Номер №3, страница 236 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

Лабораторная работа №3

Наблюдение явления поляризация света

Теоретический материал. Опыт показывает, что интенсивность светового пучка, проходящего через некоторые прозрачные кристаллы, например кристаллы исландского шпата, зависит от взаимной ориентации двух кристаллов. При одинаковой ориентации кристаллов свет проходит через второй кристалл без ослабления. Если же второй кристалл повернут на угол $90^\circ$ от первоначального, то свет через него не проходит.

Это явление получает объяснение, если принять, что свет представляет собой поперечные волны. При прохождении через первый кристалл происходит поляризация света, т. е. кристалл пропускает только такие волны, в которых колебание вектора $\vec{E}$ напряженности электрического поля совершается в одной плоскости. Эту плоскость называют плоскостью поляризации. Если плоскость, в которой пропускаются колебания вторым кристаллом, совпадает с плоскостью поляризации, поляризованный свет проходит через второй кристалл без ослабления. При повороте второго кристалла на угол $90^\circ$ поляризованный свет не проходит через кристалл.

Явление поляризации света доказывает волновую природу свету и поперечность световых волн.

Цель работы: экспериментально исследовать явление поляризации света.

Рис. 3

Приборы и материалы: поляроид в оправе, стеклянная пластинка размером $60 \text{ мм} \times 90 \text{ мм}$, окрашенная с одной стороны в черный цвет, автомобильная лампа с прямой нитью накала, адаптер.

Указания к работе

1. Глядя на зажженную лампу через поляроид (анализатор), медленно поворачивайте его вокруг оси, совпадающей с лучом зрения. Постоянство яркости горения лампы дает основание для заключения: свет от лампы не поляризован.

2. Положите стеклянную пластинку окрашенной стороной вниз на поверхность стола и, рассматривая в ней изображение лампы, исследуйте отраженный от пластинки свет (рис. 3). Медленно вращая анализатор вокруг отраженного луча, как вокруг оси, наблюдайте за попеременным увелечением и уменьшением яркости изображения лампы. За один полный оборот анализатора яркость изображения лампы дважды бывает наибольшей и наименьшей. При этом максимумы и минимумы света чередуется через каждые $90^\circ$. Это значит, что свет, отраженный пластинкой, поляризован.

3. В данном опыте устанавливается совпадение плоскости поляризации (она отмечена рисками на оправе поляроида) с плоскостью поляризации пучка света, отраженного от стеклянной пластинки.

Исследование света от лампы накаливания

В первом пункте работы исследуется свет, излучаемый автомобильной лампой накаливания. Такая лампа является тепловым источником света. В нити накала атомы излучают световые волны независимо друг от друга. Каждая волна поляризована, но из-за огромного числа атомов и хаотичности их излучения, направления колебаний вектора напряженности электрического поля $\vec{E}$ в результирующей световой волне равновероятно распределены во всех плоскостях, перпендикулярных направлению распространения света. Такой свет называется естественным или неполяризованным.

Поляроид пропускает только ту составляющую вектора $\vec{E}$, которая параллельна его оптической оси (оси пропускания). При пропускании через поляроид неполяризованного света, интенсивность прошедшего света $\text{I}$ будет равна половине интенсивности падающего света $I_0$, то есть $I = I_0/2$. Важно, что этот результат не зависит от угла поворота поляроида, так как из-за хаотичного распределения векторов $\vec{E}$ средняя проекция их на ось поляроида всегда одинакова. Постоянство яркости лампы при вращении поляроида, наблюдаемое в эксперименте, является доказательством того, что свет от лампы не поляризован.

Ответ: Свет от лампы является неполяризованным, так как он создается множеством независимых атомных излучателей, в результате чего колебания вектора напряженности электрического поля происходят хаотично во всех направлениях, перпендикулярных лучу света. При вращении поляроида интенсивность проходящего света не меняется, что и наблюдается в опыте.

Исследование света, отраженного от стеклянной пластинки

При отражении естественного света от диэлектрической поверхности, например, стекла, отраженный пучок света становится частично или полностью поляризованным. Степень поляризации зависит от угла падения. Существует угол падения, называемый углом Брюстера ($\theta_B$), при котором отраженный свет является полностью линейно поляризованным. При этом его вектор напряженности электрического поля $\vec{E}$ колеблется в плоскости, перпендикулярной плоскости падения (плоскости, в которой лежат падающий и отраженный лучи). То есть, вектор $\vec{E}$ колеблется параллельно отражающей поверхности.

