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 αB dla którego współczynnik odbicia polaryzacji Π RΠ 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 :
n1sinαB = n2cosαB
tgαB=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 αB, który wynosi (89±1) °. Znając ten kąt obliczyliśmy współczynnik załamania światła dla szkła
tgαB=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/cos2αBdαB
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