Визначення площини коливань поляризованого променя лазера - закон Малюса -

Схема досліду

Якщо лазер обладнано так званим вікном Брюстера, він випромінює лінійно поляризоване світло, площину коливань якого можна визначити за допомогою поляризаційного фільтра, використаного як аналізатор.

Поляризація має безліч застосувань у природі й техніці. Оскільки поляризованим є і світло з неба, і світло, відбите, наприклад, від поверхні води, за допомогою поляризаційних фільтрів для камер можна отримати чудові знімки.

Є також багато тварин, здатних сприймати площину поляризації світла. Це допомагає їм в орієнтуванні та на полюванні.

Попередні знання

Вже має бути відомо, що світло - це електромагнітна поперечна хвиля, тобто має електричне поле і магнітне поле, які коливаються перпендикулярно одне до одного і до напряму поширення й задають площину коливань.

Принцип

Звичайні джерела світла випромінюють світлові хвилі, напрям коливань яких визначений випадково.

Є матеріали, які, коли на них падає світло, пропускають лише світло певного напряму коливань. Так одержують лінійно поляризоване світло.

Навчальна мета

За допомогою поляризаційних фільтрів світло можна лінійно поляризувати. Якщо лінійно поляризоване світло падає на поляризаційний фільтр, використаний як акцептор, то інтенсивність світла за акцептором поводиться за законом Малюса: вона спадає пропорційно до квадрата косинуса кута між напрямом коливань і напрямом пропускання.

Завдання

• Визначення площини коливань поляризованого променя лазера
• Відповіді на запитання в протоколі

Обов'язково треба стежити за тим, щоб ніхто не дивився прямо в промінь лазера.

Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.

Якщо неполяризований промінь світла проходить крізь поляризаційний фільтр, то пропускається лише та частина світла, площина коливань якої збігається з напрямом поляризації фільтра.

Якщо спрямувати лінійно поляризоване світло з амплітудою на другий фільтр (аналізатор), площина коливань якого повернута відносно площини коливань світла на кут , то пропускається лише частина Якщо і перпендикулярні одна до одної, то аналізатор не пропускає світла.

Оскільки інтенсивність світла пропорційна квадрату амплітуди напруженості поля світла, для інтенсивності світла за аналізатором справджується:

Для визначення інтенсивності світла може слугувати фотоелемент, фотострум якого прямо пропорційний до інтенсивності падаючого світла.

Схема досліду

Для першої частини досліду діодний лазер і напівпрозорий екран закріплюють у ковзних опорах для штативної лави й установлюють по краях оптичної лави.

Змонтована в оправі зі шкалою збиральна лінза () слугує для розширення променя лазера.

На другу оправу зі шкалою монтують тримач діафрагм із поляризаційним фільтром. Напрям пропускання поляризаційного фільтра позначено його отвором. Отвір має бути вгорі, коли риска тримача діафрагм стоїть над -позицією кутової шкали. Поляризаційний фільтр розміщують щільно за лінзою.

Перша частина досліду

У затемненому приміщенні поляризаційний фільтр повільно повертають і спостерігають за яскравістю, що виникає на екрані.

Треба визначити положення фільтра для мінімальної яскравості, бо в цьому разі око краще розрізняє відмінності яскравості. Лазер працює в режимі 1 мВт.

Після цього напівпрозорий екран замінюють кремнієвим діодом, який приєднують до струмового входу демонстраційного вимірювального приладу.

Оправу зі шкалою і лінзою знімають.

Фотоелемент

Відстань між фотоелементом і діодним лазером тепер становить приблизно 40 см. Обидва треба зорієнтувати так, щоб активна поверхня фотоелемента була повністю освітлена.

Спершу треба зареєструвати темновий струм при вимкненому лазері.

Після цього поляризаційний фільтр переставляють у діапазоні кутів з кроком 10°. Відповідний струм кремнієвого діода записують.

В області максимуму та мінімуму інтенсивності зміну кута виконують з кроком 5°.

Знайдений у першій частині досліду мінімум інтенсивності пропущеного лінійно поляризованого світла лазера припадає на положення аналізатора .

Це означає, що напрям коливань світла лазера повернутий відносно нього на 90°.

Отже, діодний лазер випромінює лінійно поляризоване світло, площина коливань якого нахилена на 55° до вертикалі.

Від виміряних значень струму другої частини досліду треба відняти темновий струм і нанести відповідне відношення на діаграмі залежно від кута. Отриманий графік відповідає кривій .

Це підтверджує закон Малюса:

Інтенсивність лінійно поляризованого променя світла з початковою інтенсивністю після проходження крізь лінійний поляризатор становить .