10, Elektrotechnika AGH, Semestr II letni 2012-2013, Fizyka II - Laboratorium, laborki, laborki fizyka, laborki ...
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Nr. ćwiczenia
10
Temat ćwiczenia
Badanie zjawiska dyfrakcji i polaryzacji
światła
Ocena z teorii
Nr. zespołu
10
Imie i nazwisko
Dominik Kilian
Ocena z ćwiczenia
Data
28.02.2006
Grupa
2
Cel ćwiczenia
Obserwacja obrazu dyfrakcyjnego pojedynczej szczeliny i badanie wpływu szerokości
szczeliny na położenia maksimów i minimów natężenia światła. Wyznaczenie szerokości
szczeliny. Poznanie zjawiska polaryzacji światła. Sprawdzanie prawa Malusa.
Wprowadzenie teoretyczne
James Maxwell dokonał unifikacji teorii magnetyzmu i elektryczności tworząc teorię
oddziaływań elektromagnetycznych. Zachowanie pola elektromagnetycznego opisane jest
równaniami Maxwella. W myśl tych równań stacjonarne pole elektromagnetyczne
pozostaje związane ze swoim źródłem. Zmienne pole elektromagnetyczne rozprzestrzenia
się z prędkością światła w postaci fali elektromagnetycznej. Takimi falami są: fale radiowe,
mikrofale, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet, promieniowanie X, promieniowanie
gamma.
Równania Maxwella
to cztery równania, które opisują zależności między polem
elektrycznym i magnetycznym:
∮
E
°
ds
=
q
e
prawo Gaussa dla pola E
∮
B
°
ds
=0
prawo Gaussa dla pola B
∂
t
∮
B
°
ds
prawo Faraday’a
∫
B
°
dl
=
0
∮
i
°
ds
0
0
∂
∂
t
∮
E
°
ds
prawo Ampere’a-Maxwella
Równania Maxwella wymuszają wspólne i symetryczne rozchodzenie się zmiennych pól
zależnych od czasu i położenia zgodnie z równaniami:
∂
x
2
=
0
0
∂
2
E
∂
t
2
∂
2
B
∂
x
2
=
0
0
∂
2
B
∂
t
2
które są równaniami fali rozchodzącej się z prędkością:
c
=
1
0
0
Interferencja
to zjawisko nakładania się fal pochodzących z wielu źródeł.
Dyfrakcja
to
zjawisko zmiany kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód. Jeżeli wiązka fal
przechodzi przez wąską szczelinę, to zachodzi zjawisko ugięcia. Uwzględniając zjawisko
interferencji można zauważyć, że pojawią się obszary wzmocnienia i osłabienia fal.
sin
2
, gdzie
=
a
sin≈
ax
I
x
=
I
0
l
, I – natężenie światła, λ – długość fali,
a – szerokość szczeliny
Prosty przykład zjawiska dyfrakcji i interferencji zachodzi, gdy światło lasera przepuścimy
przez wąską pojedynczą szczelinę. Każdy punkt szczeliny o szerokości a, jest nowym
∫
E
⋅
dl
=
−∂
∂
2
E
źródłem fali. Między źródłami zachodzi interferencja, co powoduje wzmacnianie i
osłabianie światła lasera padającego na ekran. Dyfrakcja i interferencja zachodzi również,
kiedy fale przechodzą przez wiele blisko siebie położonych warstw (siatka dyfrakcyjna). Te
zjawiska można również zachodzą w innego rodzaju falach, np. dźwiękowych lub na
powierzchni wody, które można z łatwością zaobserwować.
Światło jest falą poprzeczną, bo drgania wektorów E i B odbywają się w kierunku
prostopadłym do kierunku rozchodzenia się fali. W świetle naturalnym płaszczyzna drgań
ciągle sie zmienia. Można jednak dokonać
polaryzacji
takiego światła (w różnym
stopniu):
Światło nie spolaryzowane
Światło częściowo
spolaryzowane
Światło całkowicie
spolaryzowane
Polaryzacji światła można dokonać przez odbicie światła naturalnego na granicy dwóch
ośrodków. Gdy promień odbity jest prostopadły do promienia załamanego, następuje
całkowita polaryzacja, natomiast inne kąty powodują częściową polaryzacje (odkrycie
Bewstera). Polaroidy powodują polaryzację na wskutek silnie asymetrycznej budowy
cząsteczkowej. Przepuszczają one światło o określonej płaszczyźnie polaryzacji i
zatrzymują światło o polaryzacji prostopadłej. Wszystkie urządzenia wytwarzające światło
spolaryzowane nazywamy polaryzatorami. Te same urządzenia można wykorzystać do
badania światła spolaryzowanego, nazywamy je wtedy analizatorami. Układ polaryzatora i
analizatora może posłużyć do badania natężenia światła w zależności od kąta pomiędzy
tymi urządzeniami. Natężenie światła jest proporcjonalne do kwadratu amplitudy wektora
natężenia pola elektrycznego fali świetlnej,
I
∝
E
2
.
Polaryzator rozkłada płaszczyznę polaryzacji na dwie
składowe, z których tylko jedna (równoległa) jest
przepuszczana. Stąd wynika
prawo Malusa
:
I
=
I
m
cos
2
,
gdzie φ – kąt między kierunkami drgań polaryzatora i
analizatora, I
m
– maksymalne natężenie światła.
I
m
φ
I
Czynność optyczna
to właściwość substancji, polegająca na
skręcaniu płaszczyzny polaryzacji przechodzącego przez nie
światła spolaryzowanego. Jest wynikiem specyficznej budowy cząsteczek związku
chemicznego lub kryształów. Wielkość kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji zależy od
rodzaju substancji, jej stężenia roztworu c i grubości warstwy l i wyraża się wzorem:
=
acl
Jego pomiar może być wykorzystany do identyfikacji bądź określania stężenia substancji
optycznie czynnych. Substancją czynną optycznie jest np. Sacharoza.
Do pomiaru kąta skręcenia służy
polarymetr
. Zasada działania tego urządzenia w
uproszeniu jest następująca: światło trafia do polaryzatora, następnie spolaryzowane
światło pod znanym kątem wpada do substancji badanej, tam następuje skręcenie
płaszczyzny polaryzacji. Między okiem, a tą substancją znajduje się płytka Laurenta
połączona ze skalą z noniuszem. Należy tak ustawić skalę, aby obie części płytki miały
identyczną jasność i odczytać znalezioną wartość.
Laser
to generator kwantowy optyczny; generator prawie spójnego promieniowania
elektromagnetycznego z zakresu widma od nadfioletu do dalekiej podczerwieni, w którym
generację uzyskano wykorzystując zjawisko wymuszonej emisji promieniowania w ośrodku
po odwróceniu (inwersji) obsadzeń. W laserze gazowym odwrócenie obsadzeń poziomów
jako przygotowanie do akcji laserowej w gazach może być uzyskane przez wyładowanie
elektryczne. Ogromne znaczenie mają wówczas atomy w stanach metatrwałych, ich
energia może być przekazana w zderzeniach atomom lub cząsteczkom właściwego ośrodka
laserującego. Tak jest właśnie w laserze helowo-neonowym (He-Ne), w którym ciałem
roboczym jest mieszanina helu i neonu. Wyładowanie elektryczne prowadzone w tej
mieszaninie wzbudza atomy helu i neonu do różnych stanów. Najważniejsze jednak dla
uzyskania akcji laserowych jest wzbudzenie atomów helu do dwóch stanów metatrwałych.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]