Дослідження явища поляризації світла – МАНЛаб


Дослідження явища поляризації світла

Чернецький Ігор
Автор Чернецький Ігор
Завідувач відділу створення навчально-тематичних систем знань НЦ «Мала академія наук України», кандидат педагогічних наук, голова Всеукраїнської громадської організації «Асоціація учителів фізики “Шлях освіти – ХХІ”». Наукові інтереси: моделювання освітніх та навчальних середовищ загальноосвітніх і позашкільних навчальних закладів з урахуванням трендів розвитку сучасних засобів навчання.

Завдання роботи:

  1. Ознайомитися з теоретичною частиною роботи.
  2. Отримати експериментальний графік залежності освітленості від кута між поляризатором і аналізатором.
  3. Побудувати теоретичний графік, використовуючи закон Малюса.

Обладнання:

Оптична лава, освітлювач, джерело струму, два поляроїда, датчик освітленості DT009-4, АЦП (аналогово-цифровий перетворювач) NOVA LINK, ПК.

Теоретична частина

Відомо, що будь-яку лінійно поляризовану хвилю можна розкласти на дві лінійно поляризовані хвилі з взаємно перпендикулярними площинами коливань. Нехай поляризатор створює лінійно поляризоване світло з амплітудою Е. Аналізатор А пропускає коливання, що збігаються з напрямком аа’. Кут між головними площинами поляризатора й аналізатора дорівнює α. Розкладемо Еп на Еǁ , що збігається з напрямком аа’, та Е , перпендикулярний до цього напрямку. Коливання з амплітудою Е поглинаються аналізатором, а з амплітудою Еǁ  – проходять крізь нього. З рисунку маємо:

.

Але відомо, що око або фотоелемент реагує не на амплітуду коливань, а на інтенсивність світла, яка прямо пропорційна квадрату амплітуди хвилі:  Підносячи вираз для Еǁ до квадрата та замінюючи квадрат амплітуди значенням інтенсивності, дістаємо закон Малюса:

 .

Якщо світло поляризоване, то І0 – інтенсивність світла, що падає на аналізатор; α – кут між площиною коливання електричного вектора світла та головною площиною аналізатора; І – інтенсивність світла, яке проходить крізь аналізатор (поглинання в ньому не враховується). У випадку природного світла І0 – інтенсивність світла, яке проходить крізь поляризатор і аналізатор при паралельних головних площинах; α – кут між головними площинами поляризатора й аналізатора; І – інтенсивність світла, яке проходить крізь поляризатор і аналізатор (поглинання в них не враховується). При поляризації світла в поляризаторі втрачається половина інтенсивності світла, яке падає на нього. Отже, для системи поляризатор – аналізатор закон Малюса записується так:

де І0 – інтенсивність природного світла, що падає на аналізатор; k – коефіцієнт поглинання поляризатора та аналізатора.

Хід роботи

  1. Установіть на столі оптичну лаву. Закріпіть на лаві освітлювач.
  2. З’єднайте освітлювач із джерелом струму.
  3. Установіть на рейтер датчик освітленості. Заклейте вікно датчика шматочком ізоляційної стрічки, утворивши вузьку щілину. Установіть межу виміру 6000 Лк.
  4. Установіть поляроїди на оптичну лаву і перевірте збіг площин поляризації.
  5. З’єднайте АЦП із USB-входом вашого ПК.
  6. З’єднайте датчик освітленості з АЦП, задіявши перший вхід.
  7. Запустіть програму Multilab.
  8. Відкрийте вкладку «Реєстратор» – «Настройка реєстратора» і переконайтеся, що датчик розпізнаний і підключений до входу.

  1. У вікні, що залишилося, натисніть «Далі».
  2. Виберіть у списку частоту вимірів – «Вручну».
  3. Натисніть «Далі».
  4. Виберіть кількість вимірів –20.
  5. Натисніть «Завершити».
  6. Виберіть кнопку «Новий експеримент» .
  7. Увімкніть джерело струму та встановіть оптимальну освітленість.
  8. Натисніть кнопку «Пуск» .
  9. Змініть кут між поляроїдами на 10°.
  10. Знову натисніть «Пуск» .
  11. Повторюйте попередні кроки до моменту, поки кут не досягне 90°, а потім назад до 0°.
  12. Натисніть «Стоп» .
  13. На екрані з’явиться графік залежності освітленості від кількості вимірів.

Аналіз даних

  1. У верхньому меню виберіть «Таблиця» – «Додати стовпчик введення».
  2. Введіть назву й одиницю виміру. У додатковому стовпчику проставте кут між поляроїдами.
  3. Виберіть кнопку «Редагування графіка» .
  4. Виберіть вісь х – дані, що редагуються, вісь y – освітленість.
  5. На екрані з’явиться графік залежності освітленості від кута між поляроїдами.
  6. Виберіть кнопку «Експорт в Excel».
  7. Перетворіть у таблицях значення кута в радіани.
  8. Розрахуйте очікувану теоретично освітленість, у кожному випадку задавши відповідну формулу.
  9. Зрівняйте результати, отримані теоретично і практично.
  10. Зробіть висновки відповідно до мети роботи.