4.6. Установите расстояние между фотоприемником и диафрагмой r1 так, чтобы ток микроамперметра был в последней трети его измерительной шкалы. Закрепите штатив фотоприемника с анализатором нижним стопорным винтом штатива. Запишите данное значение фототока i0Э, соответствующее интенсивности света на входе в анализатор.
4.7. Снимите поляризатор с запасного штатива и установите его на штатив оптической скамьи перед анализатором в соответствии с рис. 4. Измерительная шкала поляризатора должна быть обращена к шкале анализатора. Закрепите штатив с поляризатором нижним стопорным винтом штатива.
4.8. Вращением анализатора вокруг оптической оси установите его на отметку 0 градусов шкалы.
4.9. Затем плавно вращая поляризатор вокруг оптической оси установите такое его положение, при котором регистрируется максимальный ток фотоприемника. В этом случае плоскости колебаний поляризатора и анализатора совпадают φ=0 градусов (φ угол между оптическими осями P-P поляризатора и P'-P' анализатора, см. рис. 3).
4.10. Вращая анализатора по часовой стрелке от 0 до 90 градусов его измерительной шкалы с шагом в 10 градусов, снимите зависимость фототока от угла φ. Запишите данные измерений в таблицу №1 как прямые измерения (столбец №2).
4.11. Запишите отдельно значение фототока iн при угле φ=90 градусов между оптическими осями поляризатора и анализатора (iн – значение фототока, соответствующее неполяризованному свету, регистрируемое фотоприемником).
4.12. Верните анализатор в исходное положение по углу φ=0.
4.13. Вращая анализатора против часовой стрелке от 0 до 90 градусов его измерительной шкалы с шагом в 10 градусов, снимите зависимость фототока от угла φ. Запишите данные измерений в таблицу №1 как обратные измерения (столбец №3).
4.14. Выключите питание, приведите лабораторную установку в исходное состояние.
4.15. Вычислите средние значения фототоков по результатам прямого и обратного измерений для каждого угла φ от 0 до 90 градусов. Результаты вычислений запишите в таблицу №1 (столбец №4).
4.16. Вычислите значения отношения интенсивностей 
по формуле (9) для всех углов φ. Результаты вычислений запишите в таблицу №1 (столбец №6).
4.17. Вычислите значения квадратов косинусов cos2φ всех углов φ. Результаты вычислений запишите в таблицу №1 (столбец №5).
4.18. Постройте график зависимостистепени поляризации света χ отквадрата косинуса cos2φ всех углов φ.
Таблица №1
| Угол между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора | Экспериментальное значение фототока, соответству-ющее интенсивности света на выходе анализатора при прямом измерении | Экспериментальное значение фототока, соответству-ющее интенсивности света на выходе анализатора при обратном измерении | Среднее эксперимен-тальное значение фототока из прямых и обратных измерений | Квадрат косинуса угла между плоскос-тями | Отношение интенсив-ностей |
| φ, град. | iэ,пр, мкА | iэ,обр, мкА | < iэ>, мкА | cos2 φ | 
|
4.19. Аппроксимируйте полученный график прямой линией и по тангенсу угла наклона к оси абсцисс вычислите значения коэффициента пропускания 1-k анализатора. Вычислите затем значение коэффициента поглощения k анализатора.
4.20. Рассчитать абсолютную погрешность измерения величины 
используя формулу (9) и полагая класс точности микроамперметра К=1%.
4.21. Сделать основные выводы по выполненной работе.
5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое поляризация электромагнитных волн? Как получить линейно поляризованный свет?
2. Возможна ли поляризация для продольных волн? Что называется естественно поляризованным светом?
3. Как получается поляризованный свет в лабораторной установке? Какое назначение поляризатора и анализатора в лабораторной установке?
4. Что такое свет поляризованный по кругу и по эллипсу?
5. Сформулируйте закон Малюса. Объясните, почему при прохождении естественного света через поляризатор интенсивность на выходе поляризатора не зависит от угла его поворота.
