Развитие волновой оптики. Поляризация света

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Московский государственный технологический

университет "СТАНКИН"

Егорьевский технологический институт (филиал)

Исследование поляризованного света

Методические указания

к выполнению лабораторной работы

ЕТИ.Ф. 05

Егорьевск 2012

Составитель ст. преподаватель Никифоров В.Ю.

Рецензент к.ф.н. Шабаева Г.Г.

В методических указаниях даны основные определения волновой оптики, поляризация света, рассмотрены методы получения поляризованного света. Методические указания предназначены для студентов 1 курса, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров: 151900 Конструкторско-технологическое обеспечение автоматизированных машиностроительных производств, 220700 Автоматизация технологических процессов и производств, 280700 Техносферная безопасность по дисциплине "Физика" при изучении раздела «Колебания и волны, оптика».

Методические указания обсуждены на заседании кафедры естественнонаучных дисциплин.

Протокол № от

Заведующий кафедрой А.П. Нилов

Методические указания рассмотрены и одобрены методическим советом института

Протокол № от

Председатель совета А.Д.Семенов

Исследование поляризованного света

1 Цель работы: ознакомление с получением поляризованного света и некоторых его свойств.

2 Оборудование и материалы: 2 поляроида, стопа стеклянных пластин, лампа накаливания, фотоэлемент, микроамперметр.

Содержание работы.

3.1 Изучить теоретический материал.

3.2 Собрать экспериментальную установку.

3.3 Проделать измерения и заполнить таблицу 1.

3.4 Проделать измерения и заполнить таблицу 2.

3.5 Проделать измерения и заполнить таблицу 3.

3.5 Провести необходимые расчеты.

3.6 Оформить отчет.

Теоретические сведения к работе

Развитие волновой оптики. Поляризация света

Оптика – раздел физики, изучающий свойства и физическую природу света, а также его взаимодействие с веществом. Учение о свете принято делить на три части:

· геометрическая или лучевая оптика, в основе которой лежит представление о световых лучах;

· волновая оптика, изучающая явления, в которых проявляются волновые свойства света;

· квантовая оптика, изучающая взаимодействие света с веществом, при котором проявляются корпускулярные свойства света.

В начале XIX века, когда Т. Юнг и О. Френель развивали волновую теорию света, природа световых волн была неизвестна. На первом этапе предполагалось, что свет представляет собой продольные волны, распространяющиеся в некоторой гипотетической среде – эфире. При изучении явлений интерференции и дифракции вопрос о том, являются ли световые волны продольными или поперечными, имел второстепенное значение. В то время казалось невероятным, что свет – это поперечные волны, так как по аналогии с механическими волнами пришлось бы предполагать, что эфир – это твердое тело (поперечные механические волны не могут распространяться в газообразной или жидкой среде).

Однако постепенно накапливались экспериментальные факты, свидетельствующие в пользу поперечности световых волн. Еще в конце XVII века было обнаружено, что кристалл исландского шпата (CaCO₃) раздваивает проходящие через него лучи. Это явление получило название двойного лучепреломления (рисунок 1).

Рисунок 1 Прохождение света через кристалл исландского шпата (двойное лучепреломление). Если кристалл поворачивать относительно направления первоначального луча, то поворачиваются оба луча, прошедшие через кристалл

В 1809 году французский инженер Э. Малюс открыл закон, названный его именем. В опытах Малюса свет последовательно пропускался через две одинаковые пластинки из турмалина (прозрачное кристаллическое вещество зеленоватой окраски). Пластинки можно было поворачивать друг относительно друга на угол φ (рисунок 2).

Рисунок 2 Иллюстрация к закону Малюса

Интенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной cos2 φ:

Ни двойное лучепреломление, ни закон Малюса не могут найти объяснение в рамках теории продольных волн. Для продольных волн направление распространения луча является осью симметрии. В продольной волне все направления в плоскости, перпендикулярной лучу, равноправны. В поперечной волне (например, в волне, бегущей по резиновому жгуту) направление колебаний и перпендикулярное ему направление не равноправны (рисунок 3).

Рисунок 3 Поперечная волна в резиновом жгуте. Частицы колеблются вдоль оси y. Поворот щели S вызовет затухание волны

Таким образом, асимметрия относительно направления распространения (луча) является решающим признаком, который отличает поперечную волну от продольной. Впервые догадку о поперечности световых волн высказал в 1816 г. Т. Юнг. Френель, независимо от Юнга, также выдвинул концепцию поперечности световых волн, обосновал ее многочисленными экспериментами и создал теорию двойного лучепреломления света в кристаллах.

В середине 60-х годов XIX века на основании совпадения известного значения скорости света со скоростью распространения электромагнитных волн Максвелл сделал вывод о том, что свет – это электромагнитные волны. К тому времени поперечность световых волн уже была доказана экспериментально. Поэтому Максвелл справедливо полагал, что поперечность электромагнитных волн является еще одним важнейшим доказательством электромагнитной природы света.

Электромагнитная теория света приобрела должную стройность, поскольку исчезла необходимость введения особой среды распространения волн – эфира, который приходилось рассматривать как твердое тело.

В электромагнитной волне вектора и перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рисунок 1). Таким образом плоская электромагнитная световая волна является поперечной и представляет собой распространение взаимно перпендикулярных колебаний: вектора напряженности электрического поля и вектора напряженности магнитного поля (рисунок 1). Во всех процессах взаимодействия света с веществом основную роль играет электрический вектор поэтому его называют световым вектором.

Рисунок 1 Схематическое изображение электромагнитной волны

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому колебания различных направлений быстро и беспорядочно сменяют друг друга.

Световой пучок, в котором различные направления вектора Е в поперечной к направлению распространения волны плоскости равновероятны, называется естественным. В естественном свете колебания различных направлений быстро и беспорядочно сменяют друг друга (рисунок 2).

Рисунок 2 Колебания светового вектора в естественном свете

Свет, в котором направления колебания вектора упорядочены каким-либо образом и подчиняются некоторой закономерности, называются поляризованным. Плоскость, в которой колеблется световой вектор называется плоскостью колебаний (плоскость yz на рис. 2.6.3), а плоскость, в которой совершает колебание магнитный вектор – плоскостью поляризации (плоскость xz на рис. 2.6.3).

Если при распространении электромагнитной волны световой вектор сохраняет свою ориентацию, колебания вектора Е могут совершаться лишь в одном определенном направлении, такую волну называют линейно поляризованной или плоско поляризованной (термин поляризация волн был введен Малюсом применительно к поперечным механическим волнам). Если, то свет называется линейно или плоскополяризованным.

Рисунок 3 Колебания светового вектора в плоскополяризованном свете

Если вдоль одного и того же направления распространяются две монохроматические волны, поляризованные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, то в результате их сложения в общем случае возникает эллиптически поляризованная волна (рисунок 4).

Рисунок 3 Колебания светового вектора в эллиптически

Поиск по сайту: