透明介质布儒斯特角的测定
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26利用布儒斯特定律测量玻璃折射率选26利用布儒斯特定律测量玻璃折射率3-4选择性实验:二十六利用布儒斯特定律测量玻璃折射率一、目的要求利用光反射后的起偏振作用,应用布儒斯特定律测量平面玻璃对钠光的折射率。
实验要求达到:1.认识光的偏振特性。
2.学会分光仪的调节方法。
3.理解和正确判断布儒斯特角的反射位置。
二、仪器设备分光仪、平面反射镜(或棱镜)、检偏器、钠光灯。
三、参考书目1.程守洙、江之永:《普通物理学》第三册(第三版),p.214-218。
2.杨之昌、王潜智、邱榴贞:《物理光学实验》上册,p.198-205。
3.R·M·惠特利、J·亚伍德:《伦敦工学院200个物理实验》,p.166-168。
4.李允中、潘维济:《基础光学实验》,p.107-114。
5.A·M·波蒂斯、H·D·杨:《大学物理实验》,p.219-224。
6.D·哈里德、R·瑞斯尼克:《物理学》第二卷第二册,p.577-579。
四、实验原理光是电磁波,是横波。
凡振动仅限于光传播方向平面内的一个固定方向,这种光称为偏振光。
一个原子或分子在某一瞬间所发出的光(亦称波列)是偏振光。
然而各原子或分子各自发出的光其振动方向各不相同,因而它们的组合——自然光是非偏振的,且没有一个振动方向占有优势。
实验证明,自然光在两种媒质的界面上反射或折射时,发射光或折射光都将成为部分偏振光(即某一振动方向上占优势)。
图1就是在空气与玻璃界面上(MM’)自然光经反射和折射后光振动的变化情况。
图中黑点表示垂直纸面的振动方向,短线表示平行于入射面的振动方向,它们的多寡反映了两个方向的强弱。
从图中可以看到,自然光从空气入射到玻璃后,反射光R中垂直纸面的振动占优势,而折射光R’中平行入射面的振动占优势,它们都变成了部分偏振光。
这一实验事实可用菲涅耳公式加以证知。
实验还发现,反射光和折射光的偏振化程度还与入射角i密切相关。
三棱镜折射率测定的不同方法比较姓名:YUE摘要:折射率为一光学常数,它表示光在介质中传播时,介质对光的一种特征。
折射率是反映透明介质材料光学性质的一个重要参数。
测量三棱镜的折射率,常用的方法很多,其中最小偏向角法和布儒斯特角法是大学物理中运用到的两个重要实验,此外还可以利用临界角法(全反射法)来测量三棱镜的折射率。
根据对这三种方法的实验原理、实验步骤以及对实验的误差进行分析比较,总结得出各种测量方法的优点与缺点。
关键词:最小偏向角;布儒斯特角;临界角;折射率引言在生产和科学研究中往往需要测定一些固体和液体的折射率。
三棱镜的折射率可以用很多方法和仪器来测量,方法和仪器的选择取决于对测量结果精度的要求。
在分光计上用最小偏向角法测量棱镜的折射率可以达到较高的精度,所测折射率的大小不受限制。
同时最小偏向角法还可以用来测定光栅常数。
因此,学习和掌握三棱镜最小偏向角的测量原理和方法,有很大的实用意义。
布儒斯特角法测量三棱镜折射率原理简单,过程复杂。
一般对布儒斯特角的测量,利用高校物理实验室都有的测量液体折射率实验装置,可以既简单又较精确地测量布儒斯特角,并验证布儒斯特定律。
但是一般实验中常利用目测消光的方法来测量,由于目测的不精确性就给结果造成了较大的误差。
所以在实验中我们利用功率功率激光探头来测量光强,减小实验误差。
临界法(全反射法)属于比较测量,利用光学中的全发射,光从三棱镜射入空气中,入射角为某一数值时,会发生全反射,而且这种方法的实验步骤与最小偏向角法相似,操作过程简单。