6. Что такое степень поляризации? Каким образом измеряется эта величина на лабораторной установке?
7. Расскажите о способе экспериментальной проверки закона Малюса в лабораторной работе.
6. ЛИТЕРАТУРА
1. Савельев И.В. Курс общей физики, т. 4, М.: Наука, Физматлит, 1998г.
2. Черевко А.Г. Расчёт неопределённостей результата измерений в физическом эксперименте: методические указания к лабораторному практикуму, Новосибирск: СИБГУТИ, 2002г.
ЗАДАЧИ
1.1 Степень поляризации частично поляризованного света составляет 0.75. Определите отношение максимальной интенсивности света, пропускаемого анализатором, к минимальной.
1.2 Определите степень поляризации P света, который представляет собой смесь поляризованного света с плоскополяризованным, если интенсивность поляризованного света равна интенсивности естественного.
2.1 Определите степень поляризации частично поляризованного света, если амплитуда электрического поля, соответствующая максимальной интенсивности света, в 3 раза больше амплитуды, соответствующей его минимальной интенсивности.
2.2 Определите степень поляризации P света, который представляет собой смесь поляризованного света с плоскополяризованным, если интенсивность поляризованного света в 5 раз больше интенсивности естественного.
3.1 Угол между главными плоскостями поляризатора и анализатора составляет 30°. Определите изменение интенсивности прошедшего через них света, если угол между главными плоскостями равен 45°.
3.2 Интенсивность естественного света, прошедшего через два николя, уменьшилась в 8 раз. Пренебрегая поглощением света, определите угол между главными плоскостями николей.
4.1 Определите, во сколько раз ослабится интенсивность света, прошедшего через два николя, расположенные так, что угол между их главными плоскостями 60°, а в каждом из николей теряется 8% интенсивности падающего на них света.
4.2 Определите степень поляризации частично поляризованного света, если амплитуда электрического поля, соответствующая максимальной интенсивности света, в 2 раза больше амплитуды, соответствующей его минимальной интенсивности.
5.1 Степень поляризации частично поляризованного света составляет 0.85. Определите отношение максимальной интенсивности света, пропускаемого анализатором, к минимальной.
5.2 Определите степень поляризации P света, который представляет собой смесь поляризованного света с плоскополяризованным, если интенсивность поляризованного света в 4 раза больше интенсивности естественного.
6.1 Угол между главными плоскостями поляризатора и анализатора составляет 35°. Определите изменение интенсивности прошедшего через них света, если угол между главными плоскостями равен 55°.
6.2 Определите, во сколько раз ослабится интенсивность света, прошедшего через два николя, расположенные так, что угол между их главными плоскостями 50°, а в каждом из николей теряется 9% интенсивности падающего на них света.
РАБОТА 7.6
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН, ПРИ ИХ ОТРАЖЕНИИ ОТ ДИЭЛЕКТРИКА
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Определить угол Брюстера. На основе экспериментальных данных рассчитать абсолютный показатель преломления стекла.
2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Опыт показывает, что электромагнитные волны поляризуются (1,2) не только при их прохождении через диэлектрики (3), но и при отражении от него (4,5). Причем, поляризованными оказываются как отраженная волна, так и преломленная (рис. 1).
Схема поляризации при отражении света от диэлектрической пластины под углом Брюстера
Направления колебаний вектора 
в отраженной волне «1» лежат в плоскости, перпендикулярной плоскости рис. 1. Направления колебания вектора 
в преломленной волне «2» совпадают с плоскостью рисунка. Как в отраженных, так и преломленных волнах в незначительном количестве присутствуют колебания других направлений вектора 
.
В основе механизма поляризации лежит взаимодействие электромагнитной волны с валентными электронами диэлектрика (3).
