Інформація для вчителів
Застосування
Крім уже відомих станів поляризації світла (лінійно поляризоване і неполяризоване) є ще й інші стани поляризації. Наприклад, еліптично поляризоване світло або його окремий випадок - циркулярно поляризоване світло.
Застосування еліптично поляризованого світла знаходимо, наприклад, у лазерній спектроскопії.
Еліптична і циркулярна поляризація
Інша інформація для вчителів (1/5)
Попередні знання
Учні мають мати знання про поляризаційні та відбивні властивості світла.
Принцип
Яскравість світла, що потрапляє на фоторезистор, а отже й сила фотоструму, залежать від положення аналізатора. Вони максимальні, коли напрямок поляризації поляризатора і аналізатора, а також один із напрямків поляризації λ/4-пластинки проходять паралельно.
Інша інформація для вчителів (2/5)
Навчальна мета
Учні мають опанувати принцип дії λ/4-пластинки, а також поляризаційні властивості еліптично та циркулярно поляризованого світла.
Завдання
У цьому досліді йдеться про те, щоб дослідити, чи може світло бути поляризоване інакше, ніж лінійно.
Інша інформація для вчителів (3/5)
Додаткова інформація 1
λ/4-пластинки - це плоскопаралельні пластинки, які виготовляють з оптично анізотропних кристалів, і то часто зі слюди, бо вона легко розколюється. Через подвійне променезаломлення світло, що падає, розкладається на дві лінійно поляризовані у взаємно перпендикулярних площинах складові, які через різну швидкість у пластинці мають на виході з неї різницю ходу Δ.
λ/4-пластинка має таку товщину шару, що різниця ходу для певного кольору становить Δ = (2 k + 1) · λ / 2 (k = 0, 1, 2, ...). За допомогою аналізатора можна відфільтрувати ті складові взаємно перпендикулярно поляризованих часток, які лежать у його площині поляризації, і звести їх до інтерференції.
Загалом світло, яке виходить з λ/4-пластинки, поляризоване еліптично. Окремі випадки цієї поляризації - циркулярна (обидві складові мають однакову амплітуду) і лінійна (амплітуда однієї зі складових дорівнює 0) поляризація.
У разі циркулярно поляризованого світла вектори напруженості електричного поля додаються в один вектор, модуль якого лишається сталим і який обертається навколо напрямку поширення світла.
Інша інформація для вчителів (4/5)
Додаткова інформація 2
Якщо один із напрямків поляризації λ/4-пластинки утворює з напрямком поляризації поляризатора кут φ = 45°, то обидва вектори напруженості електричного поля рівні, і аналізатор не може погасити циркулярно поляризоване світло. За довільного кута α між поляризатором і аналізатором інтенсивність світла, яке проходить крізь аналізатор, за ідеалізованих умов удвічі менша за інтенсивність світла, що виходить з поляризатора. Якщо φ ≠ (2 k + 1) · 45°, то йдеться про еліптично поляризоване світло. Інтенсивність світла, що проходить крізь аналізатор, залежить лише від кута α. Вона максимальна, коли велика піввісь еліпса паралельна до напрямку поляризації аналізатора; вона мінімальна, коли ця піввісь перпендикулярна до нього. У граничному випадку, φ = k · 90°, світло, яке виходить з λ/4-пластинки, поляризоване лінійно.
Дослід із λ/4-пластинкою відносно складний, якщо його не можна докладно продумати заздалегідь. Опрацювання результатів теж вимогливе.
Інша інформація для вчителів (5/5)
Вказівки щодо складання і виконання
Перш ніж учні перейдуть до вимірювань, слід працювати в напівзатемненому приміщенні.
Щоб повністю використати наявні шкали, коли треба встановлювати кути α, слід працювати з відносними значеннями шкали; тобто для трьох рядів вимірювань від нуля шкал відлічують лише один раз, а саме за φ = 45°. Це треба ретельно пояснити учням, за потреби - за допомогою схематичного рисунка.
Через оптичну анізотропію тіла лінзи, нехай навіть незначну, зображувальну лінзу з f = +100 мм не ставлять між обидва поляризаційні фільтри.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Інформація для учнів
Мотивація
Досі ми ознайомилися з двома можливими станами поляризації: лінійно поляризованим світлом і неполяризованим світлом. Проте поряд із ними є ще й інші стани поляризації, як-от еліптично поляризоване світло або його окремий випадок - циркулярно поляризоване світло.
Ці стани поляризації використовують, наприклад, у лазерній спектроскопії.
Зображення лазера
Завдання
Чи може світло бути поляризоване інакше, ніж лінійно?
Внесіть λ/4-пластинку в простір між двома поляризаційними фільтрами і визначте зв'язок між інтенсивністю світла, що проходить крізь аналізатор, і кутом повороту α між поляризатором і аналізатором.
