Wydział Matematyki Fizyki i Chemii Uniwersytetu Śląskiego

Instytut Fizyki

Ćwiczenie nr 82

I pracownia fizyczna

Badanie polaryzacji światła.

Opracował: mgr B. Gardas

Katowice 2011

1. Zagadnienia do kolokwium wstępnego

Przed przystąpieniem do wykonania ćwiczenia należy zapoznać się z następującymi

zagadnieniami fizycznymi:

?

Polaryzacja światła

: liniowa, kołowa, eliptyczna.

?

Sposoby polaryzacji światła:

− odbicie i załamanie na granicy dwóch ośrodków (kąt

Brewstera

);

− podwójne załamanie,

dichroizm

.

?

Pojedyncze rozproszenie (depolaryzacja przez wielokrotne rozprosz.).

?

Polaryzatory: pryzmat

Nicola

, polaroidy, prawo

Malusa

.

?

Płyta ćwierćfalowa, polaryzator kołowy, oś transmisji polaryzatora.

2. Aparatura

Do wykonania ćwiczenia niezbędne będą następujące przyrządy (Rys. 82.1):

?

Zasilacz prądu stałego, mikroamperomierz wielozakresowy, przewody.

?

Fotometr polaryzacyjny,

ćwierćfalówka

, oświetlacz.

?

Zestaw próbek:

P1) papier woskowany, P2) szkło, P3) metal.

3. Wzory

Wzory matematyczne wyrażające zależności między mierzonymi wielkościami fizycz-

nymi zebrane zostały poniżej.

?

Natężenie światła I przechodzącego przez analizator dane jest wzorem

I = I

0

cos

2

α

(prawo Malusa),

(82.1)

gdzie I

0

−maksymalne natężenie światła przechodzącego (dla α = 0

◦

, α = 180

◦

), α−kąt

między osiami transmisji analizatora i polaryzatora.

?

Natężenie prądu -i przepływającego przez fotoopór jest proporcjonalne do natężenia

światła -I padającego na fotoopór i spełnia zależność:

i = kI,

U = const,

(82.2)

gdzie k−stała, U −napięcie zasilające fotoopór.

?

Ze wzorów (

82.1

) i (

82.2

) otrzymujemy

i = i

0

cos

2

α.

(82.3)

2

FOTOMETR POLARYZACYJNY

oświetlacz

zasilacz

mikroamperomierz

ćwierćfalówka

próbki

fotoopór

przysłona

uchwyt
na ćwierćfalówkę

uchwyt na próbki

Rysunek 82.1. Stanowisko do badania polaryzacji światła.

Z

+

−

V

µA

Rysunek 82.2. Schemat obwodu fotooporu.

Z−zasilacz prądu stałego, V −woltomierz

prądu stałego oraz µA−mikroamperomierz

prądu stałego.

4. Wykonanie ćwiczenia

4.1. Przygotowanie fotometru polaryzacyjnego

?

Zmniejszyć przesłonę w układzie optycznym do minimum.

?

Zmontować obwód fotooporu (Rys. 82.2). Podłączyć zasilanie (6V ) do oświetlacza.

?

Przy ustalonym położeniu polaryzatora i badanych próbek znaleźć położenie anali-

zatora α

0

, przy którym występuje maksimum fotoelektrycznego i

max

. Przy pomocy

regulowanej przesłony ustalić wartość i

max

na 90% zakresu mikroamperomierza.

?

Sprawdzić wartość prądu ciemnego fotooporu (wyłączony oświetlacz).

4.2. Badanie światła wychodzącego z polaryzatora

?

Ustalić położenie polaryzatora. Wykonać czynności z pkt. 4.1.

3

a) Światło przechodzące, początkowo spolaryzowane.

b)

Światło odbite, początkowo niespolaryzowane.

Rysunek 82.3. Badanie stanu polaryzacji światła.

4

?

Wyznaczyć zależność I = f (α

a

), gdzie α

a

−ustawienie polaryzatora.

4.3. Badanie światła przechodzącego przez próbkę P1

?

Umieścić w uchwycie próbkę w świetle przechodzącym (Rys. 82.3a).

?

Wykonać czynności z pkt. 4.1.

?

Wykonać pomiary (bez ćwierćfalówki oraz z ćwierćfalówką) I(α) w/g schematu (

6

).

4.4. Badanie światła odbitego od próbek P2 i P3

?

Umieścić w uchwycie próbkę w świetle odbitym (Rys. 82.3b).

?

Wykonać czynności z pkt. 4.1.

?

Wykonać pomiary w/g schematu (

6

).

UWAGA:

?

Ilość pomiarów w pkt. 4.1 − 4.4 ustalić z asystentem.

5. Opracowanie wyników

5.1. Sprawdzenie prawa Malusa

?

Dla każdego α

a

obliczyć α = α

a

− α

0

, x = cos

2

(α), y = i/i

0

. Następnie oszacować

niepewności pomiarowe ∆α, ∆x, ∆y, ∆i.

?

Wykreślić zależność i = f (α) i zaznaczyć na wykresie ∆i, ∆α.

?

Wykreślić zależność y = f (x), uwzględnić niepewności ∆x, ∆y.

?

Korzystając z wykresów określić zakres stosowalności prawa Malusa.

?

Określić stan polaryzacji wiązki wychodzącej z polaryzatora.

5.2. Badanie światła przechodzącego przez P1) i odbitego od P2) oraz P3)

?

Wykreślić zależność i = f (α) dla pomiarów bez i z ćwierćfalówka.

?

Oszacować niepewności ∆α, ∆β, δi oraz zaznaczyć je na wykresach.

?

Korzystając ze schematu (

6

) określić stan polaryzacyjny przechodzącego lub odbitego

od badanych próbek.

5

6. Schemat badania polaryzacji światła

Obrót analizatora wo-

kół osi wiązki o kąt α

I(α) = cst

I

min

= 0

Dowolny kąt ustawie-

nia ćwierćfalówki β

Polaryzacja

Liniowa

Ćwierćfalówka ustawio-

na azymutem równo-

legle do płaszczyzny

polaryzacji analizatora

I(α) = cst

Brak

polaryzacji

I

min

= 0

I

min

= 0

Polaryzacja

Kołowa

I

min

, I

max

dla α

jak bez

ćwierćfalówki

Polaryzacja

Kołowa+Światło

naturalne

Częściowa

Polaryzacja

Liniowa

I

min

= 0

Częściowa Polaryzacja Eliptyczna

Polaryzacja

Eliptyczna

TAK

NIE

TAK

TAK

NIE

TAK

TAK

TAK

NIE

TAK

7. Przydatne strony internetowe

?

Fale elektromagnetyczne i polaryzacja światła

?

MIT OpenCourseWare (wykład 13)

?

MIT OpenCourseWare (cały kurs)

(dla zainteresowanych)

6

Literatura

[1] D. Halliday R. Resnick. Fizyka tom 1. PWN, Warszawa 1999.

[2] H. Szydłowski. Pracownia Fizyczna tom 1. PWN, Warszawa 1999.

[3] H. Szydłowski. Pracownia fizyczna wspomagana komputerem. PWN, Warszawa 2003.

[4] T. Drynski. Ćwiczenia Laboratoryjne z Fizyki. WSP, Warszawa 1992.

7