Материал: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ВМ №3

15

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО Рыбинская государственная авиационная технологическая

академия им. П.А. Соловьева

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

Утверждено

на заседании методического

семинара кафедры ОиТФ

« » _________ 2007 г.

Зав.каф. Пиралишвили Ш.А.

Лаборатория «Волновая механика»

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № ВМ – 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ

С ПОМОЩЬЮ КРУГОВОГО ПОЛЯРИМЕТРА

Нормоконтроль	Автор: к. т. н., доцент Суворова З. В.
____________	___________________
	Рецензент: к. ф–м. н., доцент Шалагина Е.В.
	___________________

Рыбинск 2007

ТРЕБОВАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

Прибор имеет подключение к электрической сети. Соблюдайте формы электробезопасности и требования инструкции №170 по технике безопасности. Не включайте прибор в сеть, пока не ознакомитесь с его конструкцией и основными требованиями к работе с ним.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: исследование процесса поляризации света при прохождении его через растворы, определение концентрации оптически активного раствора по величине угла поворота плоскости поляризации.

ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ: круговой поляриметр типа СМ-1, кюветы с исследуемыми растворами, осветитель.

1. Краткие теоретические сведения

Свет представляет собой сложное явления: в одних случаях он ведет себя как электромагнитная волна, в других – как поток особых частиц – фотонов. Волновая оптика рассматривает круг явлений, объясняемых волновой природой света.

В электромагнитной волне колеблются два вектора и , причем физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света обусловлены колебаниями электрического вектора . Его называют световым вектором.

Модуль амплитуды светового вектора обозначается, как правило, буквой (иногда ). Соответственно изменение во времени и пространстве проекции светового вектора на направление, вдоль которого он колеблется, будет описываться уравнением

Рис.1

Рис. 1.

. (1)

Здесь – волновое число, – расстояние, отсчитываемое вдоль направления распространения световой волны. Для плоской волны, распространяющейся в непоглощающей среде, , для сферической волны убывает как , и т. д.

Несмотря на то, что световые волны поперечны, они обычно не обнаруживают асимметрии относительно луча. Это обусловлено тем, что в естественном свете (т. е. свете, испускаемом обычными источниками) имеются колебания, совершающиеся в самых различных направлениях, перпендикулярных к лучу (рис.1). Излучение светящегося тела слагается из волн, испускаемых его атомами. Процесс излучения отдельного атома продолжается около с. За это время успевает образоваться последователь­ность горбов и впадин ( цуг волн) протяжен­ностью примерно 3 м. «Погаснув», атом че­рез некоторое время «вспыхивает» вновь. Одновременно «вспыхивает» много атомов. Возбужденные ими цуги волн, налагаясь друг на друга, образуют испускаемую телом све­товую волну. Плоскость колебаний для каж­дого цуга ориентирована случайным обра­зом. Поэтому в результирующей волне ко­лебания различных направлений представлены с равной вероят­ностью. Свет, в котором направления колебаний упорядочены каким-либо образом, называется поляризованным. Если колебания светового вектора происходят только в одной проходящей через луч плоскости, свет называется плоско- (или линейно) поляризованным. Упо­рядоченность может заключаться в том, что вектор поворачи­вается вокруг луча, одновременно пульсируя по величине. В ре­зультате конец вектора описывает эллипс. Такой свет называет­ся эллиптически-поляризованным. Если конец век­тора описывает окружность, свет называется поляризованным по кругу.

Рассмотрим два взаимно перпендикулярных электрических колебания, совершающихся вдоль осей X и Y, и отличающихся по фазе на :

.

Результирующая напряженность , угол между векторами и (рис.1) определяется выражением

Если разность фаз  претерпевает случайные хаотические изменения, то угол , а значит, и направление вектора , будет испытывать скачкообразные неупорядоченные изменения. В этом случае естественный свет можно представить как наложение двух некогерентных электромагнитных волн, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях и имеющих одинаковую интенсивность. Будем считать световые волны когерентными, и  = 0 или  = . Тогда , и результирующее колебание совершается в фиксированном направлении – волна оказывается плоскополяризованной.

Если и , тогда – плоскость колебаний поворачивается вокруг направления луча с угловой скоростью, равной частоте колебаний . Свет оказывается поляризованным по кругу.