一、实验原理1.1 分光计简介分光计是一种常用的光学仪器,实际上就是一种精密的测角仪。
在几何光学实验中,主要用来测定棱镜角,光束偏向角等,而在物理光学实验中,加上分光元件(棱镜、光栅)即可作为分光仪器,用来观察光谱,测量光谱线的波长等。
分光计的测量原理:光源发出的光经过准直管后变成平行光,平行光经载物台上的光学元件折射、反射或衍射后改变了传播方向,绕中心转轴转动的望远镜先后接收到方向没有改变和改变后的平行光,然后由读数圆盘读出望远镜前后两个位置所处的角度,即可由相关公式计算出望远镜的转动角度。
实验四用掠入射法测定透明介质的折射率折射率是光学材料的重要参数之一,在科研和生产实际中常需要测量它。
测量折射率的方法可分为两类:一类是应用折射定律及反射、全反射定律,通过准确测量角度来求折射率的几何光学方法,比如最小偏向角法、掠入射法、全反射法和位移法等。
另一类是利用光通过介质(或由介质反射)后,透射光的位相变化(或反射光的偏振态变化)与折射率密切相关的原理来测定折射率的物理光学方法,比如布儒斯特角法、干涉法、椭偏法等。
本实验介绍用掠入射法测定物质的折射率【实验目的]1了解阿贝折射仪的结构和测量原理,熟悉其使用方法;2用阿贝折射仪测量液体的折射率和固体的折射率;3用掠入射法测定玻璃棱镜的折射率。
【仪器用具]分光计,钠灯,阿贝折射仪,待测液体(水、酒精),毛玻璃片,玻璃棱镜。
【仪器描述]阿贝折射仪是测量物质折射率的专用仪器,它能快速而准确地测出透明、半透明液体或固体材料的折射率(测量范围一般为1.300~1.700),它还可以与恒温、测温装置连用.测定折射率随温度的变化关系。
阿贝折射仪的光学系统由望远系统和读数系统组成,如图l 所示。
望远系统。
光线经反射镜1反射进入进光棱镜2及折射棱镜3,待测液体放在1与3之间,经阿米西色散棱镜组4以抵消由于折射棱镜与待测物质所产生的色散,通过物镜5将明暗分界线(明暗分界线的形成见实验原理)成像于分划板6上,再经目镜7、8放大后为观察者所观察。
图1读数系统。
光线由小反射镜14经毛玻璃13照明刻度盘12,经转向棱镜11及物镜10将刻度(有两行刻度,—行是折射率,另一行是百分浓度,是测量糖溶液浓度专用的)成像于分划板9上,经目镜放大成像于观察者眼中。
阿贝折射仪的外形结构如图2所示。
【实验原理]阿贝折射仪是根据全反射原理设计的,有透射光(掠入射)与反射光(全反射)两种使用方法。
1.测定液体的折射率若待测物为透明液体,一般用透射光即掠入射方法来测量其折射率。
阿贝折射仪中的阿贝棱镜组由两个直角棱镜(折射率为n)组成,一个是进光棱镜,它的弦面是磨砂的,其作用是形成均匀的扩展面光源。
透明介质折射率的测定实验报告一、实验目的本实验旨在通过测量透明介质的折射角和入射角,计算出其折射率,并掌握利用反射法和折射法测量透明介质折射率的方法。
二、实验原理1. 折射定律:当光线从一种介质斜入另一种介质时,入射角i、折射角r和两种介质的折射率n1、n2之间有如下关系:n1sin i = n2sin r2. 反射定律:光线从一个介质到另一个介质时,入射角i、反射角r和两种介质的折射率n1、n2之间有如下关系:i = r3. 透明介质的折射率计算公式:n = sin i / sin r三、实验器材与药品1. 光源(白炽灯或激光器)2. 透明平板(玻璃板或亚克力板)3. 光学平台4. 直角三棱镜5. 半圆筒形物体(如半圆柱形玻璃棒)6. 量角器或反光镜四、实验步骤与注意事项1. 反射法测量透明介质折射率(1)将直角三棱镜放在光学平台上,调整其位置使得光线垂直入射。
