Изучение закона Малюса
4.1. Цель работы: изучить различие между естественным и поляризованным светом; экспериментально проверить закон Малюса.
4.2. Подготовка к работе: ознакомиться с данным описанием лабораторной работы и изучить § 190 в учебнике [2]. В результате подготовки нужно знать:
а) чем отличается поляризованный свет от естественного;
б) как можно преобразовать естественный свет в линейно-поляризованный;
в) смысл закона Малюса;
г) на основе закона Малюса показать, что при преобразовании естественного света в линейно-поляризованный интенсивность уменьшается в два раза;
д) что представляют собой поляроидные пленки;
е) ветровое стекло и фары автомашин покрыты поляроидными пленками. Как нужно расположить эти поляроиды, чтобы шофер мог видеть дорогу, освещенную светом своих фар, и не страдал от ослепляющего действия фар встречных машин?
4.3. Описание установки
Экспериментальная установка для изучения закона Малюса (рис. 4.1) состоит из источника поляризованного света (полупроводникового лазера Л), поворотного лимба А, на котором закреплена поляроидная пленка, служащая анализатором и фотоприемника Ф.
Вращая поворотный лимб, можно менять
угол
между направлением поляризованного
света и главной плоскостью анализатора.
Свет, прошедший через анализатор,
попадает на фотоприемник Ф, к которому
подключен микроамперметр рА. Сила
фототока i в цепи
фотоприемник – микроамперметр зависит
от интенсивности падающего на фотоэлемент
света
,
т. е.
.
Таким образом, задача изучения закона Малюса сводится к изучению зависимости
.
4.4. Теоретические положения
Свет представляет собой поперечную
электромагнитную волну. Это означает,
что векторы напряженности электрического
поля
и магнитной индукции
взаимно перпендикулярны и колеблются
оба перпендикулярно вектору скорости
распространения волны (перпендикулярно
лучу). Опыт и теория показывают, что
химическое, физиологическое и другие
виды воздействия света на вещество
обусловлены, главным образом, электрическими
колебаниями. Поэтому, и также для
упрощения рисунков, изображающих
световую волну, мы будем иметь в виду
только электрические колебания, а
плоскость, в которой они совершаются,
называть плоскостью поляризации.
Естественный свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов, которые излучают световые волны независимо друг от друга. Поэтому световая волна, излучаемая источником в целом, характеризуется всевозможными равновероятностными колебаниями светового вектора (рис. 4.2, а). Равномерное распределение векторов объясняется большим числом атомарных излучателей, а равенство амплитудных значений векторов – одинаковой (в среднем) интенсивностью излучения каждого из атомов.
Свет,
у которого электрические колебания
совершаются все время в одной и только
одной плоскости, называется
плоскополяризованным (линейно-поляризованным).
Схематически плоскополяризованный
свет изображен на рис. 4.2, б.
Если в результате каких-либо внешних воздействий появляется преимущественное (но не исключительное) направление колебаний вектора (рис. 4.2, в), то имеем дело с частично поляризованным светом.
Естественный свет можно преобразовать в плоскополяризованный применяя так называемые поляризаторы, пропускающие колебания только определенного направления. В качестве поляризаторов могут быть использованы некоторые анизотропные кристаллы (исландский шпат, турмалин, герапатит). Свет поляризуется также при отражении от неметаллических зеркал. В настоящее время имеются источники излучения, испускающие сразу плоскополяризованный свет, – это лазеры.
Для
определения степени поляризации света
служат анализаторы. В качестве анализаторов
используются те же устройства, которые
служат для получения линейно-поляризованного
света (призма Николя, поляроиды и т. д.).
Если на анализатор падает
линейно-поляризованный свет интенсивностью
,
полученный с помощью поляризатора (или
от лазера), то интенсивность
света, прошедшего через анализатор,
пропорциональна
и зависит от угла
между главными плоскостями анализатора
(а–а) и поляризатора (р–р) (рис.
4.3). Найдем зависимость интенсивности
от
и
.
Пусть
– амплитуда электрического вектора
линейно-поляризованного света. В
анализаторе этот свет разложится на
две волны, одна из которых поляризована
в главной плоскости анализатора
,
а другая
– в перпендикулярной этой плоскости.
Амплитуды электрических векторов этих
волн (рис. 4.3) равны:
и
.
Первая волна полностью поглотится в
анализаторе, а вторая пройдет через
него. Если анализатор абсолютно прозрачен
для второй волны, то амплитуда
электрического вектора
для света, прошедшего через анализатор,
равна
.
Так как интенсивность света пропорциональная квадрату амплитуды, то
.
(4.1)
Формула (4.1) носит название закона
Малюса. Из этого закона видно, что
интенсивность
поляризованного света максимальна,
если плоскость колебаний вектора
и главное направление анализатора
параллельны (
)
и минимальна, когда они перпендикулярны
(
).
Следовательно, используя поляризатор и анализатор, можно регулировать интенсивность света, прошедшего через эту оптическую систему. Это широко используется в науке и технике. Например, при фотосъемке для подавления мешающих отражений; для разделения стереопары в фотографии и стереокино; для исследования механических напряжений в стеклах, минералах и горных породах. Поляризатор в паре с анализатором сегодня применяются в ЖК индикаторах, мониторах и телевизорах. В перспективе – применение их в автомобильном деле для устранения ослепляющего действия фар встречных автомашин.