Изучение явления электропроводности Изучение явления внешнего фотоэффекта Тормозное рентгеновское излучение Молекулярные спектры

Лабораторная работа № 5-8

Изучение закона Малюса

Цель работы: изучение явления поляризации света, проверка закона Малюса.

Оборудование: полупроводниковый лазер, блок питания, поляроид с лимбом, фотодиод, микроамперметр.

Введение

Свет представляет собой электромагнитные волны, в которых напряженность электрического поля , напряженность магнитного поля  и скорость распространения  взаимно перпендикулярны и образуют правовинтовую систему (рис. 1).

Вместе с тем световые волны, излучаемые обычными источниками, не обнаруживают асимметрии относительно направления распространения. Это связано с тем, что свет слагается из множества цугов волн, испускаемых отдельными атомами. Направление колебаний векторов  и  для каждого цуга случайное, и потому в результирующей волне колебания различных направлений представлены с равной вероятностью. Таким образом, естественный свет – есть совокупность электромагнитных волн со всеми возможными направлениями колебаний, существующими одновременно или быстро и беспорядочно сменяющими друг друга; совокупность эта статистически симметрична относительно луча, т.е. характеризуется неупорядоченностью направлений колебаний (рис. 2).

Пример. В системах теплоснабжения применяются водогрейные котлы. Определить степень эффективности  водогрейного котла, обеспечивающего подогрев циркуляционной воды в системе теплоснабжения от  до , если потери тепла в трубопроводах подачи составляют 30%. Топливо- природный газ; теплота сгорания  МДж/кг. Температура окружающей среды . За счет установки эффективных газовых горелок удалось довести значение энергетического к.п.д. котла   до 95%.

Свет, в котором колебания вектора , а следовательно, и вектора  проходят только в одной неподвижной плоскости, называют плоско- (линейно) поляризованным. Плоскость, в которой колеблется вектор , называется плоскостью поляризации.

Устройство для получения полностью или частично поляризованного оптического излучения называется поляризатором. Поляризатор свободно пропускает колебания, параллельные плоскости, называемой плоскостью поляризатора, и задерживает колебания, перпендикулярные этой плоскости.

Если плоскополяризованный свет с амплитудой электрического вектора 0 падает на анализатор (это поляризатор, используемый для анализа поляризованного света), то анализатор пропустит только составляющую E║ = E0 cos φ (рис. 3), параллельную плоскости поляризатора. Отношение интенсивности прошедшего J к интенсивности падающего J0 света

.

Напомним, что интенсивность света в данной точке пространства равна среднему по времени потоку энергии через единицу площади перпендикулярно направлению распространения волны и пропорционально квадрату амплитуды вектора Е, т.е. J~2. Учитывая, что E║ = E0 cos φ, получаем .

Это соотношение называется законом Малюса (Э.Л. Малюс, французский физик). Физический смысл этого закона состоит в том, что интенсивность прошедшего через поляризатор поляризованного света пропорциональна квадрату косинуса угла между плоскостями поляризации и поляризатора.

Описание установки

Схема установки показана на рис. 4. Излучение полупроводникового лазера 3 (с блоком питания 1) проходит через поляроид 2, который может вращаться относительно лазерного луча вместе с лимбом 5, где имеется угловая шкала в градусах (примечание: поляроид, поляризационный прибор, пропускающий световые волны, поляризованные в определенной плоскости – плоскости поляризатора). Далее световой луч попадает на фотодиод 6, преобразующий световое излучение в электрический ток, измеряемый микроамперметром 7. Считая зависимость ЭДС фотодиода от интенсивности падающего на него излучения (и соответственно тока) близкой к линейной, можно считать ток микроамперметра пропорциональным интенсивности излучения I = kJ. В этом случае зависимость силы тока I от квадрата косинуса угла между плоскостью поляризации излучения и плоскостью поляризатора описывается зависимостью, соответствующей закону Малюса.

Рис. 4

Порядок выполнения работы

1. Подключить блок питания БП 1 специальной вилкой к напряжению 6В.

2. Включить БП тумблером (2).

3. Направить луч лазера (3) точно в центр лимба с поляроидом на вход фотодиода.

4. Снять показания микроамперметра в зависимости от положения флажка лимба поляроида I (φ). Для этого вращением лимба добиться максимального значения тока и считать соответствующее показание φ0 началом отсчета углового перемещения (φ0 = 0). Вращать лимб, и через каждое деление лимба измерять силу тока до его минимального значения 0. Занести в таблицу измеренные значения.

п/п

φ, град

∆φ = φ – φ0

cos2 ∆φ

I, мкА

5. Построить график I (соs2∆φ) на миллиметровой бумаге. (Убедиться что при ∆φ = 90°, I → min).

6. Найти отношение , занести в таблицу и сравнить с соответствующими значениями строчки cos2 ∆φ.

7. Сделать соответствующие выводы по результатам работы.

Определение длины световой волны при помощи дифракционной решетки Цель работы: изучение явления дифракции света и ознакомление с одним из методов определения длины световой волны при помощи дифракционной решетки.

Определение концентрации растворов при помощи поляриметра Цель работы: ознакомление с вращением плоскости колебаний света в оптически активных веществах и практическим применением данного явления для определения концентрации растворов.

Определить оптическую силу собирающей и рассеивающей линз

Определить показатель преломления жидкости рефрактометрическим методом

Порядок выполнения работы

Внимание! Переключатель П, расположенный на лицевой панели установки, должен находиться  в положении ВАХ!

 Потенциометр R – в крайнем левом положении! Тумблер «Свет» выключен!

1. Включить установку тумблером «Сеть».

2. С помощью потенциометра R установить минимальное напряжение на ФЭ.

3. Установить лампочку на максимальном расстоянии от фотоэлемента. Включить питание лампочки тумблером «Свет». Увеличивая напряжение на ФЭ через 5 – 10 В, записать значения фототока I (показания микроамперметра), соответствующие каждому напряжению.

4. Уменьшая расстояние между фотоэлементом и лампой, провести те же измерения для 5 – 6 расстояний (по пункту 3).

5. Заполнить табл. 2.2 физических величин и постоянных, используемых в работе.

Таблица 2.2

h, Дж×с

e, Кл

Р, Вт

А×103, Вт/лм

Ic, кд

S×104, см2

n, Гц

6. По экспериментальным результатам построить вольт - амперные характеристики (ВАХ). По ВАХ определить участки тока насыщения.

7. По формуле (2.10) рассчитать световой поток Ф и освещенность Е фотоэлемента.

8. По формуле (2.11) определить чувствительность фотоэлемента g для каждой освещенности.

9. По формуле (2.12) оценить квантовый выход фотоэффекта a для различных освещенностей.

10. По результатам проведенных исследований сформулировать первый закон фотоэффекта, подтвердив его графически. Результаты всех измерений и расчетов представить в виде табл. 2.3

Таблица 2.3

r, см

U, В

I, мкА

Ф, лм

Е, лк

g, мкА/лм

a

Da

1)

 1)…

 2)…

 ...

10)

2)

3)

4)

5)

2.3.3. Теоретический минимум

Фотоэлектрический эффект. Внешний, внутренний и вентильный фотоэффекты. Законы внешнего фотоэффекта. Квантовая гипотеза Планка. Квантовая теория фотоэффекта. Формула Эйнштейна. Экспериментальное подтверждение квантовых свойств света. Многофотонный фотоэффект. Фотоэлементы и их устройство. Характеристики фотоэлементов. Применение фотоэлементов.


На главную