МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ
Лабораторный практикум по оптике
Учебно-методическое пособие
Составитель В. Е. Рисин
Воронеж
Издательский дом ВГУ
2019
Стр.1
Лабораторная работа №8
ИЗУЧЕНИЕ ОТРАЖЕНИЯ И ПРЕЛОМЛЕНИЯ СВЕТА
НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ВОЗДУХ-СТЕКЛО.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ
И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ
Отражение и преломление света. Формулы Френеля
В однородных изотропных средах свет распространяется вдоль прямых,
перпендикулярных волновому фронту и называемых лучами. На границе
раздела двух прозрачных диэлектриков (с показателями преломления
происходит отражение и преломление света в соответствии с хорошо
известными законами:
1. Луч падающий, отражённый и преломлённый лежат в одной плоскости
– плоскости падения;
2. Угол отражения
равен углу падения ;
3. Направление преломлённого луча (угол ) определяется законом
Расчёт интенсивностей отражённой и преломлённой волны при
заданной интенсивности падающей световой волны и заданной границе
раздела (
) можно провести с использованием формул Френеля.
Эксперименты показывают, что при заданных значениях
интенсивности
и
зависят ещё и от характера поляризации световой
волны падающей на границу раздела.
Чтобы учесть эту зависимость, свет с любой поляризацией представляют
в виде суперпозиции двух волн, линейно поляризованных во взаимно
перпендикулярных плоскостях. Одну из этих волн выбирают так, чтобы
вектор E колебался в плоскости падения (её называют параллельная компо3
Стр.3
света на границу раздела воздух стекло. Зададим показатель преломления
воздуха
, показатель преломления стекла
При
(
(
Чем больше различаются
(
(
(
(
тем сильнее отражение. Причём неважно,
идёт ли свет из первой среды во вторую, или из второй в первую.
При
(
(
(
(
(
С ростом угла падения растёт и числитель и знаменатель. Однако
сначала знаменатель растёт быстрее, и при (
(
Таким образом, параллельная компонента не отражается (
(
при выполнении условия:
(
(4)
Угол падения , для которого выполняется соотношение (4), называется
углом Брюстера, а само соотношение (4) называется условием Брюстера.
Условие
Брюстера можно записать и в ином виде, если использовать
закон преломления и условие (4). Учтём, что в этом случае
( ⁄
(
)
Таким образом, другой вид условия Брюстера:
(5)
6
Стр.6
При заданных выше значениях
,
При дальнейшем увеличении угла падения
коэффициент отражения
(
(
, угол Брюстера
знаменатель
начинает уменьшаться, а числитель продолжает расти. Поэтому начинает
расти и при
(скользящий луч).
Исследуем теперь зависимость
(
С ростом угла ,
быстрее знаменателя. При
эффициент отражения
( и
( , где
(
(
(
монотонно растёт, так как числитель растёт
, например, энергетический ко,
а при
Графики зависимостей энергетических коэффициентов отражения
( для границы раздела двух диэлектриков (
приведены на рисунке 1.
Если на границу раздела
падает неполяризованный
свет, то при
отражённая световая волна
будет линейно поляризована.
При всех других углах
падения, кроме
и
, отражённая и преград.
Рис.
1. Зависимости ( и
раздела воздух-стекло.
( для границы
ломлённая волна будут
частично поляризованы.
)
7
Стр.7
Экспериментальная установка
Лабораторная работа выполняется на модульной экспериментальной
установке ЛКО-1 (см. рис. 2). Источником оптического излучения является
полупроводниковый лазерный диод «1» с длиной волны излучения
, который находится внутри кожуха ЛКО. Блок питания лазера имеет
два режима работы, соответствующих максимальной и минимальной интенсивности
лазерного пучка (переключатель на блоке питания имеет положения,
соответственно, «Max» и «Min»). Лазерный пучок отклоняется
зеркалом «2» на угол
и проходит вдоль оптической скамьи «3» с измерительной
шкалой, на которой устанавливаются дополнительные элементы
(модули) необходимые для проведения измерений. Юстировка лазерного
пучка по горизонтали и вертикали осуществляется винтами «4.1» и «4.2».
5
2
7
6
фп
Рис. 2. Модульная экспериментальная установка ЛКО-1.
Для измерения светового потока оптического излучения используется
фотоприёмник «5», сигнал с которого поступает на регистрирующий цифровой
прибор «6».
8
лазер
сеть
3
Стр.8
Для выполнения данной лабораторной работы необходимо получить у
лаборанта следующие дополнительные элементы:
1) поляризатор – модуль 12;
2) поворотный столик – модуль 13;
3) стеклянную треугольную призму – вставка 9.
Внутри корпуса ЛКО-1 находится ещё один, He-Ne лазер, который в
данной работе не используется. Поэтому прежде чем включать кабель
питания ЛКО в сеть, следует проверить, чтобы тумблеры «сеть» и «лазер»
были в положении «выключено», а рукоятка «7» находилась в горизонтальном
положении.
Задание 1. Определение показателя преломления стекла призмы по
углу Брюстера
В этом задании необходимо определить показатель преломления
стекла треугольной призмы (вставка «9»). Схема опыта представлена на
рис. 3.
экран
Рис. 3. Схема опыта по определению показателя преломления стекла.
ный диод;
поворотное зеркало;
на поворотном столике 13.
Как указывалось выше, параллельная компонента (линейно поляризованный
свет, вектор колеблется в плоскости падения) не отражается при
падении света на границу раздела двух диэлектриков под углом Брюстера.
9
поляризатор;
лазерстеклянная
призма
Стр.9
Если зафиксировать угол падения, при котором отражение параллельной
компоненты не происходит, то можно исходя из формулы (5) определить
отношение показателей преломления для границы раздела двух диэлектриков.
В нашем случае это граница раздела воздух-стекло (
,
). Таким образом, показатель преломления стекла призмы
.
(7)
Порядок выполнения задания 1
1. Снять фотоприёмник «5» с направляющей полосы задней стенки
макета ЛКО-1 и положить его на дно макета (в этом задании фотоприёмник
не используется).
2. Включить в розетку блок питания полупроводникового лазера и перевести
переключатель блока питания в положение «Max». Осторожно, по
очереди вращая винты «4.1» и «4.2» добиться, чтобы пучок лазерного излучения
попадал в центр предметного креста на правой боковой стенке ЛКО.
3. Установить на оптическую скамью поляризатор (модуль «12») и
. Конструкция модуля «12»
зафиксировать его винтом на отметке
позволяет поворачивать поляризатор вокруг падающего на него пучка оптического
излучения. Плоскость поляризатора, т. е. плоскость в которой
колеблется вектор
пропущенного поляризатором света, соответствует
ориентации рукоятки поворота поляризатора.
Для получения параллельной компоненты следует установить покруговой
шкалы (вектор пропущенного поляризатор
на отметку
ляризатором света будет колебаться в горизонтальной плоскости).
4. Установить на оптическую скамью поворотный столик (модуль
«13») и зафиксировать его положение на отметке 30 см винтом. Установить
стеклянную треугольную призму на поворотном столике (вставка «9»).
10
Стр.10