(2)在直角三棱镜的一侧放置透明平板。
(3)将光源对准直角三棱镜的另一侧,发出光线照射到透明平板上。
(4)通过调整透明平板的位置和角度,使得反射光线与入射光线重合,利用量角器或反光镜测量反射角和入射角。
(5)根据反射定律计算出折射角,再根据透明介质的折射率计算出其折射率。
2. 折射法测量透明介质折射率(1)将半圆筒形物体放在光学平台上,并加入足够的水或其他液体。
(2)将光源对准半圆筒形物体中心,发出光线照射到半圆筒形物体中心处。
(3)通过调整观察位置和半圆筒形物体的位置和倾斜角度,使得入射光线和折射光线重合,利用量角器或反光镜测量入射角和折射角。
(4)根据折射定律计算出透明介质的折射率。
注意事项:(1)实验过程中要保持光源、透明介质和测量仪器的稳定位置,避免震动和晃动。
(2)实验时要注意保护眼睛,避免直接观察强光源。
(3)测量时要注意读数精度,尽可能减小误差。
五、实验结果与分析1. 反射法测量透明介质折射率(1)利用反射法测量玻璃板的折射率,得到入射角为30°,反射角为30°,计算出其折射角为41.81°,从而得到其折射率为1.51。
浅谈布儒斯特角及其光学应用作者:周泓宇樊智慧来源:《科技资讯》 2012年第18期周泓宇樊智慧(大连理工大学物理与光电工程学院辽宁大连 116024)摘要:本文旨在介绍与布儒斯特角相关的实验概念,由其计算和测量介绍开始,进而展示光学实验中的广泛应用和实际价值。
关键词:布儒斯特角 CCD 片堆布儒斯特窗中图分类号:O437 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)06(c)-0222-02根据我们熟悉的菲涅尔定律可知,自然光在电介质界面上反射和折射时,一般情况下反射光和折射光都是部分偏振光,而在应用中我们常需要具有特定偏振方向的光。
英国物理学家D.布儒斯特于1815年发现,当入射角为某特定角时反射光才是线偏振光,其振动方向与入射面垂直,此特定角称为布儒斯特角或起偏角,用θb表示。
此规律称为布儒斯特定律。
实验和麦克斯韦定律均验证了定律的正确性。
布儒斯特角相关概念很多,下面列出常用的相关定义。
布儒斯特角(Brewster angle):亦称作偏振角,偏化角或者起偏角。
当自然光从介质a(折射率为)射入介质b(折射率为,且>)时,若入射角为arctan(/),则反射光是线(面)偏振的,而其电矢量振动面与入射面垂直(s光),此时入射角就称为布儒斯特角。
布儒斯特角起偏器(Brewster angle polarizer):现多用多层薄膜代替玻璃来做布儒斯特角起偏器。
其中一种用BK7玻璃(折射率为1.51)作为基片,在其上涂上到高折射率二氧化钛(2.25)和低折射率(1.45)的二氧化硅多层膜,以56.5°角入射,效果很好。
因其有多层高低折射率膜,故又称为薄膜偏振器,与常见的二向色微晶制成的所谓“人造”偏振片有别。
布儒斯特定律(Brewster law):当光从介质a(折射率为)射入介质b(折射率为,且>)时,若入射角为arctan(/),则反射光是线(面)偏振的,而其偏振面与入射面平行,此时入射角就称为布儒斯特角或起偏角。
