Loading pages...
ПОЛЯРИЗАЦІЯ СВІТЛА.
ЗАКОН МАЛЮСА
Мета роботи:
Метод та дослідницька установка
впорядкований, називають поляризованим. Якщо коливання вектора відбуваються тільки в одній площині, то таке світло називають лінійно або плоскополяризованим. Площину, в якій коливається вектор , називають площиною коливання вектора або площиною поляризації. Зазвичай цю площину вибирають так, щоб вона проходила через напрям коливання та напрям падаючого пучка променя. Зауважимо, що раніше площиною поляризації називали площину, в якій міститься магнітний вектор 
. Ця подвійна термінологія – площина коливання (для ) і площина поляризації (для 
) – склалась історично і, незважаючи на незручність, її й досі іноді використовують. Опис явища поляризації буде простішим і зручнішим, якщо обмежитись тільки одним напрямом, а саме напрямом коливання електричного вектора, а площину коливання вектора вважати також площиною поляризації цього вектора.
Крім плоскополяризованого може бути еліптично поляризоване або поляризоване по колу світло. У цьому випадку вектор з частотою 
, що дорівнює частоті світла, обертається в площині, перпендикулярній до напряму поширення променя (кінець вектора описує еліпс або коло).
Для отримання плоскополяризованого світла з природного застосовують пристрій – поляризатор. Діелектрична пластинка, стопа Столєтова, кристал турмаліну, поляроїд, призма Ніколя можуть бути поляризаторами. Пристрій, який дозволяє відрізнити природне світло від поляризованого і визначити в ньому напрям коливань вектора , називають аналізатором (аналізатор – це поляризатор, що використовують для аналізу світла).
Обладнання для спостереження поляризації світла зображено на рис. 1. Світловий промінь падає спочатку на поляризатор, який пропускає світлові хвилі з коливаннями вектора тільки в одній площині – площині поляризації поляризатора Р. Далі вже поляризований промінь потрапляє на аналізатор А. Аналізатор, як правило, обладнаний шкалою для вимірювання кута повороту його площини поляризації навколо осі, яка збігається з напрямом поширення світлового променя. Після аналізатора світло потрапляє на екран, де спостерігається зміна інтенсивності освітлення при обертанні площини поляризації аналізатора.
з частотою , що дорівнює частоті світла, обертається в площині, перпендикулярній до напряму поширення променя (кінець вектора описує еліпс або коло)., називають аналізатором (аналізатор – це поляризатор, що використовують для аналізу світла). тільки в одній площині – площині поляризації поляризатора Р. Далі вже поляризований промінь потрапляє на аналізатор А. Аналізатор, як правило, обладнаний шкалою для вимірювання кута повороту його площини поляризації навколо осі, яка збігається з напрямом поширення світлового променя. Після аналізатора світло потрапляє на екран, де спостерігається зміна інтенсивності освітлення при обертанні площини поляризації аналізатора. 
Залежність інтенсивності I світлового променя після виходу з аналізатора від кута j між площинами поляризації поляризатора та аналізатора описує закон Малюса
де І – інтенсивність світла після проходження аналізатора; 
– інтенсивність світла після виходу з поляризатора; k – коефіцієнт, що враховує поглинання та відбивання світла; він є сталим для цього аналізатора; 
– кут між площинами поляризації світла, або, що те саме, площинами коливань векторів.
Перетворення світлового променя зображено на рис. 2. Зліва на рисунку схематично зображено звичайний неполяризований світловий промінь, у якому коливання вектора відбуваються у всіх площинах. Поляризатор пропускає промені, коливання в яких відбуваються в площині Р. Умовно такий промінь можна розкласти на дві проекції (a, b). Одна з них a паралельна до площини поляризації аналізатора А, тільки цю складову й пропустить аналізатор. Для складової променя b аналізатор буде непрозорим. Таким чином, чим більший кут j, тим менша частина поляризованого променя пройде крізь аналізатор. Якщо 
, аналізатор буде повністю непрозорим для поляризованих променів, і це є експериментальним підтвердженням закону Малюса.
– інтенсивність світла після виходу з поляризатора; k – коефіцієнт, що враховує поглинання та відбивання світла; він є сталим для цього аналізатора; – кут між площинами поляризації світла, або, що те саме, площинами коливань векторів. відбуваються у всіх площинах. Поляризатор пропускає промені, коливання в яких відбуваються в площині Р. Умовно такий промінь можна розкласти на дві проекції (a, b). Одна з них a паралельна до площини поляризації аналізатора А, тільки цю складову й пропустить аналізатор. Для складової променя b аналізатор буде непрозорим. Таким чином, чим більший кут j, тим менша частина поляризованого променя пройде крізь аналізатор. Якщо , аналізатор буде повністю непрозорим для поляризованих променів, і це є експериментальним підтвердженням закону Малюса.