Схема досліду
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Освітлювач галогенний, 12 В / 20 Вт | 09801-00 | 1 |
| 2 | Основа зі стрижнем для освітлювача для оптичної лави | 09802-20 | 1 |
| 3 | Оптична лава для учнівських дослідів, l = 600 мм | 08376-00 | 1 |
| 4 | Набір світлофільтрів для адитивного змішування кольорів | 09807-00 | 1 |
| 5 | Лінза на ковзній опорі, f = +50 мм | 09820-01 | 1 |
| 6 | Лінза на ковзній опорі, f = +100 мм | 09820-02 | 1 |
| 7 | Ковзна опора для оптичної лави | 09822-00 | 1 |
| 8 | Оправа зі шкалою на ковзній опорі | 09823-00 | 2 |
| 9 | Тримач пластин для 3 об'єктів | 09830-00 | 1 |
| 10 | Поляризаційний фільтр, 50 мм x 50 мм | 08613-00 | 2 |
| 11 | Поляризаційний препарат зі слюди | 08664-00 | 1 |
| 12 | Тримач діафрагм, накидний | 11604-09 | 2 |
| 13 | Розподільна стійка, l = 130 мм | 07807-00 | 1 |
| 14 | Аналоговий мультиметр, 600 В AC/DC, 10A AC/DC, 2 МОм, захист від перевантаження | 07021-11 | 1 |
| 15 | З'єднувальний провідник, 500 мм, червоний | 07361-01 | 1 |
| 16 | З'єднувальний провідник, 500 мм, синій | 07361-04 | 2 |
| 17 | PHYWE Джерело живлення пост. струм: 0...12 В, 2 A / змін. струм: 6 В, 12 В, 5 A | 13506-93 | 1 |
Складання (1/3)
Складіть оптичну лаву з двох штативних стрижнів і змінної основи штатива та прикладіть масштабну лінійку.
Складання (2/3)
- Складіть освітлювач за рисунками праворуч угорі.
- Затисніть освітлювач у лівій частині основи штатива так, щоб він був повернутий боком з лінзою від оптичної лави.
- Насуньте світлонепроникну діафрагму перед лінзою освітлювача.
Складання (3/3)
- Всуньте зелений фільтр у праве гніздо освітлювача.
- Насадіть фоторезистор на ізолювальний стрижень і затисніть його в правій частині основи штатива.
- Поставте лінзу з f = +50 мм на оптичну лаву безпосередньо біля освітлювача.
Виконання (1/4)
- Під'єднайте освітлювач до блока живлення (12 В~) і увімкніть блок живлення.
- Поставте лінзу з f = +100 мм приблизно на позначці 37 см і, переміщуючи лінзу, отримайте зображення спіралі лампи на середині фоторезистора.
- Всуньте кожен із поляризаційних фільтрів у тримач діафрагм і насадіть кожен тримач діафрагм на оправу зі шкалою так, щоб позначка щоразу була над нулем шкали.
Виконання (2/4)
- Поставте одну з оправ зі шкалою (поляризатор) на позначці 8 см, другу (аналізатор) - на 25 см. Якщо настане темрява, всуньте один із фільтрів у його тримач діафрагм, повернувши на 90°.
- Поверніть аналізатор на 90° (темрява); поставте тримач пластин приблизно на 16 см і всуньте λ/4-пластинку (поляризаційний препарат зі слюди) в одне з гнізд. Зверніть увагу на яскравість світла, що потрапляє на фоторезистор, і запишіть спостереження.
Виконання (3/4)
Під'єднання фоторезистора і амперметра
- Під'єднайте фоторезистор і амперметр (межа вимірювання 3 мА-) послідовно до виходу постійної напруги блока живлення (0 В, обмеження струму 0,2 А).
- Поверніть поляризатор на 45° ліворуч і встановіть аналізатор так само (той самий напрямок поляризації); кут φ між напрямком поляризації поляризатора і одним із двох напрямків поляризації λ/4-пластинки становить тепер 90° (відповідно 0°).
- Підвищте напругу так, щоб сила струму () досягла рівно 3 мА. Поверніть аналізатор трохи ліворуч або праворуч і спостерігайте при цьому за яскравістю і силою струму. Запишіть спостереження.
Виконання (4/4)
: поляризатора
: аналізатора
і : λ/4-пластинка
- Повертайте аналізатор кроками по 15° ліворуч і праворуч, зчитуйте сили струму IA, що відповідають кутам α.
- Поверніть поляризатор на 0° (кут φ між одним із напрямків поляризації пластинки і напрямком поляризації поляризатора становить тепер 45°). Поверніть аналізатор на 0° і повертайте, як і раніше, кроками по 15° . Виміряйте щоразу для кожного кута α і запишіть результати вимірювань.
- Поверніть поляризатор на -15° (φ = 60°), так само й аналізатор. Виміряйте знову α і та запишіть результати.
- Вимкніть блок живлення.
Протокол
Завдання 1
Якщо лінійно поляризоване світло проходить крізь λ/4-пластинку, воно стає еліптично поляризованим. Залежно від кута між напрямком поляризації поляризатора і одним із напрямків поляризації пластинки можуть виникати два особливі випадки: 1. За φ = 45° світло, що виходить з пластинки, ____. Виникають дві складові вектора E, які мають однаковий модуль, перпендикулярні одна до одної і мають різницю ходу λ/4. 2. За φ = 90° (відповідно φ = 0°) світло ____, бо одна зі складових вектора E має значення нуль.
Завдання 2
Спробуйте, використовуючи попередній матеріал, заповнити текст із пропусками. За φ = 45° (відповідно 45° ± k . 90°; k = 1, 2, ...) інтенсивність світла, що проходить крізь аналізатор, змінюється лише трохи, коли змінюють кут α, бо світло поляризоване ____. За φ ≠ 45°, тобто для ____ поляризованого світла, інтенсивність світла, яке проходить крізь аналізатор, особливо висока, наприклад, тоді, коли напрямок великої півосі еліпса збігається з напрямками поляризації поляризатора і аналізатора, тобто коли φ = ____° (або 90° ± k · 90°) і α = ____°.
Завдання 3
Питання