LABORATORIUM FIZYKI I			Ćwiczenie nr 28
Wydział Mechatronika	Grupa 22	Zespół 9	Data 4 - I - 1999
Nazwisko i imię: Andrzej Skalski			Przygotowanie
Temat ćwiczenia: Badanie zjawiska skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła			Zaliczenie

Podstawy teoretyczne

Światło w zjawisku interferencji, dyfrakcji oraz polaryzacji zachowuje się jak fala elektromagnetyczna, a więc rozchodzi się w przestrzeni w ciąg zmiennych pól elektrycznych i magnetycznych wzajemnie się wytwarzających. Światło może być spolaryzowane liniowo, kołowo lub eliptycznie. Polaryzacja liniowa jest wówczas, gdy drgający wektor pola elektrycznego oraz wektor falowy wyznaczają nie zmieniającą się w przestrzeni płaszczyznę. Gdy koniec wektora natężenia pola elektrycznego fali opisuje linia śrubowa, kołowa bądź eliptyczna to mówimy wówczas o polaryzacji liniowej lub eliptycznej.

Ćwiczenie polegało na pomiarze kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji fali świetlnej. W tym celu użyliśmy układu polaryzatorów.

Materiały optyczne czynne dzielimy na dwie grupy:

aktywne optyczna wywołana polem magnetycznym

naturalna aktywność optyczna

W ćwiczeniu badaliśmy oba rodzaje materiałów optycznie czynnych.

Pomiary, obliczenia i wykresy

Naturalna aktywność optyczna.

• α - kąt skręcenia płaszczyzny drgań

• h - grubość warstwy roztworu h = 155±2 mm

• c - stężenie roztworu

Jako materiał optycznie czynny użyliśmy roztworu cukru w wodzie.

Wyniki pomiarów kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji w zależności od stężenia roztworu cukru w wodzie c.

c [%]	0	2	4	7,4	10	13,8	17	?
α1	35,7o	37,02o	38,9o	42,4o	46,1o	50,4o	52,75o	42,65o
α2	35,7o	37,0o	38,8o	42,6o	46,2o	50,25o	52,7o	42,9o
α3	35,6o	37,05o	39,0o	42,6o	46,2o	50,25o	52,9o	43,05o
α4	35,35o	37,0o	39,05o	42,6o	46,15o	50,35o	53,0o	42,95o
αśr	35,6o	37,02o	38,94o	42,56o	46,16o	50,31o	52,84o	42,89o
αw	0o	1,42 o	3,34 o	6,96 o	10,56 o	14,71 o	17,24 o	7,29o
Δαw	0,08 o	0,01 o	0,06 o	0,05 o	0,02 o	0,04 o	0,07 o	0,09 o

Wykres zależności kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji w zależności od stężenia roztworu :

Z wykresu wynika, że a = 1,06±0,03 możemy więc wyliczyć właściwe skręcenie γ:

Podstawiając wartości do wzorów otrzymujemy

γ=0,0068±0,0003 [1⁰/mm]

Odczytując z wykresu wartość nieznanego stężenia roztworu otrzymujemy:

c = 8,9±0,3 %

Natomiast obliczając tę wartość mając znane γ otrzymujemy:

Podstawiając wartości do wzoru otrzymujemy:

c = 6,9±0,2 %

Aktywność optyczna wywołana polem magnetycznym

Do badania wpływu pola magnetycznego na wartość kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji użyliśmy szkła SFS1 (ciężki filtr), który został umieszczony w cewce o parametrach:

N = 4200 -liczba zwojów

L = 280±1 mm -długość solenoidu

h = 86,0±0,5 mm -długość pręta szklanego

Wyniki przeprowadzonych pomiarów:

I [A]	0	0,6	1,21	1,8	2,4	3	3,6	4,2	4,8
α1 [^0]	71,5	72,7	74,7	76,2	77,5	79,55	81	82,5	83,9
α2 [^0]	71,6	73	74,8	76,15	77,65	79,4	80,95	82,35	83,85
α3 [^0]	71,6	73,2	74,85	76,3	77,85	79,4	80,95	82,4	83,75
α4 [^0]	71,8	73,1	74,8	76,2	77,7	79,25	81	82,45	83,9
αśr [^0]	71,63	73,0	74,79	76,21	77,68	79,40	80,98	82,43	83,85
αw [rad]	0	0,024	0,0552	0,0801	0,1056	0,136	0,1632	0,1885	0,2134
Δαw [rad]	0,001	0,002	0,0005	0,0005	0,0013	0,001	0,0003	0,0006	0,0006
B [t]	0	0,01	0,02	0,03	0,04	0,05	0,06	0,07	0,08

Wykres zależności kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji od prądu w cewce:

Korzystając z metody najmniejszych kwadratów wyliczamy stałą Verdeta przyjmując:

x = B, y=α, otrzymujemy a = V*h = 2,698±0,025 stąd

Podstawiając wartości do powyższych wzorów otrzymujemy:

V = 1,72±0,03 [1⁰/mm] = 31,4±0,5 [rad/m]

Mając daną stałą Verdeta możemy obliczyć wartość e/m z wzoru:

Gdzie λ=589,3 nm, c -prędkość światła, dλ=λ₁-λ₂=45,5 nm, dn = n₁-n₂ = 0,00873

Podstawiając powyższe wartości do wzoru na e/m otrzymujemy:

Wnioski

Zauważamy dość duże rozbieżności w obliczonych stężeniach roztworu dla pierwszej części ćwiczenia. Biorąc pod uwagę tabelę przedstawiającą zależność kąta odchylenia płaszczyzny polaryzacji światła przechodzącego przez roztwór cukru w wodzie, możemy spodziewać się, że wartość szukanego stężenia roztworu będzie znajdować się w zakresie wartości 7,4-10. Temu zakresowi odpowiada wartość stężenia odczytana z wykresu. Stężenie wyliczone z wzoru, przy założeniu, że znamy właściwe skręcenie płaszczyzny polaryzacji " " znajduje się poza oczekiwanym przedziałem. Wynika stąd, że albo błędnie została wyliczona wartość właściwego skręcenia płaszczyzny polaryzacji, albo błędna jest zależność z której liczyliśmy stężenie.

Stała Verdeta wyliczona z drugiej części ćwiczenia różni się o 10% od wartości teoretycznej Vt=33.13[rad/m]. Ponieważ błąd wartości wyznaczonej doświadczalnie jest dużo mniejszy niż 10% musimy stwierdzić że obliczona przez nas doświadczalna wartość stałej Verdeta nie może być uznana za poprawną.

Zastosowane przez nas metody obliczeniowe są zbyt niedokładne aby można było za ich pomocą liczyć wartości skręcenia właściwego, bądź stałej Verdeta. Można natomiast stwierdzić przydatność tych metod do obserwowania zależności kąta skręcenia płaszczyzny od stężenia roztworu lub indukcji magnetycznej.

---