实验十一偏振现象的观察及分析光波是电磁波,其电矢量的振动方向垂直于传播方向,是横波.由于普通光源各原子分子发光的随机和无序性,光波电矢量的分布(方向和大小)对传播方向来说是对称的,反应不出横波特点,这种光称为自然光.如果限制了某振动方向的光而使光线的电矢量分布对其传播方向不再对称时,这种光称为偏振光.对于偏振现象的研究在光学发展史中有很重要的地位,光的偏振使人们对光的传播(反射、折射、吸收和散射)规律有了更透彻的认识,本实验将对光偏振的基本性质进行观察、分析和研究.1. 观察光的偏振现象,掌握产生和检验偏振光的原理和方法,学会确定偏振片的透振方向,验证马吕斯定律;2.用反射起偏法测量平面玻璃的布儒斯特角,求得玻璃的折射率;3.了解λ/4波片、λ/2波片的工作原理和作用(任选其中部分内容);光具座,He—Ne激光器,光点检流计,光电转换装置,GPS-Ⅱ型偏振光实验仪(包括偏振片×2,λ/4波片×2,λ/2波片×2,背面涂黑的玻璃片及刻度支架,小孔光阑,白屏).图1 实验仪器(重拍)偏振片及刻度旋转装置:由直径为2cm的偏振片固定在转盘上制成,转盘上指针的位置不一定是偏振片的透振方向.波片及刻度旋转装置:由直径为2cm 的波片固定在转盘上制成,转盘上指针的位置不一定是波片的快轴或慢轴的位置.从自然光获得偏振光的办法有3种,即利用二向色性的材料制作的偏振片;利用晶体的双折射性质做成的偏振棱镜;利用光学各向同性的两介质分界面上的反射和折射.本实验中所用的偏振片是利用二向色性的材料制作的.一、起偏、检偏及马吕斯定律将自然光变成偏振光的过程称为起偏,检查偏振光的装置称为检偏.按照马吕斯定律,强度为I 0的线偏振光通过检偏器后,透射光的强度为:20cos I I θ= (12-1) 式中I 0为入射线偏光的光强,θ为入射光偏振方向及检偏器透振轴之间的夹角.显然,当以光线传播方向为轴转动检偏器时,透射光强度I 将发生周期性变化.当θ=00时,透射光强度最大;当θ=090时,透射光强度最小(消光状态);当00<θ<090时,透射光强度介于最大值和最小之间.因此,根据透射光强度变化的情况,可以区别光的不同偏振状态.实验中让入射光共轴依次通过两个偏振片,旋转检偏器,读出不同θ角下出射光的强度,验证马吕斯定律.二、布儒斯特定律和反射光的偏振当自然光在空气中以某角度入射至折射率为n 的透明介质表面时,若反射线及折射线垂直,则其反射光为完全的线偏振光,振动方向垂直于入射面;而透射光为部分偏振光.此规律称为布儒斯特定律,入射角称为布儒斯特角,如图11-2所示.arctgn i b = (12-2)实验中可通过用振动方向垂直于入射面的线偏光入射,再用检偏器检查反射光是否消光来确定布儒斯特角,求出玻璃材料的折射率n.图11-2 布儒斯特定律示意图三、λ/4波片及λ/2波片波片是从单轴晶体中切割下来的平行平面板,其表面平行于光轴.当一束单色平行自然光正入射到波片上时,光在晶体内部便分解为o 光及e 光.o 光电矢量垂直于光轴;e 光电矢量平行于光轴.而o 光和e 光的传播方向不变,仍都及表面垂直.但o 光在晶体内的速度为0v ,e 光的为e v ,即相应的折射率0n 、e n 不同.设晶片的厚度为l ,则两束光通过晶体后就有位相差()r n n e o -=∆λπϕ2 (12-3) ()l n n e -=0λπσ (12-4) 式中λ为光波在真空中的波长.πσk 2=的晶片,称为全波片;ππσ±=k 2的称为半波片(λ/2波片);22ππσ±=k 为λ/4片,上面的k 都是任意整数.不论全波片,半波片或λ/4片都是对一定波长而言.在直角坐标系下,以e光振动方向为横轴,o光振动方向为纵轴,则沿任意方向振动的平行光,正入射到波片的表面后,其振动便按此坐标系分解为e分量和o分量.透过晶片,二者间产生一附加位相差σ,离开晶片时合成光波的偏振性质,决定于σ及入射光的性质.1.偏振态不变的情形:(1)自然光通过任何波片,仍为自然光;(2)若入射光为线偏振光,其电矢量E平行e轴(或o轴),则任何波长片对它都不起作用,出射光仍为原来的线偏振光.2.λ/2波片及偏振光(1)若入射光为线偏振光,且振动方向及晶片光轴成θ角,则经λ/2玻片出射的光仍为线偏振光,但及光轴成负θ角.即线偏振光经λ/2片电矢量振动方向转过了2θ角.(2)若入射光为椭圆偏振光,则经λ/2玻片后,既改变椭圆长(短)轴的取向,也改变椭圆的旋转方向;若入射光为圆偏振光,出射的只是改变了旋转方向的圆偏振光.3.λ/4波片及偏振光(1)若入射光为线偏振光,当θ角为450时,经λ/4波片后的出射光为圆偏振光,其余情况下为椭圆偏振光;(2)若入射光为圆偏振光,则出射光为线偏振光;(3)若入射光为椭圆偏振光,则出射光一般仍为椭圆偏振光,(详见利萨如图11-3).图11-3 同频率、振动方向垂直的两振动合成的利萨如图1.定偏振片光轴:把两个偏振片插入光具座,接入光电转换装置及光点检流计,调至共轴.旋转第二个偏振片,使光屏显示消光,此即表示起偏器的透振轴及检偏器的透振轴相互垂直.再从 =00开始到900每隔100读一个光电流值,用坐标纸作图验证(12-1)式马吕斯定律.2.测量玻璃板的布儒斯特角,求得玻璃的折射率:在上述1的基础上,撤掉检偏器,将装有底座的待测玻璃片插入光具座,共轴调节后,使玻璃板的法线方向及入射光线重合,记录指针的位置.旋转玻璃片所在的平面,用白板跟踪接收反射光.当入射角在某个特定角附近,仔细旋转起偏器,观察接收屏上光强变化,当光强最小时固定起偏器,再微旋玻璃片的方位,找到光强最弱位置;重复上述调整至消光,此时读出光线对玻璃片的入射角即为玻璃板的布儒斯特角;测量5次,根据(12-2)式计算玻璃的折射率.且及标称值作比较,计算标准偏差.3.考察平面偏振光通过λ/2、λ/4波片时的现象:(选做)(1)在两块偏振片之间插入λ/2波片,旋转检偏器一周,观察消光的次数并解释这现象.(2)将λ/2波片转任意角度,这时消光现象被破坏.把检偏器转动一周,观察发生的现象并作出解释.(3)仍使起偏器和检偏器处于正交(即处于消光现象时),插入λ/2波片,使消光,再将转150,破坏其消光.转动检偏器至消光位置,并记录检偏器所转动的角度.(4)继续将λ/2波片转150(即总转动角为30度),记录检偏器达到消光所转总角度.依次使λ/2波片总转角为450,600,750,900,分别记录检偏器消光时所转过的角度.(5)使起偏器和检偏器正交,中间插入λ/4波片,转动λ/4波片使消光.再将λ/4波片转动150,300,450,600,读出相应的光电流,并分析这时从λ/4波片出来光的偏振状态.1.马吕斯定律的验证2.布儒斯特角度的测定3.平面偏振光通过λ/2波片时的现象4.平面偏振光通过λ/4波片时的现象1.仔细阅读偏振光实验指导及操作说明书,操作中注意首先做“消除暗电流记录”的测试前准备;每步实验前在光具座上用小孔屏调整光路共轴;2.检测光电流时必须确认表针基本停稳后才可以读数(或指针波动大时估读中间值).偏振光最普遍的来源之一是自然光经电介质表面反射这个无所不在的物理过程.人类生活中来自玻璃、水面等所有表面的反射光和散射光,一般都是部分偏振光.这个规律是马吕斯在1808年开始研究的.巴黎科学院悬赏征求双折射的数学理论,马吕斯就着手研究这个问题.一天傍晚,他站在家中的窗户旁边研究方解石晶体.当时夕阳西照,夕阳从离他家不远的卢森堡宫的窗户上反射到他这里来.他拿起了方解石晶体,通过它观察反射来的太阳的像.使他感到意外的是当转动方解石晶体时,双像中的一个像消失了.太阳下山之后,夜里他继续观察从水面上和玻璃面上反射回来的烛光来核实他的实验.