Temat ćwiczenia : Badanie odbicia światła od powierzchni dielektryków.

1. Wstęp teoretyczny

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia wykonanego dnia 27.04.2009r. w laboratorium fizycznym było przeprowadzenie obserwacji nad odbiciem światła od dielektryków. Doświadczenia, które przeprowadzaliśmy miały na celu wykazanie słuszności prawa Malusa, jak również wyznaczenie wartości kąta Brewstera i kąta granicznego. Otrzymane wyniki pozwoliły nam określić współczynnik załamania szkła.

Wiadomości teoretyczne

Polaryzacja światła jest uzależniona od kierunków wektorów pola elektrycznego i magnetycznego fali elektromagnetycznej. Jeżeli kierunek drgań tych wektorów jest przypadkowy w danym punkcie, to nie możemy powiedzieć, że światło będzie spolaryzowane. Światło będzie spolaryzowane wówczas, gdy kierunek tych wektorów jest stały, lub zmienia się, lecz w ściśle określony sposób. Możemy wyróżnić polaryzację liniową – zachodzi gdy kierunek rozchodzenia się wektorów pola elektrycznego i magnetycznego jest stały, polaryzację kołową – zachodzi kiedy wektory pola elektromagnetycznego obracają się wokół kierunku rozchodzenia się fali, oraz polaryzację eliptyczną – zachodzi wówczas, gdy podczas obrotu wektory zmieniają swoja długość. Przyrządem optycznym służącym do otrzymywania światła spolaryzowanego jest Polaryzator. Natężenie światła przechodzącego przez polaryzator wyniesie zgodnie z prawem Malusa:

I=I₀cos²α

Całkowite wewnętrzne odbicie to zjawisko fizyczne zachodzące dla fal (najbardziej znane dla światła) występujące na granicy ośrodków o różnych współczynnikach załamania. Polega ono na tym, że światło padające na granicę od strony ośrodka o wyższym współczynniku załamania pod kątem większym niż kąt graniczny, nie przechodzi do drugiego ośrodka, lecz ulega całkowitemu odbiciu.

Na mocy prawa załamania:

dla Kąt graniczny - P - promień padający pod kątem αgr, Z - promień załamany pod kątem β=90°, N - normalna padania.

Kąt graniczny - maksymalny kąt, pod jakim promień świetlny może padać na granicę ośrodków, ulegając przy tym załamaniu. Przy wzroście kąta padania promienia powyżej wartości kąta granicznego, promień nie załamuje się i pojawia się efekt całkowitego wewnętrznego odbicia. Wartość kąta granicznego można obliczyć ze wzoru Snelliusa, podstawiając za kąt załamania 90°

1. Schemat układu pomiarowego i wykaz przyrządów

Do przeprowadzenia obserwacji nad odbiciem światła od dielektryków posłużyły nam następujące przyrządy:

• źródło światła

• 2 polaryzatory

• stolik goniometryczny(znajduje się pomiędzy polaryzatorami)

• płytki szklane

• fotodetektor z miernikiem fotoprądu

1. Prezentacja wyników

1. Wyznaczenie współczynnika załamania światła przy pomocy Prawa Snelliusa.

2𝜶 [˚]	∆2𝜶[˚]	𝜶[˚]	∆𝜶[˚]	𝜷[˚]	∆𝜷[˚]	Sin𝜶	∆sin𝜶	Sin𝜷	∆sin𝜷	n2	∆ n2
10,0	±0,5	5,0	±0,5	1,0	±0,5	0,087	±0,004	0,018	±0,008	4,97	± 0,01
20,0	±0,5	10,0	±0,25	3,0	±0,5	0,174	±0,004	0,078	±0,008	2,21	± 0,01
30,0	±0,5	15,0	±0,25	5,0	±0,5	0,259	±0,004	0,096	±0,008	2,70	± 0,01
40,0	±0,5	20,0	±0,25	7,0	±0,5	0,342	±0,004	0,122	±0,007	2,81	± 0,01
50,0	±0,5	25,0	±0,25	8,0	±0,5	0,423	±0,003	0,148	±0,006	2,86	± 0,01
60,0	±0,5	30,0	±0,25	10,0	±0,5	0,5	±0,003	0,182	±0,004	2,74	± 0,01
70,0	±0,5	35,0	±0,25	12,0	±0,5	0,574	±0,002	0,216	±0,003	2,65	±0,004
80,0	±0,5	40,0	±0,25	14,0	±0,5	0,643	±0,001	0,259	±0,002	2,48	±0,002
90,0	±0,5	45,0	±0,25	16,0	±0,5	0,707	±0,001	0,309	±0,002	2,29	±0,002
100,0	±0,5	50,0	±0,25	18,0	±0,5	0,766	±0,001	0,342	±0,002	2,24	±0,002
110,0	±0,5	55,0	±0,25	21,0	±0,5	0,819	±0,001	0,391	±0,003	2,10	±0,004
120,0	±0,5	60,0	±0,25	24,0	±0,5	0,866	±0,002	0,454	±0,004	1,91	±0,007
130,0	±0,5	65,0	±0,25	27,0	±0,5	0,906	±0,003	0,5	±0,006	1,81	±0,008
140,0	±0,5	70,0	±0,25	30,0	±0,5	0,94	±0,003	0,552	±0,007	1,70	±0,01
150,0	±0,5	75,0	±0,25	33,0	±0,5	0,967	±0,004	0,602	±0,008	1,60	±0,01
160,0	±0,5	80,0	±0,25	37,0	±0,5	0,985	±0,004	0,663	±0,008	1,49	±0,01

