I ET-DI 2011.10.25

Laboratorium z fizyki

Ćw. nr: 45

Temat: Sprawdzanie prawa Malusa. Wyznaczanie rozkładu natężenia światła spolaryzowanego.

Krzysztof Litwin

L9

Wprowadzenie

Fotometria - dział optyki zajmujący się ilościowym opisem światła jako procesu przenoszenia energii. Wielkości fizyczne wprowadzane w tym celu, tzn. stanowiące język fotometrii, nazywa się wielkościami fotometrycznymi. Fotometria zajmuje się także metodą pomiarów wielkości fotometrycznych. Rozróżnia się fotometrię energetyczną (obiektywną) i fotometrię wizualną (świetlną, porównawczą).
Zobacz też: podstawowe zagadnienia z zakresu fizyki i optyki.

Drgające ładunki elektryczne wytwarzają w przestrzeni zmienne pole elektryczne, które zgodnie z prawem Maxwella indukuje zmienne pole magnetyczne, a to z kolei indukuje zmienne pole elektryczne itd. Tak więc drgania pola elektrycznego wzbudzają drgania pola magnetycznego i odwrotnie. 
Drgające pola, które wzajemnie się wzbudzają, nazywamy promieniowaniem elektromagnetycznym. Promieniowanie elektromagnetyczne rozchodzi się w przestrzeni jak fala o częstotliwości równej częstotliwości drgań ładunku elektrycznego, który jest jej źródłem, i dlatego promieniowanie to nazywamy falą elektromagnetyczną.
Wszystkie znane nam fale elektromagnetyczne mają częstotliwości, które mieszczą się w przedziale od 10 do 3-ej Hz (długie fale radiowe) do 10 do 22-ej Hz (promieniowanie gamma) i tworzą widmo promieniowania elektromagnetycznego. Światło widzialne, czyli to, które rejestrują nasze oczy, to mały fragment całego widma fal elektromagnetycznych. Podlega ono tym samym prawom, jakim podlegają fale elektromagnetyczne. W danym ośrodku wszystkie fale elektromagnetyczne rozchodzą się z taką samą prędkością, która w próżni wynosi 3 · 10 do 8-ej m/s.

Polaryzacja – właściwość fali poprzecznej polegająca na zmianach kierunku oscylacji rozchodzącego się zaburzenia w określony sposób.

W poprzecznej fali niespolaryzowanej oscylacje rozchodzącego się zaburzenia zachodzą z jednakową amplitudą we wszystkich kierunkach prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali. Fala niespolaryzowana może być traktowana jako złożenie bardzo wielu fal spolaryzowanych w różny sposób.

Polaryzacja występuje tylko dla takich rodzajów fal i takich warunków, w których oscylacje mogą odbywać się w różnych kierunkach prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali. W innych przypadkach rozważanie zjawiska polaryzacji nie ma sensu - dotyczy to na przykład drgań rozchodzących się na powierzchni membrany i na granicach ośrodków o różnej gęstości (między innymi fale morskie). Fale dźwiękowe również nie podlegają zjawisku polaryzacji, gdyż są falami podłużnymi.

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. Zależność tę opisuje prawo Malusa:

(1)

gdzie: I - natężenie światła opuszczającego analizator,

I_o- natężenie światła padającego na analizator lub przechodzącego przez analizator wtedy, gdy a = 0,

a - kąt zawarty między osiami głównymi polaryzatora i analizatora.

W skład układu do eksperymentalnego sprawdzania prawa Malusa (rys.l) wchodzą: zintegrowane stanowisko pomiarowe składające się z ławy optycznej 4, źródła światła wraz z polaryzatorem 1, skala kątowa wraz z analizatorem 2, układ optyczny detektora 3, zasilacz i elektroniczny miernik oświetlenia z wyświetlaczem cyfrowym 5.

III. Wykonanie ćwiczenia

1. Włączyć układ pomiarowy.

2. Ustawić analizator (przez obrót skalą kątową) tak, aby wskazanie miernika
   oświetlenia było jak najmniejsze.

3. Zmieniając kąt ustawienia skali kątowej odczytywać kolejne wartości oświetlenia
   w luksach, wpisując je w odpowiednie miejsca tabeli pomiarowej.

4. Pomiary przeprowadzić dla pełnego kąta płaskiego (360 ).

5. Powtórzyć ponownie pomiary dla kilku kątów w celu oszacowania błędu ΔI.

6. Oszacować dokładność odczytu kąta Δa.

Lp.	α	E	U€	U(α)	Eobl
	[ º ]	[lx]	[lx]	[lx]	[º]
1	0	3.8			4,200050391
2	5	3.7			4,168146289
3	10	3.58			4,073403375
4	15	3.4			3,918700363
5	20	3.35			3,708737827
6	25	3.2			3,449895371
7	30	2.95			3,150037793
8	35	2.6			2,818276114
9	40	2.4			2,464690743
10	45	2			2,100025195
11	50	1.6			1,735359647
12	55	1.2			1,381774277
13	60	0.9			1,050012598
14	65	0.6			0,75015502
15	70	0.4			0,491312564
16	75	0.15			0,281350028
17	80	0			0,126647016
18	85	0			0,031904101
19	90	0			1,57606E-32
20	95	0			0,034797301
21	100	0.2			0,126647016
22	105	0.4			0,281350028
23	110	0.7			0,491312564
24	115	1			0,75015502
25	120	1.45			1,050012598
26	125	1.75			1,381774277
27	130	2.2			1,735359647
28	135	2.48			2,100025195
29	140	2.9			2,464690743
30	145	3.1			2,818276114
31	150	3.4			3,150037793
32	155	3.6			3,449895371
33	160	3.9			3,708737827
34	165	4			3,918700363
35	170	4.12			4,073403375
36	175	4.18			4,168146289
37	180	4.2			4,200050391
38	185	4.15			4,168146289
39	190	4			4,073403375
40	195	3.85			3,918700363
41	200	3.6			3,708737827
42	205	3.42			3,449895371
43	210	3.2			3,150037793
44	215	2.9			2,818276114
45	220	2.5			2,464690743
46	225	2.3			2,100025195
47	230	1.8			1,735359647
48	235	1.7			1,381774277
49	240	1.05			1,050012598
50	245	0.8			0,75015502
51	250	0.45			0,491312564
52	255	0.2			0,281350028
53	260	0.05			0,126647016
54	265	0			0,031904101
55	270	0			1,41845E-31
56	275	0			0,031904101
57	280	0.02			0,126647016
58	285	0.1			0,281350028
59	290	0.42			0,491312564
60	295	0.7			0,75015502
61	300	0.05			1,050012598
62	305	1.5			1,381774277
63	310	1.8			1,735359647
64	315	2.12			2,100025195
65	320	2.6			2,464690743
66	325	2.9			2,818276114
67	330	3.12			3,150037793
68	335	3.3			3,449895371
69	340	3.4			3,708737827
70	345	3.58			3,918700363
71	350	3.7			4,073403375
72	355	3.78			4,168146289