2018-01-08
1353
Цель работы: проверить экспериментально закон Малюса.
Приборы и принадлежности: модульный лабораторный учебный комплекс МУК – О, лист белой бумаги.
Краткая теория
Свет является электромагнитной волной, т.е. волной, в которой происходят колебания векторов напряженности электрического поля 
и напряженности магнитного поля 
. Электромагнитная волна поперечная, так как колебания напряженностей и перпендикулярны направлению ее распространения (рис. 1). Таким образом, три вектора , и скорость распространения волнового фронта 
взаимно перпендикулярны и образуют правовинтовую тройку векторов. Как показывает опыт, физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются колебаниями напряженности электрического поля. Поэтому вектор напряженности электрического поля принято называть световым вектором. В дальнейшем мы будем говорить только о векторе (направление вектора всегда можно определить, зная направление ).
 |
Естественный свет, т. е. свет, испускаемый обычными световыми источниками, есть совокупность световых волн со всевозможными направлениями колебаний напряженности электрического поля
, перпендикулярными к лучу света, быстро и беспорядочно сменяющими друг друга (рис. 2). Такой характер колебаний обусловлен спецификой излучения света. Излучение светящегося тела слагается из волн, испускаемых его атомами. Процесс излучения отдельного атома длится около 
с. За это время испускается цуг волн протяженностью примерно 3 м. Через некоторое время после излучения атом возбуждается и снова начинает излучать. Одновременно испускают энергию множество атомов. Цуги волн, излучаемые ими, накладываются друг на друга, образуя световую волну. Нам одновременно приходится наблюдать излучение огромного числа атомов, посылающих свет с различным направлением колебаний напряженности . Кроме того, в естественном свете наблюдается быстрая смена этих ориентаций.|
|
|
|
Свет, направление колебаний в котором упорядочено каким-либо образом, называют поляризованным. Свет, в котором имеется единственное направление колебаний напряженности (а следовательно, и ), называют плоскополяризованным. При этом плоскость, в которой колеблется вектор напряженности электрического поля называется плоскостью поляризации. Если конец вектора описывает в пространстве эллипс, то свет является эллиптическиполяризованным. В случае, если конец вектора описывает в пространстве окружность, свет является поляризованным по кругу.
Свет, в котором имеется преимущественное направление колебаний вектора , но при этом имеются и другие направления колебаний, называют частично поляризованным.
|
|
|
Для получения плоскополяризованного света используют специальные устройства, называемые поляризаторами. Существует много типов таких устройств: кристаллы, стеклянные призмы, поляроиды. Их действие основывается на поляризации света при его отражении и преломлении на границе раздела двух диэлектрических сред, а также на явлении двойного лучепреломления и дихроизма.
Некоторые кристаллы (турмалин и др.) обладают способностью пропускать волну, имеющую определенное направление колебаний светового вектора, но сильно поглощать волну с перпендикулярным направлением колебаний. При этом поглощение так велико, что уже при толщине кристалла в несколько миллиметров вторая волна поглощается практически полностью. Тогда из кристалла выходит плоскополяризованная волна. Такое явление называется дихроизмом. К сожалению, все подобные «дихроичные» кристаллы прозрачны лишь в какой-либо небольшой части видимого спектра. Подобным же свойством – создавать плоскую поляризацию обладают и тонкие слои некоторых органических веществ (поляроиды). Поляроид представляет из себя пленку целлулоида или другого прозрачного материала, в который вкраплены определенным образом ориентированные микроскопические кристаллики сильно дихроичного вещества, обычно герапатита или других родственных соединений. Установлено, что такая пленка толщиной порядка 0,1 мм селективно поглощает один из лучей. В результате мы имеем дело фактически с поляризатором. Поляроиды обходятся дешевле, легко изготовляются и могут иметь большие размеры. Последним они выгодно отличаются от естественных кристаллов, всегда относительно небольших. Глаз человека не различает степени поляризации света, поэтому во всех исследованиях по поляризации необходимо иметь тот или иной анализатор.
Анализ поляризованного света осуществляется с помощью поляризационных приборов. Если поляризационный прибор используется для получения поляризованного света, то он называется поляризатором. При использовании прибора для анализа поляризованного света его называют анализатором.
Рассмотрим прохождение естественного света последовательно через два идеальных поляроида 
и 
, разрешенные направления которых развернуты на некоторый угол 
(рис. 3). На рисунке 
, 
– разрешенные направления поляроидов, т.е. только такие направления колебаний напряженности пропускает каждый из поляризаторов.
|
 |
Вектор
световой волны после первого поляроида будет параллелен , а интенсивность 
составит половину интенсивности естественного света 
:
. (1)
Этот поляроид называют поляризатором, т. к. после него естественный свет стал поляризованным. При вращении поляризатора вокруг направления естественного луча интенсивность прошедшего света остается одной и той же, изменяется лишь ориентация плоскости колебания света, выходящего из прибора. Второй поляроид служит для анализа падающего на него света. После второго поляроида останется лишь вектор 
, параллельный его оси пропускания , 
. Так как интенсивность света 
, то, после второго поляроида интенсивность будет равна:
. (2)
Полученное соотношение между интенсивностями носит название закона Малюса. Интенсивность света будет максимальной в том случае, когда 
(разрешенные направления поляризатора и анализатора параллельны). При 
(говорят, что поляризатор и анализатор скрещены) интенсивность света на выходе из анализатора равна нулю, т.е. скрещенные поляризаторы света не пропускают.
Реально прохождение света через анализатор и поляризатор связано с потерями световой энергии, т.е. световой луч при выходе из них имеет интенсивность меньшую, чем 
. Отношение интенсивности света, реально выходящего из поляризатора (или анализатора) к интенсивности выходящего света при отсутствии потерь, можно назвать коэффициентом пропускания 
. Следовательно, если и в поляризаторе и в анализаторе присутствуют потери, то интенсивность естественного света после прохождения поляризатора и анализатора будет определяться соотношением:
|
|
|
, (3)
где 
и 
- коэффициенты пропускания поляризатора и анализатора, соответственно.