Опыт показывает, что степень поляризации отраженной и преломленной волн существенно зависит от угла падения волны 
на диэлектрик. Брюстером впервые было показано, что степень поляризации обеих волн, при условии:
tg Б = 
С/ В, (1)
где В – абсолютный показатель преломления той среды, из которой проходит электромагнитная волна, С – абсолютный показатель преломления диэлектрика. Величина Б, входящая в закон Брюстера (1), носит название «Угол Брюстера».
Экспериментальное определение величины Б и расчет значения С составляют основное содержание данной лабораторной работы. В условиях проводимого эксперимента, электромагнитная волна падает на диэлектрик из воздуха, для которого среднее значение абсолютного показателя преломления
/для электромагнитных волн видимого диапазона - 380 
760 нм/ составляет величину В =1,000292. В пределах точности эксперимента, можно принять значение В 
1. В качестве диэлектрика используется набор плоско-параллельных стеклянных пластин с абсолютным показателем преломления С, вплотную прижатых одна к другой. Такое устройство обычно называют стеклянной стопой. С учетом сказанного, формула (1) преобразуется к виду:
tg Б = С. (2)
3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
Принципиальная схема установки показана на рис. 2. Электромагнитная волна от источника «И» падает на стеклянную стопу «П» и отражается от нее в направлении «О1О2», поляризуясь. Для анализа отраженного поляризованного излучения используется поляроид «А», представляющий собой пленку поливинилена толщиной 0,5 мм. Пройдя через поляроид «А», электромагнитная волна падает на поверхность фотоприемника, в качестве которого используется кремневый фотодиод «ФП». К фотоприемнику подключен микроамперметр «µА», который служит для регистрации тока, возникающего в цепи, под воздействием на фотоприемник поляризованной электромагнитной волны. Поляроид «А» и фотоприемник «ФП» объединены в один блок «Б», способный поворачиваться в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси в направлении стрелок «в» или «б».
Стеклянная стопа «П» закреплена на вращающейся платформе горизонтально расположенного гониометра – прибора, предназначенного для отсчета углов падения волн . Как и блок «Б», стопа «П» может вращаться вокруг вертикальной оси в направлении стрелок «с» и «д». Стопа «П» в данном эксперименте выполняет функцию поляризатора электромагнитного излучения, поляроид «А» служит анализатором.
Схема лабораторной установки
Пусть интенсивность электромагнитной волны, поляризованной при отражении от стопы «П» (рис. 2) равна Jо, а направление колебательного вектора 
в этой волне составляет угол 
с плоскостью колебаний (3) анализатора. В этом случае, согласно закона Малюса, интенсивность электромагнитной волны падающей на поверхность фотоприемника «ФП»
J =Jo(1-K) cos2 
, (3)
где К – коэффициент поглощения электромагнитной волны анализатором. Согласно (3),
при 
=0, 
стремится к 
;
при = 
/2, стремится к 
.
Введем параметр, который назовем «степенью поляризации» электромагнитной волны, при ее отражении от стопы «П»
. (4)
Анализ формулы (4) показывает, что при 
, функция 
должна иметь максимум.
Как было показано в работе (7.5), интенсивность электромагнитной волны в условиях подобного эксперимента пропорциональна величине тока фотоприемника «ФП». Следовательно, функцию можно представить в следующем виде:
, (5)
где смысл индексов у значений тока тот же, что и в формуле (4).
4. ЗАДАНИЕ
4.1. Определение угла Брюстера.
4.1.1. Плавно поворачивая платформу гониометра, на которой закреплена стопа «П» (рис. 2), за рукоятку платформы, установить угол падения светового пучка на стопу =30° по лимбу гониометра. За стопу платформу не вращать, прикасаться руками к стопе категорически запрещается.
4.1.2. Включить тумблеры «220 В» и «фотодиод».
4.1.3. Вращая блок «Б» (рис. 2) вокруг вертикальной оси за рукоятку платформы блока, добиться максимального отклонения стрелки микроамперметра «µА».
4.1.4. Плавно поворачивая анализатор «А» вокруг оси, добиться повторного максимального отклонения стрелки микроамперметра. Записать в таблицу измерений величину фототока 
.
4.1.5. Повернуть анализатор вокруг оси на угол /2. Записать в таблицу измерений величину фототока 
.
4.1.6. Увеличивая угол от 30° до 80° через 5° повторить измерения токов фотоприемника согласно п.п. 4.1.3 + 4.1.5, в интервале от 50° до 60°приращение угла задавать через 2,5°.
4.1.7. Выключить тумблеры «220 В» и «фотодиод».
4.1.8. Подставляя значения и в формулу (5), вычислить величины 
, для всех значений угла 
.
4.1.9. Данные занесите в таблицу №1.
Таблица№1
|
| 
| 
| 
|
4.1.10. Построить зависимость . Определить по графику угол Брюстера 
.
4.2. Подставляя значения угла Брюстера в формулу (2), вычислить абсолютный показатель преломления стекла 
.
4.3. Рассчитать абсолютную погрешность измерения величины используя формулу (5) и полагая класс точности микроамперметра К=1%.
4.4. Сделайте основные выводы по выполненной работе.
5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
5.1. Дайте понятие поляризации электромагнитных волн.
5.2. В чем сущность закона Брюстера?
5.3. Каково назначение поляризатора и анализатора в данной работе?
5.4. Поясните, почему максимум функции соответствует углу Брюстера.
5.5. Дайте качественное объяснение механизма поляризации электромагнитной волны при ее взаимодействии с диэлектриком.
6. ЛИТЕРАТУРА
1. Савельев И.В. Курс общей физики, т. 4. М.: Наука, Физматлит, 1998 г.
2. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высш. шк., 2002 г.
3. Черевко А.Г. Расчёт неопределённостей результата измерений в физическом эксперименте: Методические указания к лабораторному практикуму, Новосибирск: СИБГУТИ, 2002 г.
4. Яворский Б. М. и Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1985 г.
ЗАДАЧИ.
1.1. Определите показатель преломления стекла, если при отражении от него света отраженный луч полностью поляризован при угле преломления 35°.
1.2. Предельный угол полного отражения для пучка света на границе кристалла каменной соли с воздухом равен 40.5°. Определите угол Брюстера при падении света из воздуха на поверхность этого кристалла.
2.1. Найти угол полной поляризации αБ при отражении света от стекла, показатель преломления которого n =1.57.
2.2. Под каким углом к горизонту должно находиться Солнце, чтобы его лучи, отраженные от поверхности озера были полностью поляризованы? Показатель преломления воды равен 1.33.
3.1. Найти показатель преломления диэлектрика, если при отражении от него света отраженный луч полностью поляризован при угле преломления 30°.
3.2. Найти угол полной поляризации αБ при отражении света от диэлектрика, показатель преломления которого n =1.73.
4.1. Предельный угол полного внутреннего отражения для некоторого вещества α =45°. Найти для этого вещества угол Брюстера полной поляризации.
4.2. Естественный свет падает на кристалл алмаза (n=2.42) под углом αБ полной поляризации . Найти угол преломления света.
5.1.Луч света проходит через жидкость, налитую в стеклянный (n=1.5) сосуд, и отражается от дна. Отраженный луч полностью поляризован при падении его на дно сосуда под углом αБ= 42°. Найти показатель преломления жидкости. Под каким углом α долженпадать на дно сосуда луч света, распространяющийся в этой жидкости, чтобы наступило полное внутреннее отражение?
5.2. Лучи естественного света проходят сквозь плоскопараллельную пластинку (n=1.54), падая на нее под углом αБ полной поляризации. Найти степень поляризации χ лучей, прошедших сквозь пластинку
6.1. Найти коэффициент отражения и степень поляризации χ1 лучей отраженных лучей при падении естественного света на стекло (n=1.5) под углом α= 45градусов. Какова степень поляризации χ2 преломленных лучей.
6.2. Найти коэффициент отражения естественного света, падающего на стекло (n=1.54) под углом αБ полной поляризации . Найти степень поляризации χ лучей, прошедших в стекло.
Приложение1