Изучение поляризованного света, страница 143, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 10. Электромагнитная природа света. Параграф 96. Исследовательские работы. Практические работы-исследование - страница 143.

Условие.

Практическая работа

Изучение поляризованного света

В природе поляризация может возникать при отражении от поверхностей или при прохождении через некоторые кристаллы (например, кристаллы исландского шпата или турмалина).

В этом опыте мы используем два кристалла турмалина, один поляризует пучок света от лазера, а второй, в зависимости от взаимной ориентации первого и второго кристаллов, меняет интенсивность света. Для того чтобы провести измерения и построить необходимые графики, мы используем фотометрический датчик и присоединённый к нему цифровой микроамперметр.

Цель работы

Получить поляризованный свет и исследовать особенности поляризованного излучения.

ПОМОЩНИК

• В качестве оборудования потребуются: полупроводниковый лазер (лазерная указка), фотометрический датчик, мультиметр, два поляризатора.

• Закрепите на оптической скамье лазер, один из поляроидов и фотометрический датчик, соединённый с мультиметром. Включите лазер, проверьте попадание лазерного пучка в центр фотодатчика.

• Включите мультиметр в режиме измерения силы тока и установите предел измерения силы фототока на 2000 $\mu$A диапазона ДСА.

• Вращая поляризатор, найдите такое его положение, которое соответствует максимальному прохождению света через поляризатор. Это положение должно соответствовать максимальному значению силы тока на экране мультиметра. Найденный максимум определяет положение оптической оси кристалла.

• Между лазером и поляризатором установите на оптическую скамью ещё один поляризатор. Вращая второй поляризатор, добейтесь максимального фототока. В этом случае оптические оси кристаллов параллельны.

• Понаблюдайте, как изменяется фототок $\text{I}$, измеряемый мультиметром, при изменении интенсивности света, падающего на фотодатчик. Для этого, вращая первый поляризатор, снимите зависимость $I(\alpha)$ при изменении угла $\alpha$ от $0^{\circ}$ до $360^{\circ}$ с шагом $30^{\circ}$. Результаты измерений занесите в таблицу в своей тетради.

• По данным таблицы постройте график зависимости $I(\alpha)$.

• Сделайте выводы.

Решение.

В данной практической работе исследуется явление поляризации света с помощью двух поляризаторов и лазерного источника света. Первый поляризатор создает линейно поляризованный свет. Второй поляризатор, называемый анализатором, используется для исследования этого света. Интенсивность света, прошедшего через анализатор, зависит от угла $\alpha$ между оптическими осями поляризатора и анализатора. Эта зависимость описывается законом Малюса.

Сила фототока $\text{I}$, измеряемая мультиметром, прямо пропорциональна интенсивности света, падающего на фотодатчик. Согласно закону Малюса, интенсивность света $\text{J}$, прошедшего через анализатор, равна $J = J_0 \cos^2(\alpha)$, где $J_0$ - интенсивность поляризованного света, падающего на анализатор. Следовательно, измеряемый фототок будет изменяться по тому же закону:

$I(\alpha) = I_{max} \cos^2(\alpha)$

где $I_{max}$ — максимальное значение фототока, которое наблюдается при параллельных осях поляризатора и анализатора ($\alpha = 0^\circ$).

Для выполнения задания необходимо сначала получить экспериментальные данные, занести их в таблицу, а затем на их основе построить график и сделать выводы. Ниже представлено теоретическое решение этих задач.

По данным таблицы постройте график зависимости I(α).

Для построения графика необходимо заполнить таблицу зависимости силы фототока $\text{I}$ от угла $\alpha$ между осями поляризаторов. Предположим, что в ходе эксперимента при параллельных осях поляроидов ($\alpha = 0^\circ$) было зафиксировано максимальное значение фототока $I_{max} = 150 \mu A$. Тогда, используя закон Малюса $I(\alpha) = I_{max} \cos^2(\alpha)$, можно рассчитать теоретические значения фототока для таблицы.

Примерные данные для таблицы: при $\alpha=0^\circ$, $I = 150 \mu A$; при $\alpha=30^\circ$, $I = 150 \cdot \cos^2(30^\circ) = 150 \cdot 0.75 = 112.5 \mu A$; при $\alpha=60^\circ$, $I = 150 \cdot \cos^2(60^\circ) = 150 \cdot 0.25 = 37.5 \mu A$; при $\alpha=90^\circ$, $I = 150 \cdot \cos^2(90^\circ) = 150 \cdot 0 = 0 \mu A$; при $\alpha=120^\circ$, $I = 150 \cdot \cos^2(120^\circ) = 150 \cdot 0.25 = 37.5 \mu A$; при $\alpha=150^\circ$, $I = 150 \cdot \cos^2(150^\circ) = 150 \cdot 0.75 = 112.5 \mu A$; при $\alpha=180^\circ$, $I = 150 \cdot \cos^2(180^\circ) = 150 \cdot 1 = 150 \mu A$.

Далее значения будут повторяться с периодом $180^\circ$, так как функция $\cos^2(\alpha)$ периодична. Например, при $\alpha = 210^\circ$ значение тока будет таким же, как при $30^\circ$ ($112.5 \mu A$), а при $\alpha=270^\circ$ таким же, как при $90^\circ$ ($0 \mu A$).

На основе этих данных строится график. По горизонтальной оси откладывается угол $\alpha$ в градусах (от $0^\circ$ до $360^\circ$), а по вертикальной — сила фототока $\text{I}$ в микроамперах (от $\text{0}$ до $150 \mu A$). График представляет собой кривую, которая начинается от максимального значения $I_{max}$ при $\alpha=0^\circ$, спадает до нуля при $\alpha=90^\circ$, снова возрастает до максимума при $\alpha=180^\circ$, опять спадает до нуля при $\alpha=270^\circ$ и возвращается к максимуму при $\alpha=360^\circ$. Кривая является графиком функции $\cos^2(\alpha)$, масштабированным по вертикали.

Ответ: График зависимости силы фототока от угла между осями поляризаторов $I(\alpha)$ представляет собой кривую, описываемую функцией $I = I_{max}\cos^2(\alpha)$, которая имеет максимумы при $\alpha = 180^\circ \cdot n$ и минимумы (нули) при $\alpha = 90^\circ + 180^\circ \cdot n$, где $\text{n}$ — целое число.

Сделайте выводы.

На основе проведенного эксперимента и анализа полученных данных можно сделать следующие выводы.

1. Эксперимент подтверждает, что свет является поперечной электромагнитной волной. Явление поляризации (зависимость интенсивности прошедшего света от взаимной ориентации поляризаторов) возможно только для поперечных волн, так как у них есть выделенное направление колебаний вектора напряженности электрического поля в плоскости, перпендикулярной направлению распространения.

2. Проверена справедливость закона Малюса, который количественно описывает интенсивность линейно поляризованного света после прохождения через анализатор. Экспериментальные точки на графике $I(\alpha)$ должны хорошо ложиться на теоретическую кривую $I = I_{max} \cos^2(\alpha)$.

3. Установлено, что интенсивность света, прошедшего через систему из двух поляризаторов, максимальна, когда их плоскости поляризации параллельны ($\alpha = 0^\circ, 180^\circ$), и минимальна (практически равна нулю), когда их плоскости поляризации перпендикулярны ($\alpha = 90^\circ, 270^\circ$). Это свойство используется в различных оптических устройствах, например, в жидкокристаллических дисплеях (LCD), фотокамерах для устранения бликов.

Ответ: В ходе работы было изучено явление поляризации света, экспериментально подтвержден закон Малюса и продемонстрирована поперечная природа световых волн.