Ćwiczenie nr 30

Badanie odbicia światła od powierzchni dielektryków

Wydział Fizyki	Środa 8-11 5.03.2003r.			Nr zespołu 29
Nazwisko i Imię	Ocena z przygotowania		Ocena ze sprawozdania	Ocena końcowa
1.Marcin Jeżo 2. Tomasz Zając 3. Rafał Korzeniewski
Prowadzący: dr hab. R. Siegoczyński		Podpis prowadzącego:

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było zbadanie zależności natężenia światła padającego na płytkę szklaną od kąta padania światła spolaryzowanego, a także wyznaczenie kąta Brewstera, oraz współczynnika załamania badanej szklanej płytki

II przebieg doświadczenia

Wiązkę światła niespolaryzowanego przepuszczono przez polaryzator P. Ulega ona polaryzacji liniowej, przy czym kierunek polaryzacji jest zgodny z osią polaryzatora. W doświadczeniu wyróżniamy dwa przypadki polaryzacji liniowej:

• polaryzacja π - wektor natężenia pola elektrycznego E drga w płaszczyźnie padania

• polaryzacja σ - wektor E drga w kierunku prostopadłym do płaszczyzny padania

przy czym płaszczyzną padania nazywamy płaszczyznę wyznaczoną przez kierunek prostopadły do granicy ośrodków oraz kierunek padania

Padająca na dielektryk fala elektormagnetyczna ulega załamaniu, oraz odbiciu. W doświadczeniu badamy falę odbitą, która powstaje dzięki falom wtórnym wywołanym przez drgające z taką samą częstotliwością co fala padająca dipole elektryczne wyindukowane przez pole elektromagnetyczne padającej fali. Drgający dipol elektryczny nie emituje fali elektromagnetycznej wzdłuż kierunku swoich drgań, ponieważ padająca fala jest falą poprzeczną i nie może rozchodzić się w kierunku drgań wektora natężenia pola elektrycznego E, pokrywającego się z kierunkiem drgań dipola elektrycznego.

Odbita fala trafia na detektor, powodując powstanie w jego obwodzie przepływu prądu elektrycznego. Natężenie wytworzonego prądu jest proporcjonalne do natężenia światła padającego i mierzymy je przy pomocy miernika natężenia prądu.

Na początku doświadczenia wybierając kąt padania zbliżony do przewidywanej wartości kąta Brewstera (dla szkła), oraz obrót polaryzatora starano się uzyskać jak największe wygaszenie światła. Miało to na celu ustawienie polaryzacji jak najbardziej zbliżonej do wcześniej wspomnianej polaryzacji π. Ten rodzaj polaryzacji umożliwia zauważenie minimum funkcji natężenia światła odbitego pod kątem Brewstera.

Następnym etapem było wykonanie pomiaru natężenia światła odbitego dla rożnych kątów padania. Pomiary te przeprowadza się też dla dwóch wcześniej wspomnianych polaryzacji π i σ. (oczywiście uzyskane polaryzacje z racji niedokładności oka ludzkiego nieco od
biegają od tych teoretycznych)

Rys 1. Schemat doświadczenia

Wyniki pomiarów zebrano w tabele:

Nr	Kąt padania	natężenie prądu	Zakres miernika
pom	[stopnie]	[A]	[μA]
1	17,5	4,5	30
2	25	3,5	30
3	35	11	10
4	45	8	10
5	51	2	10
6	58	0	10
7	65	4	100
8	70	6	300
9	82,5	8	3000

Tabela 1. Wyniki pomiarów dla polaryzacji π

Nr	Kąt padania	natężenie prądu	Zakres miernika
pom	[stopnie]	[A]	[μA]
1	20	2,5	10
2	30	4	10
3	40	8,5	30
4	50	4,5	100
5	60	3,5	300
6	65	3	1000
7	72,5	4	1000
8	80	8	1000

Tabela 2 Wyniki pomiarów dla polaryzacji σ

III Niepewności pomiarów

• błąd pomiaru mierzonego kąta Δα ustalono jako 1° ze względu na wartość podziałki goniometru

• błąd pomiaru natężenia prądu ustalono jako 2,5% razy zakres miernika, ze względu na klasę miernika wynoszącą właśnie 2,5

IV wyniki pomiarów i ich opracowanie

W poniższych tabelach umieszczono wyniki pomiarów wraz z ich błędami,

Nr	Kąt padania	Natężenie	zakres	natężenie	błąd
pom	[stopnie]	Prądu	mikro A
1	17,5	4,5	30	135	0,8
2	25	3,5	30	105	0,8
3	35	11	10	110	0,3
4	45	8	10	80	0,3
5	51	2	10	20	0,3
6	58	0	10	0	0,3
7	65	4	100	400	2,5
8	70	6	300	1800	7,5
9	82,5	8	3000	24000	75

Tabela 3. Wyniki pomiarów wraz z błędami dla polaryzacji π

Nr	Kąt padania	natężenie	zakres	natężenie	błąd
pom	[stopnie]	prądu	mikro A	mikro A
1	20	2,5	10	25	0,3
2	30	4	10	40	0,3
3	40	8,5	30	255	0,3
4	50	4,5	100	450	2,5
5	60	3,5	300	1050	7,5
6	65	3	1000	3000	25
7	72,5	4	1000	4000	25
8	80	8	1000	8000	25

Tabela 4 Wyniki pomiarów wraz z błędami dla polaryzacj

Poniżej zostaną przedstawione wykresy zależności natężenia prądu od kąta padania.

Wykres 1 zależność natężenia prądu elektrycznego dla polaryzacji π i σ.

Na tych wykresach widać że polaryzacje nazwane wcześniej π i σ, rzeczywiście zbliżone są do teoretycznych oczekiwań. Dla polaryzacji π oczekiwano wyraźnego minimum dla kąta Brewstera, co dobrze widać na wykresie.

Tak więc do wyznaczenia kąta Brewstera posługujemy się polaryzacją π. Kąt ten z dokładnością do jednego stopnia wynosi 58 stopni.

Współczynnik załamania n wynosi:

Korzystając z metody różniczki zupełnej wyznaczamy błąd

Δα = 1° ≈ 0,017 rad

α_B = 58°

Obliczony współczynnik porównywalny jest z wartościami zamieszczonymi w tablicach. Np. dla szkła flint lekkiego (dla żółtej linii sodu) n=1,608

W wyniku zawarte są też błędy takie jak zakłócenia spowodowane światłem z innych stanowisk, a także niedoskonałości polaryzatora, oka ludzkiego. Błędy odczytu wartości natężenia prądu elektrycznego (w ich wyniku powstały prawdopodobnie nieregularności na wykresach), a także fakt, że plamka świetlna nie zawsze jednakowo padała na detektor, co mogło powodować inne natężenie prądu.

P1,P2 -Polaryzatory

G- goniometr

PS-1 Dielektryk

Ż - źródło wiązki laserowej

FO - Fotodetektor

M - miernik

---