется преимущественное (но не исключительное) направление колебаний вектора (рис. 1,б), то говорят о частично поляризованном свете.

а) естественный б) частично-поляризованный в) поляризованный

свет свет свет

Рис. 1

За меру степени поляризации принимают:

P = (I_max – I_min) / (I_max + I_min),

где I_max и I_min максимальная и минимальная интенсивность света, соответствующие двум взаимно перпендикулярным компонентам вектора . Для естественного света I_max = I_min и P=0, для плоскополяризованного I_min =0 иР = 1.

Плоскополяризованный свет можно получить из естестветвенного света с помощью специальных приборов, называемых поляризаторами. Эти приборы свободно пропускают колебания, параллельные плоскости, которую называют плоскостью поляризатора, и полностью задерживают колебания, перпендикулярные этой плоскости.

Поляризация света наблюдается при отражении и преломлении естественного света от диэлектрика, а также его пропускания через анизотропные среды, неодинаково пропускающие лучи, колебания в которых осуществляются в разных плоскостях.

Если угол падения света на границу раздела двух диэлектриков (например, на поверхность стеклянной пластинки) не равен нулю, отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными, т.е. в отраженном луче преобладают колебания, перпендикуляр­ные к плоскости падения (рис.2 - точки), в преломленном луче - колебания, параллельные плоскости падения (рис.2 - двусторонняя стрелка).

Рис. 2

Степень поляризации зависит от угла падения лучей и показателя преломления. При угле падения, удовлетворяющему условию

tq i_в = n₂₁, (1)

где n₂₁ - показатель преломления второй среды относительно первой, отраженный луч полностью поляризован (он содержит только колебания, перпендикулярные к плоскости падения). Степень поля­ризации преломленного луча при угле падения равном i_в дости­гает наибольшего значения, однако, этот луч остается поляризованным только частично.

Соотношение (1) носит название закона Брюстера. Угол i_в называют углом полной поляризации. Если свет падает на границу раздела под углом Брюстера, то отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны

(tq i_в = Sin i_в / Cosi_в, n₂₁ = Sini_в / Sini₂, (i₂ - угол преломления), откуда Cosi_в = Sini₂). Следовательно, i_в+ i₂ = p/2, но i_в=i'_в (закон отражения), поэ­тому i'_в+ i₂ = p/2. Степень поляризации отраженного и прелом­ленного света при различных углах падения можно рассчитать из уравнений Максвелла, если учесть граничные условия для электро­магнитного поля на границе раздела двух изотропных диэлектриков (так называемые формулы Френеля).

Физическая суть явлений, приводящих к поляризации отражен­ного и преломленного света, заключается в следующем:

электромагнитная волна, падая на вещество-диэлектрик, вы­зывает колебания в атомах и молекулах вещества. Атомы и молеку­лы вещества становятся вторичными источниками электромагнитных волн. Эти вторичные волны излучается электронами, колеблющимися в атомах и молекулах диэлектрика, причем направление колебаний электронов совпадает с направлением колебаний электрического вектора падающей волны. Излучение колеблющегося заряда имеет направленный характер. Интенсивность излучения вторичных волн будет сильнее всего в направлениях, перпендикулярных к направлению колебаний. В направлении колебаний заряд не излучает.

Если преломленные и отраженные лучи составляют угол p/2 (рис.3), т.е. i₁+i₂=p/2, то в отраженном луче будет пол­ностью отсутствовать колебания вектора , происходящие в плоскости падения, так как происходят вдоль оси колебания элект­рона, но зато эти колебания будут в преломленном луче (в плоскос­ти рис.3 эти колебания показаны стрелками). В отраженном луче колебания вектора будут происходить только в плоскости, перпен­дикулярной рисунку (эти колебания показаны точками), т.е. отражен­ный луч при определенном угле падения (угле Брюстера) будет полностью поляризован. В естественном падающем луче интенсивность колебаний различных направлений одинакова. Энергия этих колебаний распределяется между отраженной и преломленной волной. Поэтому, если в отраженном луче будет больше интенсивность колебаний одного направления, то в силу закона сохранения энергии в прелом­ленном луче должна быть больше интенсивность колебаний другого направления.

Рис. 3

Отсюда следует, что преломленный луч будет частично поляризован.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Установка состоит из источника света 1, пачки стеклянных пластинок 2, при отражении от которых и происходит частичная или полная поляризация, анализатора 3, фотоэлемента 4 с миллиампер­метром, дуги, на которую нанесены деления. С помощью анализатора измеряется степень поляризации Р.

Рис. 4

Миллиамперметр, подключенный к фотоэлементу, позволяет оценить интенсивность отраженного света. Фотоэлемент и источник света закреплены на стержнях, которые мож­но поворачивать друг относительно друга. Это позволяет менять в необходимых пределах угол падения света на пластинку 2.