, за якого відбите світло стає повністю лінійно поляризованим з коливаннями вектора , перпендикулярними до площини падіння. Разом з тим заломлене світло поляризоване лише частково, але переважно з коливаннями вектора в площині падіння (рис.3). Кут називають кутом Брюстера, а саме явище – законом Брюстера. 
(2)
– відносний показник заломлення другого середовища відносно першого середовища. У разі падіння променя під кутом Брюстера відбитий і заломлений промені утворюють прямий кут: 
. Відбивання під кутом Брюстера являє собою найпростіший випадок отримання поляризованого світла.
Ступінь поляризації заломленого світла можна підвищити послідовними заломленнями і відбиваннями за допомогою системи однакових та паралельних одна до одної пластинок з прозорого діелектрика (наприклад, скла), розміщених під кутом Брюстера до падаючого світла.
Таку систему пластинок називають стопою Столєтова; світло, що вийшло з першої пластинки, потрапляє під кутом Брюстера на другу, з другої – на третю і т. д. Якщо кількість пластин досить велика, то світло, що пройшло крізь стопу, стає повністю лінійно поляризованим. Якщо нехтувати поглинанням світла в стопі, то інтенсивності відбитого світла та світла, що пройшло крізь стопу, будуть приблизно однаковими і дорівнюватимуть половині інтенсивності падаючого природного світла.
Оскільки інтенсивність світла пропорційна амплітуді в квадраті, то з формул Френеля (1.18) і (1.20) випливає
У природному світлі всі напрями коливань електричного вектора рівноймовірні, тому енергія падаючої хвилі порівну поділяється між паралельною і перпендикулярною складовими, тобто 
, 
. Отже, остаточно дістаємо
де I – інтенсивність падаючого природного світла;
, . Отже, остаточно дістаємо 
– інтенсивність відбитого світла, коливання вектора якого відбувається в площині падіння;
– інтенсивність відбитого світла, коливання вектора якого перпендикулярні до площини падіння; 
та 
– відповідно кут падіння та заломлення. Із першої формули бачимо, що якщо 
(тобто якщо 
), інтенсивність відбитого світла, коливання вектора якого відбувається в площині падіння, дорівнює нулю, отже, у відбитому світлі коливання вектора відбуваються лише в площині, перпендикулярній до площини падіння (рис. 3). Порядок виконання роботи та опрацювання результатів вимірювань
. Тому для раціонального використання шкали аналізатора потрібно встановити на ній , а потім, обертаючи поляризатор, зафіксувати таке його положення, коли освітлення екрана зникне. Надалі у процесі роботи обертати тільки аналізатор.
. Обертаючи шкалу аналізатора, записувати покази мікроамперметра через кожні 100 до 3600 (усього 37 вимірювань). Причому перший та останній результати мають бути ідентичними, оскільки площина поляризації, якщо 
, повертається в початкове положення. Результати записати до табл. 1.
у полярних координатах. Проаналізувати отриманий графік.
2. Перевірка закону Малюса
2.1. Записати до табл. 1 значення тригонометричних функцій 
та 
для кутів 0 – 900 (десять значень).
2.2. Побудувати графік залежності 
.
2.3. Порівняти отриманий графік з теоретичною залежністю, яка випливає із закону Малюса.
Таблиця. 1
та для кутів 0 – 900 (десять значень).. у звичайному та незвичайному променях. На основі цих спостережень зробити висновки про взаємне положення площин поляризації звичайного та незвичайного променів.
4. Спостереження інтерференції поляризованих променів
4.1. Установити зразок одновісної кристалічної пластинки між поляризатором і аналізатором.
4.2. Обертаючи площину аналізатора, спостерігати зміну кольорів на екрані. Пояснити це явище.
5. Спостереження явища поляризації світла під час відбивання й заломлення на межі поділу однорідних ізотропних оптичних середовищ. Вивчення закону Брюстера.
5.1. На оптичній лаві встановити: джерело світла, поляроїд, стопу пластин, фоторезистор. Виставити стопу під кутом Брюстера, який складає для скла 560. Обертаючи поляроїд навколо власної осі, домогтися мінімальної освітленості фоторезистора, який реєструє інтенсивність відбитого променя. Виконати такі самі дії для заломленого променя, який пройшов крізь стопу. Визначити орієнтацію площини поляризації падаючого променя для цих двох випадків і порівняти їх між собою.
5.2. Замінити стопу чорним дзеркалом, яке орієнтовано під кутом Брюстера. Спостерігати залежність інтенсивності відбитого світла від кута поляризатора. Переконатись, що різниця кутів поляризатора у разі максимальної і мінімальної інтенсивностей становить 900.