Загальна інформація
Застосування
Кут Брюстера, який розглядають у цьому досліді, має численні застосування в техніці. Наприклад, його використовують у так званих вікнах Брюстера в газових лазерах, щоб можна було мінімізувати втрати.
Рисунок 1: схема досліду
Інша інформація (1/2)
Попередні знання
Учні мають володіти знаннями про відбивання і заломлення світла.
Принцип
Якщо електромагнітне випромінювання відбивається від поверхні діелектричного тіла, то відбите випромінювання частково лінійно поляризоване. Повна поляризація відбитого променя настає тоді, коли заломлений промінь перпендикулярний до відбитого. Відповідний кут падіння називають кутом поляризації або також кутом Брюстера.
Інша інформація (2/2)
Навчальна мета
Учні опанують особливості кута Брюстера і зможуть також його обчислювати.
Завдання
Завдання цього досліду полягає в тому, щоб визначити кут поляризації (кут Брюстера).
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Теорія (1/2)
Неполяризований промінь світла падає під кутом падіння на поверхню тіла з плексигласу і там частково відбивається, а частково заломлюється в скляне тіло під кутом заломлення . Кут заломленого променя і кут відбитого променя визначають як функцію кута падіння. Додатково щоразу досліджують стан поляризації відбитого променя.
За законом заломлення Снелліуса синус кута падіння перебуває до синуса кута заломлення у сталому відношенні, яке відповідає показнику заломлення заломлювального середовища.
Закон заломлення Снелліуса: .
Теорія (2/2)
Для окремого випадку, коли відбитий промінь перпендикулярний до заломленого, справджується (див. рис. 2):
Із закону заломлення з попереднім співвідношенням випливає:
.
Індекс показує, що за цих умов відбитий промінь світла тепер повністю поляризований. Через позначають кут падіння, за якого відбитий промінь перпендикулярний до заломленого; його називають кутом поляризації або також кутом Брюстера.
Рисунок 2
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Оптична лава, l = 1000 мм | 08370-00 | 1 |
| 2 | Експериментальна лампа | 08130-99 | 1 |
| 3 | Ковзна опора для оптичної лави | 09822-00 | 2 |
| 4 | Оправа зі шкалою на ковзній опорі | 09823-00 | 2 |
| 5 | Тримач діафрагм, накидний | 11604-09 | 1 |
| 6 | Поляризаційний фільтр, 50 мм x 50 мм | 08613-00 | 1 |
| 7 | Лінза в оправі, f=+100 мм | 08021-01 | 1 |
| 8 | Діафрагма зі щілиною, d = 1 мм | 09816-02 | 1 |
| 9 | Модельне тіло, півкругле | 08374-00 | 1 |
| 10 | Оптичний диск із шарніром | 11604-03 | 1 |
| 11 | Екран, білий, 150x150 мм | 09826-00 | 1 |
| 12 | Циліндрична опора expert | 02004-00 | 1 |
Складання та виконання
Складання
Кінцева схема досліду з усіма потрібними для виконання компонентами
Експериментальну лампу з насадженим одинарним конденсором вставляють горизонтальним тримальним стрижнем у торцевий отвір тримача на головному кінці оптичної лави й закріплюють.
Лампу треба живити змінною напругою . Решту компонентів розміщують на оптичній лаві за їхніми рисками так:
- оправа зі шкалою з тримачем діафрагм і діафрагмою зі щілиною на
- оправа зі шкалою зі збиральною лінзою на
- ковзна опора для штативної лави з оптичним диском на
Екран закріплюють у циліндричній опорі й спочатку ставлять приблизно за від центра столика під прямим кутом до оптичної лави.
Виконання (1/3)
За допомогою повзунка на корпусі лампи галогенну лампу розжарення переводять у фокус одинарного конденсора. На столик, діаметр якого має збігатися з оптичною віссю, кладуть півкругле тіло з плексигласу так, щоб його пласка грань лежала точно над діаметром столика. При цьому допоміжна лінія тіла має вказувати точно на центр столика (рис. 3).
Рисунок 3a і 3b: правильне положення тіла з плексигласу
Виконання (2/3)
Якщо тепер трохи повернути столик, то падаючий, відбитий і заломлений промені мають бути добре видно. Пересуваючи лінзу вздовж оптичної осі, домагаються різкого зображення всіх трьох променів. Якщо падаючий промінь потрапляє не точно в центр установки, це можна виправити незначним горизонтальним пересуванням діафрагми зі щілиною в її тримачі.
Починаючи з кута падіння рукою вносять у відбитий промінь поляризаційний фільтр (аналізатор) і, обертаючи його перпендикулярно навколо напрямку променя, встановлюють мінімальну яскравість на приймальному екрані. При цьому треба запам'ятати положення позначки-отвору, яка слугує для позначення напрямку поляризації аналізатора.
Виконання (3/3)
Обертанням столика кут падіння тепер неперервно збільшують. Для контролю відбитого променя аналізатор треба весь час переміщувати разом із ним. Його положення для напрямку пропускання лишається при цьому незмінним. Якщо на екрані настає цілковита темрява, треба записати відповідні кути падіння, відбивання і заломлення.
Насамкінець аналізатор рукою вносять у падаючий промінь і так само обертають перпендикулярно навколо його напрямку. Записують положення позначки-отвору аналізатора, за яких відбитий промінь показує максимальну яскравість або максимальну темряву.
Опрацювання результатів (1/2)
Зі збільшенням кута падіння інтенсивність відбитого променя спадає, якщо позначка-отвір аналізатора розташована горизонтально, тобто якщо напрямок його поляризації лежить у площині падіння світла.
За такої сукупності кутів відбитий промінь цілком гасне:
кут падіння / відбивання ; кут заломлення , тобто відбитий і заломлений промені перпендикулярні один до одного. У цьому разі відбитий промінь повністю поляризований, причому напрямок його коливань лежить перпендикулярно до площини падіння.
Тоді для показника заломлення тіла з плексигласу справджується: .
Показник заломлення відображає, крім того, і відношення швидкостей світла в середовищах, задіяних у заломленні. Справджується , де - швидкість світла в плексигласі, а - відповідна швидкість у повітрі. Отже, швидкість світла в плексигласі становить: .
Опрацювання результатів (2/2)
Рисунок 4: Поляризація електромагнітної хвилі при відбиванні від поверхні діелектричного тіла
Примітка: Поляризацію світла, відбитого від поверхні діелектричних тіл, можна пояснити за допомогою моделі осцилятора: якщо неполяризована електромагнітна хвиля падає на діелектрик, то заломлена хвиля збуджує диполі всередині тіла до коливань перпендикулярно до напрямку поширення хвилі. Диполі, що коливаються, своєю чергою знову випромінюють електромагнітні хвилі. - вектор цих хвиль можна розкласти на дві складові: паралельну до площини падіння і перпендикулярну до неї. Електричний диполь не випромінює електромагнітних хвиль уздовж напрямку своїх коливань. Але у випадку кута Брюстера (через прямий кут) - вектор, що лежить у площині падіння, коливається в напрямку відбитого променя (див. рис. 4). Отже, відбита хвиля не має складової коливань у площині падіння. Відбита хвиля в цьому окремому випадку поляризована повністю, а саме перпендикулярно до площини падіння.