Badanie odbicia światła od powierzchni dielektryków.

Podstawy teoretyczne:

1.Co to znaczy, że światło jest spolaryzowane i jakie są rodzaje polaryzacji ?

Światło to fala elektromagnetyczna, w której kierunki wektorów natężenia pola elektrycznego

i magnetycznego są prostopadłe względem siebie oraz prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali.

(tzw. fala poprzeczna ). Jeżeli kierunki drgań wektorów natężeń pól zmieniają się w sposób przypadkowy to światło nie jest spolaryzowane. Natomiast polaryzacja światła to uporządkowanie

kierunków drgań wektorów E i H fali świetlnej. Kierunek drgań wektora pola elektrycznego E i magnetycznego H światła spolaryzowanego pozostaje nie zmieniony w przestrzeni lub zmienia się w

sposób ściśle określony.

Znane są następujące rodzaje polaryzacji:

- eliptyczna (będąca najogólniejszym przypadkiem polaryzacji światła )

- liniowa

- kołowa

(będące jej przypadkami szczególnymi)

Przy polaryzacji eliptycznej końce wektorów E i H biegnącej fali elektromagnetycznej zakreślają w ustalonym punkcie przestrzeni elipsę, gdyż podczas obrotu wektory zmieniają także swoją długość( dla kołowej- jest to koło ).

Światło jest spolaryzowana liniowo gdy kierunek natężenia pola elektrycznego i prostopadłego do niego pola magnetycznego jest stały to znaczy nie zmienia się w czasie oraz jest jednakowy dla

wszystkich pkt. na drodze rozchodzenia się fali.

Wyróżnia się dwa rodzaje polaryzacji liniowej :

Π-wektor natężenia pola elektrycznego drga w płaszczyźnie padania, wyznaczonej przez kierunek padania i kierunek prostopadły do granicy ośrodków ( wektor ten skierowany jest pod kątem α do tej płaszczyzny)

σ- wektor E jest prostopadły do płaszczyzny padania ( jest on styczny do powierzchni rozgraniczającej oba ośrodki )

2.Kiedy nie występuje zjawisko odbicia i co to jest kąt Brewstera ?

Kąt Brewstera to kąt padania α_B dla którego współczynnik odbicia polaryzacji Π R_Π osiąga wartość zerową to znaczy, że natężenie światła odbitego jest zerowe. Brak fali odbitej o polaryzacji Π

obserwuje się wtedy gdy suma kąta padania i załamania wynosi 90°

α + β = 90°

Oznacza to, że fala załamana i odbita są względem siebie prostopadłe.

Dla polaryzacji Π wektor natężenia E fali załamanej ma wówczas taki kierunek w jakim powinna pojawić się fala odbita. Jednak indukowane przez pole elektryczne dipole nie mogą wysyłać fali wtórnej w kierunku drgań własnych, więc fala wtórna ( w tym wypadku odbita) nie występuje.

Kąt załamania wynosi odpowiednio β = 90°- α , czyli prawo załamania przyjmuje postać :

n₁sinα_B = n₂cosα_B

tgα_B=n₂/n₁

Wykonanie ćwiczenia:

1.Dokonujemy analizy wzrokowej stanu polaryzacji światła. W tym celu przepuszczamy wiązkę światła przez polaryzator P1 oraz naczynie z koloidalną zawiesiną. Zmieniając kierunek polaryzacji poprzez obracanie polaryzatora wokół osi wiązki obserwujemy smugę światła w naczyniu.

Smuga ta w zależności od obrotu polaryzatora zanika i znowu się pojawia, pozwala nam to wnioskować, że światło jest spolaryzowane liniowo i przechodzi przez polaryzator jedynie gdy jego oś pokrywa się z kierunkiem polaryzacji światła.

Dla sytuacji gdy oś polaryzatora jest prostopadła do kierunku polaryzacji światła, wiązka świetlna nie zostaje przepuszczona (smugi nie obserwuje się)

2.Sprawdzamy prawo Malusa, mierząc o jaki kąt należy obrócić jeden z polaryzatorów, aby natężenie światła przechodzącego przez oba polaryzatory spadło do połowy wartości maksymalnej. Ustawiamy więc polaryzatory tak aby natężenie światła było maksymalne (ich osie polaryzacji są wtedy ustawione równolegle), a następnie obracamy jeden z nich, sprawdzając wartość natężenia na fotodetektorze.

W naszym przypadku kąt ten wynosił θ=(45±3) °, a wartość natężenia światła wynikająca z prawa Malusa I=I_°cos²θ , I=(0,5±0,07)

3.Wykonujemy pomiar natężenia światła odbitego od powierzchni szklanej płytki dla różnych kątów padania. Oświetlamy płytkę światłem o polaryzacji Π i σ.

Tabela przedstawia wyniki pomiarów zależności natężenia fotoprądu od kąta padania α dla kierunków polaryzacji Π i σ.

Kąt padania	Polaryzacja σ	Polaryzacja Π
20	60	47
25	60	57
30	60	50
35	65	43
40	70	50
45	75	50
50	75	44
55	78	50
60	83	58
65	83	50
Kąt padania	Polaryzacja σ	Polaryzacja Π
70	83	44
75	100	38
80	100	60
85	89	50
89	70	0

Legenda :

seria 1-polaryzacja σ

seria 2-polaryzacja Π

Z wykresu zależności fotoprądu od kąta padania α odczytujemy (dla minimum funkcji ) kąt Brewstera α_B, który wynosi (89±1) °. Znając ten kąt obliczyliśmy współczynnik załamania światła dla szkła

tgα_B=n₂/n₁

n₁-współczynnik załamania światła dla powietrza

n₂- współczynnik załamania światła dla szkła

Obliczony współczynnik wynosi n=(57,29±3283).

Niepewność n obliczono korzystając ze wzoru :

=dx, w tym przypadku przyjmuje on postać dn=1/cos²α_Bdα_B

Ze względu na błąd eksperymentatora współczynnik oraz jego niepewność mają nieprawdopodobną wartość.

Wnioski:

Otrzymane wyniki charakteryzują się wysoką niezgodnością z rzeczywistością, wynikającą z nadzwyczajnego błędu obserwatorów.

Patrycja Górska

Sprawozdanie z ćwiczenia C-4

3

---