用一支蜡烛和一片玻璃试一试,把玻璃放在θP≈56°时消光效果最显著.但在近掠入射时,两个像都很明亮,无论怎样转动晶体,哪个像都不会消失.马吕斯显然很幸运,站在对着宫殿窗户的一个恰当的角度上.致使他发现了偏振光的规律.普通非晶体材料受到应力时变成各向异性,有双折射.用偏振光的干涉条纹分布的疏密和走向来确定材料的内应力大小.电光开关是指电场使某些各向透明的介质变为各向异性,使光产生双折射,称kerr effect,用电信号控制光信号.光电偏振研究在光调制器、光开关、光学计量、光信息处理、光通信、激光和光电子学器件、晶体性质研究和实验应力分析等技术中有广泛的应用.中学物理课标对偏振及相关内容的要求是:1.通过实验认识光的干涉、衍射、偏振现象以及在生活、生产中的应用;2.用偏振片观察玻璃面反射光、天空散射光的偏振现象;3.用偏振片鉴别普通玻璃和天然水晶,探究这种技术的物理原理.本实验的构思亮点:因为不加布儒斯特窗的半导体激光器发出的光其振动方向及自然光相似,细光束的传播方向集中,使实验操作极大简化,物理思路更加清晰;光具座上可供选择的内容开放,可增加学生的动手动脑兴趣.(零点测量法)操作难点:微电流读数受环境和仪器的影响因素较多,难以准确读数,偏振元件旋转角度最小分度1°,组装粗糙,影响了测量精度. 1.本实验为什么要用单色光源照明?根据什么选择单色光源的波长?若光波波长范围较宽,会给实验带来什么影响?2.在确定起偏角时,若找不到全消光的位置,根据实验条件分析原因.3 .三块外形相同的偏振片、1/2波片、1/4波片被弄混了,能否把它们区分开来?需要借助什么元件?若能,试写出分析步骤.4. 在透振方向互相垂直的起偏和检偏两片偏振片中插入1/2波片,使光轴和起偏器的透振方向平行,那么透过检偏器的光是亮还是暗?为什么?将检偏器旋转90度,透出的光亮暗是否变化?5.波片加工精度和激光波长漂移会对1/4波片产生的光程差带来误差.试根据波片对线偏振光产生的位相差和光程差公式,对波片厚度和激光波长作一个半定量的估计一般以1/2波长为限.6.已知什么量?哪个是待测量?如何控制变量?关注检流计的量程并做适当调节.按要求处理实验数据,完成实验报告.7.本实验还有哪些操作难点?针对操作难点,摸索并掌握正确的调节的方法.尝试设计实验,探究圆偏振光、椭圆偏振光的产生和检验方法,并完成实验.。
1、一束光垂直入射在偏振片上,以入射光线为轴转动偏振片,观察通过偏振片后的光强变化过程。
如果观察到光强不变,则入射光是什么光如果观察到明暗交替变化,有时出现全暗,则入射光是什么光如果观察到明暗交替变化,但不出现全暗,则入射光是什么光 【答案:自然光;完全偏振光;部分偏振光】详解:当一束光垂直入射在偏振片上时,以入射光线为轴转动偏振片,如果观察到通过偏振片后的光强不发生变化,入射光是由自然光;如果观察到光强有明暗交替变化,并且有时出现全暗,则入射光是完全偏振光;如果观察到光强有明暗交替变化,但不出现全暗,则入射光是部分偏振光。
2、一束光是自然光和线偏振光的混合光,让它垂直通过一个偏振片。
若以此入射光束为轴旋转偏振片,测得透射光强度最大值是最小值的5倍,那么入射光束中自然光与线偏振光的光强比值为多少 【答案:1/2】详解:设该光束中自然光和线偏振光的强度分别为I 1和I 2。
当以此入射光束为轴旋转偏振片时,透射光强度的最大值和最小值分别为21max 21I I I +=1min 21I I = 依题意有I max =5I min ,即12121521I I I ⨯=+ 解之得2121=I I 即入射光束中自然光与线偏振光的光强比值等于1/2。