Zamiana kąta o mierze stopniowej (stopnie) na miarę łukową (radiany):

n_2śr=2,24 błąd pomiarowy n_2śr to Δ =0,001

2.

Dane pozwalające wyznaczyć kąt Brewstera:

2𝜶 [˚]	∆2𝜶 [˚]	𝜶 [˚]	∆𝜶 [˚]	𝜷 [˚]	∆𝜷 [˚]	(𝜶+𝜷) [˚]	∆(𝜶+𝜷)[˚]
120	±0,5	60	±0,25	24,0	±0,5	84,0	±0,25
122	±0,5	61	±0,25	24,5	±0,5	85,5	±0,25
124	±0,5	62	±0,25	25,0	±0,5	87,0	±0,25
126	±0,5	63	±0,25	25,5	±0,5	88,5	±0,25
128	±0,5	64	±0,25	26,0	±0,5	90,0	±0,25
130	±0,5	65	±0,25	27,0	±0,5	92,0	±0,25

Kąt Brewstera ↔ 𝜶+𝜷=90

α_B = 64 ±0,25

n₂ = tgα_B = tg64^o = 2,05

Δn₂ =0,04

n₂=2,05 ± 0,04

3.

Wyznaczanie granicznego kąta padania :

α_GR = 44±0,25

n₂ = sinα_GR = sin44^o = 0,69

Δn₂ = 0,007

n₂=0,69 ± 0,007

4.

Dane pozwalające wyznaczyć natężenie światła przechodzącego przez polaryzator, korzystamy z prawa Malusa.

θm	θ[^o]	Δθ[^o]	I0 [mA]	ΔI0 [mA]	Cos^2θ	ΔCos^2θ	I0*cos^2θ [mA]	Δ I0*cos^2θ [mA]
201	0	± 1,0	29,0	± 0,03	1,00	± 0,02	29,00	± 0,05
206	5	± 1,0	27,5	± 0,03	0,99	± 0,02	27,23	± 0,05
211	10	± 1,0	27,0	± 0,03	0,97	± 0,02	26,19	± 0,05
216	15	± 1,0	26,0	± 0,03	0,93	± 0,02	24,18	± 0,05
221	20	± 1,0	24,0	± 0,03	0,88	± 0,02	21,12	± 0,05
226	25	± 1,0	22,5	± 0,03	0,82	± 0,02	18,45	± 0,05
231	30	± 1,0	19,5	± 0,03	0,75	± 0,02	14,63	± 0,05
236	35	± 1,0	17,5	± 0,03	0,67	± 0,02	11,76	± 0,05
241	40	± 1,0	15,0	± 0,03	0,59	± 0,02	8,85	± 0,05
246	45	± 1,0	13,0	± 0,03	0,50	± 0,02	6,50	± 0,05
251	50	± 1,0	11,0	± 0,03	0,41	± 0,02	4,51	± 0,05
256	55	± 1,0	8,5	± 0,03	0,33	± 0,02	2,81	± 0,05
261	60	± 1,0	7,0	± 0,03	0,25	± 0,02	1,75	± 0,05
266	65	± 1,0	5,0	± 0,03	0,18	± 0,02	0,90	± 0,05
271	70	± 1,0	4,0	± 0,03	0,12	± 0,02	0,48	± 0,05
276	75	± 1,0	3,5	± 0,03	0,07	± 0,02	0,25	± 0,05
281	80	± 1,0	3,0	± 0,03	0,03	± 0,02	0,09	± 0,05
286	85	± 1,0	2,5	± 0,03	0,01	± 0,02	0,03	± 0,05
291	90	± 1,0	2,5	± 0,03	0,00	± 0,02	0	± 0,05

1. Wnioski

http://pl.wikipedia.org/wiki/Całkowite_wewnętrzne_odbicie

http://pl.wikipedia.org/wiki/Kąt_graniczny