Лабораторный практикум по физике оптика

и изображение поверхности исследуемого источника. Красный светофильтр, помещенный между окуляром и глазом наблюдателя, пропускает почти монохроматическую часть спектра, испускаемого источником и нитью лампы пирометра (λ

=6600Ao ). Накал нити лампы, питаемой источником тока Б ,

регулируется реостатом R, ток отсчитывается по амперметру A, шкала которого проградуирована в градусах температуры абсолютно черного тела. Внешний вид прибора представлен на рис. 5.

Рис. 5.

При измерении температуры ток нити накала лампы пирометра надо регулировать до тех пор, пока верхняя часть нити не исчезнет на фоне изображения. При этой силе тока яркость

излучения нити и источника для λ=6600Ao совпадает.

Следовательно, для данной длины волны совпадают и их лучеиспускательные способности. Таким образом, по показаниям амперметра мы получаем возможность судить, какой температуре

черного тела Tλ соответствует излучение наблюдаемого источника. Если бы источник был также черным телом, то

100

найденная температура Tλ была бы истинной температурой его. В действительности найденная температура характеризует температуру Tλ черного тела, имеющего для λ=6600Ao ту же яркость, что и излучающее тело при условиях наблюдения. Поэтому Tλ носит название яркостной температуры источника,

которая в случае нечерного тела отличается от истинной. Для определения истинной температуры надо знать отношение

яркости исследуемого тела для длины волны λ=6600Ao и яркости

абсолютно черного тела для той же длины волны. Это отношение всегда меньше единицы и зависит от температуры, длины волны, вещества и состояния поверхности излучающего тела и называется поглощательной способностью или коэффициентом поглощения.

где Tλ - яркостная температура тела, k – константа Больцмана, c

– скорость света, h – постоянная Планка, Aλ T – поглощательная способность данного вещества (см. таблицу 1).

Порядок выполнения работы

1.Проверить электрическую схему пирометра по рис.4.

2.Проверить повернуто ли кольцо R (рис. 5) реостата лампы пирометра в крайнее левое положение (до упора).

101

3.Направить оптическую систему пирометра на излучающую поверхность и, передвигая тубус окуляра Oк рис. 5, добиться четкого изображения нити лампы пирометра в центре излучающего поля.

4.Поворотом кольца по часовой стрелке включить ток в схему пирометра.

5.Установить ручку автотрансформатора Tp (рис.3) на

минимальное напряжение (против часовой стрелки до упора) и включить питание кинопроекционной лампы.

6.Установить в цепи источника ток, указанный преподавателем (в пределах от 0,5 до 0,9 А).

7.Изменяя яркость нити пирометра, добиться исчезновения ее вершины на фоне изображения раскаленного источника (нити накала кинопроекционной лампы).

8.Отсчитать и записать измеренную пирометром температуру. Одновременно измерить и записать силу тока и напряжение на кинопроекционной лампе.

9.Увеличивая яркость излучения поворотом ручки автотрансформатора по часовой стрелке, повторить измерения, указанные в пункте 7, еще для двух различных температур.

10.По окончании измерений выключить ток в электрической

цепи пирометра, повернуть кольцо R против часовой стрелки до упора.

11.Пользуясь формулой (11), вычислить постоянную Стефана-Больцмана для каждого значения температуры. В формулу (11) подставляются значения истинной

температуры T , найденной из соотношения (12). Результаты наблюдений и вычислений заносятся в таблицу 2.

Таблица 2

1

2

3

Контрольные вопросы

102

1.Какие меры предосторожности необходимо соблюдать при работе с электрооборудованием?

2.Что такое тепловое излучение?

3.Что такое равновесное излучение?

4.Каковы основные характеристики излучения?

5.Перечислите основные законы теплового излучения.

6.Начертите принципиальную схему пирометра. Как определяется температура раскаленного тела?

7.Что такое яркостная температура и как она связана с истинной температурой?

8.Получите расчетную формулу для постоянной СтефанаБольцмана σ .

103

Лабораторная работа №15

ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА

Цель работы

Изучить явление поляризации света, явление двойного лучепреломления в анизотропной среде, проверить экспериментально закон Малюса, измерить процентное содержание сахара в водном растворе при помощи сахариметра СУ-4.

Основы теории

При изучении явлений дифракции и интерференции вопрос о том, являются ли колебания продольными или поперечными, имел второстепенное значение. Из электромагнитной теории света вытекает, что световые волны поперечны. Ограничимся рассмотрением плоских волн, то есть волн, фронт которых – плоский.

Естественным светом, по определению, называется свет, который не имеет какой-либо преобладающей формы поляризации и рассматривается как совокупность линейнополяризованных волн с одинаковыми амплитудами и всевозможными азимутами, причем все эти волны некогерентны по фазе.

В частично поляризованном свете можно выделить ту или иную преобладающую форму поляризации и рассматривать его как смесь естественного света и света, поляризованного в этой форме. Такой свет характеризуется степенью поляризации V :

частично поляризованного света, Imin - амплитуда естественного света. Очевидно, что для естественного света V = 0, а для полностью поляризованного V = 1, т.к. Imin = 0.

Поляриметры. Закон Малюса.