В случае произвольного значения  свет оказывается эллиптически поляризованным, конец вектора движется по эллипсу.

В зависимости от направления вращения вектора различают правую и левую эллиптическую и круговую поляризации. Если по отношению к направлению, противоположному направлению распространения луча, вектор вращается по часовой стрелке, поляризация называется правой, в противном случае – левой.

Плоскость, в которой колеблется световой вектор в плоскополяризованной волне, называют плоскостью колебаний. Перпендикулярная к ней плоскость называется плоскостью поляризации.

Плоскополяризованный свет можно получить из естественного с помощью поляризаторов. Это приборы, которые свободно пропускают колебания, параллельные плоскости поляризатора, и полностью или частично задерживают колебания, перпендикулярные его плоскости. Поляризатор, частично задерживающий перпендикулярные к его плоскости колебания, называют несовершенным. При выходе из такого поляризатора колебания одного направления преобладают над колебаниями других направлений в световой волне. Такой свет называют частично поляризованным.

Если частично поляризованный свет пропустить через поляризатор и поворачивать прибор вокруг луча на угол , интенсивность прошедшего света будет меняться от до . Степень поляризации света

Рис. 2.

Д

плоскость

поляризатора

ля плоскополяризованного света , для естественного света

Колебания амплитуды А, совершающиеся в плоскости, образующей с плоскостью поляризатора угол , можно разложить на два колебания с амплитудами и (рис.2). Первое колебание пройдет через прибор, второе будет задержано. Интенсивность прошедшей волны пропорциональна , т.е. , колебание, параллельное плоскости поляризатора, несет долю интенсивности . В естественном свете все значения  равновероятны, поэтому доля света, прошедшего через поляризатор, равна среднему значению , т.е.1/2. При вращении поляризатора вокруг направления естественного луча интенсивность прошедшего света остается одной и той же, изменяется лишь ориентация плоскости колебаний света, выходящего из прибора.

Рис. 3.

плоскость

поляризатораааааааа

Пусть на поляризатор падает плоскополяризованный свет амплитуды и интенсивности (рис.3). Сквозь прибор пройдет составляющая колебания с амплитудой , где  – угол между плоскостью колебаний падающего света и плоскостью поляризатора. Тогда интенсивность прошедшего света

(1)

Это закон Малюса.

Если на пути естественного луча поставить два поляризатора, плоскости которых образуют угол , то из первого поляризатора выйдет плоскополяризованный свет с интенсивностью , где – интенсивность естественного света, а из второго поляризатора выйдет свет с интенсивностью , и интенсивность света, прошедшего через оба поляризатора, равна

Рис. 4

Максимальная интенсивность получается при (плоскости поляризаторов параллельны), минимальная интенсивность равна нулю при – скрещенные поляризаторы не пропускают.

Если на поляризатор падает эллиптически поляризованный свет, поляризатор пропускает составляющую вектора (рис.4). Максимальное значение этой составляющей достигается в точках 1 и 2, и амплитуда вышедшего из прибора плоскополяризованного света равна длине отрезка 01`. При вращении поляризатора вокруг направления луча интенсивность меняется в пределах от (при совпадении плоскости поляризатора с большой полуосью эллипса) до (при совпадении плоскости поляризатора с малой полуосью эллипса). Такой же характер изменения интенсивности при вращении поляризатора получается и в случае частично поляризованного света.

Устройства, служащие для преобразования естественного света в линейно-поляризованный, называется поляризаторами.

Устройства, служащие для анализа степени поляризации света называются анализаторами. Всякий анализатор можно условно изобразить в виде решетки, прутья которой параллельны направлению колебаний вектора _a проходяшего сквозь неё света.

Рис. 5

Если плоскости пропускания поляризатора и анализатора параллельны друг другу, то поляризованный свет пройдет через анализатор, почти не снижая своей интенсивности (рис.5.а). Если же плоскости поляризатора и анализатора перпендикулярны друг другу, то анализатор полностью погасит падающий на него поляризованный луч. В этом случае говорят, что анализатор и поляризатор скрещены (рис.5.б). В промежуточных случаях интенсивность будет зависеть от ориен­тации анализатора (рис.5.в).