В данном эксперименте свет от лампы падает на стеклянную пластинку под таким углом, что отраженный свет оказывается сильно поляризованным. Поляроид, через который наблюдается отраженный свет, выполняет роль анализатора. Интенсивность света $\text{I}$, прошедшего через анализатор, подчиняется закону Малюса: $I = I_{max} \cos^2(\phi)$, где $I_{max}$ — интенсивность поляризованного света, падающего на анализатор, а $\phi$ — угол между плоскостью поляризации света и осью пропускания анализатора. При вращении анализатора угол $\phi$ изменяется от $0^\circ$ до $360^\circ$.

За один полный оборот анализатора наблюдаются два положения максимальной яркости (при $\phi = 0^\circ$ и $\phi = 180^\circ$, когда оси параллельны) и два положения минимальной яркости (при $\phi = 90^\circ$ и $\phi = 270^\circ$, когда оси перпендикулярны). Чередование максимумов и минимумов через каждые $90^\circ$ подтверждает, что свет, отраженный от пластинки, является поляризованным.

Ответ: Свет, отраженный от стеклянной пластинки, является поляризованным. Это подтверждается изменением яркости изображения лампы при его наблюдении через вращающийся поляроид (анализатор), что описывается законом Малюса. За один оборот анализатора наблюдаются два максимума и два минимума яркости.

Расчет показателя преломления стеклянной пластинки

Так как в эксперименте наблюдается сильная поляризация отраженного света, можно предположить, что угол падения света на стеклянную пластинку равен углу Брюстера.

Дано:

Угол скольжения (угол между падающим лучом и поверхностью) $\gamma = 33^\circ$. Показатель преломления воздуха $n_1 \approx 1$.

Найти:

Показатель преломления стекла $n_2$.

Решение:

Угол падения $\theta_i$ — это угол между падающим лучом и нормалью к поверхности. Он связан с углом скольжения $\gamma$ соотношением: $\theta_i = 90^\circ - \gamma$ $\theta_i = 90^\circ - 33^\circ = 57^\circ$

Принимаем, что этот угол является углом Брюстера: $\theta_B = \theta_i = 57^\circ$. Закон Брюстера связывает угол Брюстера с показателями преломления двух сред: $\tan(\theta_B) = \frac{n_2}{n_1}$

Поскольку свет падает из воздуха ($n_1 \approx 1$) на стекло ($n_2 = n$), формула упрощается: $n = \tan(\theta_B)$ $n = \tan(57^\circ) \approx 1.53986$ Округляя до сотых, получаем $n \approx 1.54$.

Ответ: Показатель преломления стекла составляет примерно $n \approx 1.54$.

Выводы по результатам эксперимента

Эксперимент наглядно демонстрирует явление поляризации света при отражении от диэлектрика. Основные выводы работы:

1. Свет от тепловых источников (лампа накаливания) является неполяризованным.

2. При отражении от диэлектрической поверхности (стеклянной пластинки) естественный свет поляризуется. Максимальная поляризация достигается при падении света под углом Брюстера.

3. Поляризация отраженного света доказывает поперечность световых волн, так как продольные волны не могут быть поляризованы.

4. В соответствии с пунктом 3 указаний к работе, в ходе опыта устанавливается ориентация плоскости поляризации. При падении под углом Брюстера свет поляризуется в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. Это означает, что вектор $\vec{E}$ колеблется параллельно отражающей поверхности. Поворачивая анализатор до достижения максимальной яркости, мы совмещаем его ось пропускания (отмеченную рисками на оправе) с направлением колебаний вектора $\vec{E}$, тем самым экспериментально определяя плоскость поляризации отраженного пучка света.

Ответ: Эксперимент подтверждает, что свет является поперечной волной, и демонстрирует явление поляризации света при отражении. Он позволяет определить, что при отражении под углом Брюстера свет поляризуется в плоскости, параллельной отражающей поверхности, а также вычислить показатель преломления вещества по известному углу Брюстера.