Paweł Buczek Rzeszów 15. 04. 1999 r.

I BD, gr.W1/Ć1/L2

Zespół nr 4.

Sprawozdanie z laboratorium fizyki

ĆWICZENIE nr 45.

Sprawdzenie prawa Malusa. Wyznaczanie rozkładu światła spolaryzowanego.

Zagadnienia do samodzielnego opracowania:

• ruch falowy

• polaryzacja fali i jej rodzaje

• polaryzacja światła przy odbiciu i załamaniu

• polaryzatory

• wielkości fotometryczne

W przypadku poprzecznych fal sprężystych określenie kierunku rozchodzenia się fali poprzecznej nie wyznacza jeszcze kierunku wychyleń cząstek ośrodka, w którym rozchodzi się fala. Przy ustalonym kierunku rozchodzenia się fali poprzecznej, cząstki ośrodka mogą wychylać się w bardzo różnych kierunkach, lecz prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali. Aby odróżnić od siebie różne fale poprzeczne rozchodzące się w tym samym kierunku, musimy określić polaryzację fali. Szczególny przypadek fali poprzecznej stanowią fale spolaryzowane liniowo. W tym przypadku cząstki ośrodka wykonują prostoliniowe ruchy drgające, a kierunki drgań wszystkich cząstek są do siebie równoległe i zgodnie z definicją fali poprzecznej, prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali.

Fale elektromagnetyczne (także i światło) są falami poprzecznymi. Wektory natężenia pola elektrycznego i magnetycznego fali są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali. Dla fal elektromagnetycznych można więc także wprowadzić pojęcie polaryzacji fali.

W przypadku fal elektromagnetycznych polaryzacja polega na uporządkowaniu drgań wektora natężenia pola elektrycznego i pola magnetycznego w stosunku do kierunku rozchodzenia się fali. W myśl przyjętej umowy polaryzację światła określa kierunek wektora natężenia pola elektrycznego fali E. Płaszczyznę prostopadłą do wektora E nazywamy płaszczyzną polaryzacji fali.

Jeżeli w ustalonym punkcie przestrzeni kierunek wektora E nie zależy od czasu, to taką falę elektromagnetyczną nazywamy spolaryzowaną liniowo.

Dla fali płaskiej oznacza to, że kierunki wektorów E są w całej przestrzeni jednakowe. Światło wysyłane przez większość źródeł zarówno białe jak i mono- chromatyczne stanowi superpozycję ciągów falowych wysyłanych przez różne atomy. Poszczególne ciągi falowe różnią się między sobą polaryzacją. W najprostszym przypadku można przyjąć, że każdy z ciągów jest spolaryzowany liniowo, ale kierunki polaryzacji są zupełnie przypadkowe. Światło składające się z ciągów falowych spolaryzowanych liniowo w ustalonym kierunku nazywa się światłem liniowo spolaryzowanym. Polaryzacji fal można dokonać przez odbicie i przez załamanie.

Światło naturalne można spolaryzować przez odbicie od powierzchni przezroczystego dielektryka.

α_p α_p

90°

β

Światło odbite nie zawiera drgań równoległych do płaszczyzny padania.

Gdy α + β = 90° (R_II=0), światło odbite jest całkowicie spolaryzowane. Stopień polaryzacji P = 1. Kąt padania α_p, przy którym to zachodzi nazywamy kątem polaryzacji. Mamy wówczas:

α + β = 90° oraz sin β = cos α_p

n = sin α/sin β = sin α_p/cos α_p = tg α_p

Związek tg α_p = n nazywamy prawem Brewstera.

Przy rozchodzeniu się światła ze źródła punktowego w ośrodku jednorodnym o właściwościach izotopowych czoła fal mają postać sfer współśrodkowych. Istnieje jednak wiele substancji krystalicznych, wykazujących właściwości anizotropowe pod względem rozchodzenia się światła. W tych kryształach prędkość rozchodzenia się światła zależy od kierunku i jest inna dla różnych kierunków. Kryształy o takich właściwościach nazywamy kryształami podwójnie łamiącym; należą do nich kryształy o nieregularnej siatce krystalograficznej. W krysztale podwójnie łamiącym rozchodzą się dwa ciągi fal. Dla jednego ciągu czoła fal mają postać sfer, dla drugiego elipsoid obrotowych. W kryształach tych możemy wyróżnić co najmniej jeden kierunek, dla którego prędkość rozchodzenia się obu ciągów fal jest jednakowa. Kierunek ten nazywamy osią optyczną kryształu.

Z

N

BIEG PROMIENIA NADZWYCZAJNEGO - N I PROMIENIA ZWYCZAJNEGO - Z W KRYSZTALE DWÓJŁOMNYM

Dla usuwania promienia zwyczajnego lub nadzwyczajnego w celu uzyskania jednej wiązki światła spolaryzowanego liniowo używa się pryzmatu Nicola, pryzmatu Wollastone'a lub polaroidu.

Z

BIEG PROMIENI W PRYZMACIE WOLLASTONE'A N

W podwójnym łamiącym krysztale turmalinu zachodzi silna absorpcja promienia zwyczajnego. Z płytki turmalinu o grubości 1 mm wychodzi więc praktycznie jedynie spolaryzowany promień nadzwyczajny. Wobec tego płytki turmalinu mogą służyć do uzyskania światła spolaryzowanego. Natomiast kryształ herapatytu o grubości 0,1 mm prawie całkowicie polaryzuje światło naturalne. Kryształy herapatytu posłużyły do konstrukcji polaroidu. Polaroid stanowią podłużne kryształki w masie plastycznej.

Badanie stanu spolaryzowania wiązki światła odbywać się może za pomocą układu składającego się z dwóch ośrodków polaryzujących zwanych polaryzatorem i analizatorem. Po przejściu przez polaryzator światło jest liniowo spolaryzowane. Kolejno, światło przechodząc przez analizator jest ponownie polaryzowane liniowo. Konsekwencją takiego stanu spolaryzowania wiązki świetlnej jest zmiana jego natężenia po przejściu przez układ polaryzator - analizator.

W skład układu do eksperymentalnego sprawdzenia prawa Malusa wchodzą: zintegrowane stanowisk pomiarowe składające się z ławy optycznej, źródła światła wraz z polaryzatorem, skali kątowej wraz z analizatorem, układu optycznego detektora, zasilacza i elektroniczny miernika oświetlenia.

kalcyt

szkło

---