Для получения поляризованного света применяют специальные приборы, которые называются поляризаторами. Эти же приборы могут использоваться для обнаружения

104

поляризованного света. В этом случае они называются анализаторами. При прохождении естественного света через поляризатор свет становится линейно-поляризованным и с интенсивностью в два раза меньшей, чем у света на входе в

прибор, т.е. Ia = I0 /2. Исторически сложилось, что плоскостью

поляризации линейно-поляризованного света называют плоскость, в которой совершает колебание вектор напряженности

магнитного поля H . Плоскостью поляризатора называют

плоскость, в которой совершает колебания вектор E после прохождения светом поляризатора.

Рис. 1.

Для обнаружения линейно-поляризованного света анализатор располагают так, чтобы плоскость анализатора была параллельна плоскости поляризации света. В этом случае, если свет полностью поляризован, интенсивность проходящего света будет равна нулю. Если повернуть анализатор на угол π /2, то интенсивность прошедшего света увеличится до своего максимального значения

Ia = I0 /2, т.е. интенсивность не изменится по сравнению с

интенсивностью света, прошедшего поляризатор.

Рассмотрим случай произвольного угла между плоскостями поляризатора и анализатора более подробно (рис.1). Обозначим

105

амплитуду электрического вектора, прошедшего поляризатор через Ea . Плоскость поляризатора составляет угол ϕ с

плоскостью анализатора. Разложим вектор Ea на две составляющие: параллельную плоскости анализатора E// и

перпендикулярную ей E . Согласно выше сказанному E не

пройдет через анализатор. Следовательно, амплитуда прошедшей световой волны будет равна E// = Ea cosϕ . Так как

интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды электромагнитной волны, то интенсивность света, прошедшего через анализатор равна

Полученное уравнение представляет собой математическое выражение закона Малюса: интенсивность луча, прошедшего

через анализатор пропорциональна cos2ϕ .

Рассмотрим теперь подробно устройство поляризаторов и познакомимся с материалами, из которых изготавливают эти приборы.

Свойством поляризовать свет обладает турмалин, называемый дымчатым стеклом. Для получения поляризатора из кристалла турмалина вырезается пластинка, плоскость которой параллельна одному из определенных направлений кристаллической решетки, называемому оптической осью.

Таким же свойством обладают т.н. поляроиды, которые более удобны в обращении. Они представляют собой искусственно приготовленные коллоидные пленки. Наиболее распространенным материалом для поляроидов является герапатит, представляющий собой соединение йода с хинином. Этот материал вводят в целлулоидную или желатиновую пленку. В ней ультрамикроскопические кристаллики герапатита какимлибо способом (обычно механически, например, протаскиванием вязкой массы через узкую щель) ориентируются своими осями в одном направлении. Полученная масса, подобно турмалину, действует как один кристалл и поглощает световые колебания, электрический вектор которых перпендикулярен к оптической оси.

106

Получить поляризованный свет можно с помощью зеркала,

поляризации. Плоскость поляризации отраженного луча совпадает с плоскостью падения.

Рис. 2.

В общем случае отраженный свет не будет линейно поляризованным. Поэтому для увеличения степени поляризации, (см. формулу (1)), раньше использовались специальные стопы

107

Столетова или эшелон Майкельсона. В настоящее время данный метод получения поляризации света не используется на практике.

Следующий способ получения поляризованных лучей основан на явлении двойного лучепреломления в анизотропных средах. Анизотропные вещества имеют в разных направлениях различные свойства. Примером такой среды является исландский шпат, представляющий собой разновидность углекислого кальция CaCO3 и встречающийся как минерал в виде кристаллов гексагональной системы. Такой кристалл имеет форму косоугольного параллелепипеда, все грани которого -

параллелограммы с тупыми углами в 101°52′ и острыми - 78°08′. Кристаллу исландского шпата легко придать форму ромбоэдра – многоугольника, ограниченного шестью ромбами с указанными острыми и тупыми естественными углами (рис. 3). Из восьми

углов есть два O1 и O2 , каждый из которых образован тремя

тупыми углами. Прямая, проходящая через их вершины, называется оптической осью кристалла. Сечение, заключающее в себе оптическую ось, называется главным сечением кристалла. Луч, идущий в направлении оптической оси, не испытывает двойного преломления. Естественный луч, входя в кристалл, преломляется в точке B (рис.3,4).

108

Рис. 4

При этом он разделяется на два луча BД и BC . В точках C и Д эти лучи, преломляясь, выходят из кристалла и идут по направлению, параллельному AB. Лучи ВДЕ и BCF оказываются линейно-поляризованными во взаимноперпендикулярных плоскостях. Луч ВДЕ поляризован в

плоскости, перпендикулярной к плоскости главного сечения кристалла, а плоскость поляризации луча BCF совпадает с плоскостью главного сечения кристалла. Луч BC называется обыкновенным (o), т.к. показатель преломления обыкновенного луча постоянен для всех направлений в кристалле и равен 1,659.

Для необыкновенного луча (e), луча BД , показатель

преломления зависит от направления и изменяется от 1,659 (в направлении оптической оси), до 1,486 (в направлении, перпендикулярном оптической оси). При нормальном падении света на кристалл обыкновенный луч, согласно законам преломления, не преломляется, а необыкновенный отклоняется от перпендикуляра.

Из кристаллов исландского шпата и подобных ему одноосных двоякопреломляющих кристаллов изготавливают поляризационные призмы.

Примером поляризационной призмы может служить призма Николя. Она вырезается из кристалла исландского шпата с

109

Рис. 5