3、一束光强为I 0的自然光相继通过三个偏振片P 1、P 2、P 3后,出射光的光强为 。
已知P 1和P 2的偏振化方向相互垂直,若以入射光线为轴旋转P 2,要使出射光的光强为零,P 2最少要转过多大的角度【答案:45°】详解:由于P 1和P 2的偏振化方向相互垂直,而自然光相继通过三个偏振片后的光强不等于零,说明自然光通过偏振片的顺序为P 1、P 3、P 2。
如图所示,设偏振片P 1和P 3的夹角为,由马吕斯定律得出射光强为)09(cos cos 2220θθ-=I I θ2sin 820I= 由于I = ,代入上式解得45=θ要使出射光强为零,应使P 2和P 3的偏振化方向垂直,因此P 2最少要转过的角度也等于45°。
用布儒斯特定律测薄膜折射率
张金平
【期刊名称】《物理通报》
【年(卷),期】1996(000)003
【摘要】当光线从介质1射入介质2时,若入射角i=i_B=tg^(-1n2/n1),反射光中只有与入射面垂直的振动r⊥,而平行分量r∥=0,这就是布儒斯特定律,i_B即是布儒斯特角。
直接利用布儒斯特定律测定介质或薄膜的折射率可采用以下步骤:以一束振动方向平行于入射面的线偏振光,从空气(n_1=1)中入射到折射率为n的介质或薄膜上,当入射角为布儒斯特角时。
【总页数】2页(P12-13)
【作者】张金平
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】O484.41
【相关文献】
1.应用布儒斯特定律测定玻璃的折射率 [J], 关小泉
2.利用布儒斯特定律测玻璃折射率实验过程分析 [J], 王旭;李淼;梁晓东
3.应用布儒斯特定律测定物质折射率的学生实验 [J], 刘光兰
4.利用布儒斯特定律测玻璃折射率实验过程分析 [J], 王旭;李淼;梁晓东
5.基于布儒斯特定律测折射率的实验仪器设计 [J],
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实验题目 透明介质布儒斯特角的测定
【实验目的】
1、掌握布儒斯特角测量原理及实验设计思路.
2、利用PASCO数字实验教学系统测量布儒斯特角.
3、了解布儒斯特角在测量介质折射率中的应用.
【实验仪器】
1、PASCO500仪器系统.
2、He-Ne激光器1架.
3、D形棱镜1个.
4、圆形可调偏振片2片.
5、方形偏振片1个.
6、可调狭缝1个.
7、计算机.
【实验原理】
1、布儒斯特角
当非偏振光在非传导介质表面反射和折射时,使反射光和透射光都会发生偏振,它们的偏振状态取决于光
的入射角以及反射物质的性质.一般情况下,光线斜入射非传导介质表面时,反射光和透射光都是部分偏振光,
且反射光垂直于入射面的电矢量分量比较强,透射光平行于入射面的电矢量分量比较强.但是,当入射角为一
特殊值时,反射光会完全偏振,即反射光为平面偏振光,且其电矢量的振动方向垂直于入射面,该特殊角即称为
布儒斯特角.
根据菲涅耳反射折射公式以及振幅反射率、透射率的定义式,可得
211212
211212
112221
112221
coscostan()coscostan()coscossin()coscossin()psnnrnnnnrnn
11
2112
11
1122
2coscoscos2coscoscospsn
tnnntnn
为了得到一个较为清晰的印象,如下,给出了光从光密射向光疏以及光从光疏射向光密时,不同入射角的强度
反射率图线.
由右图可以看出,存在那么一个角度,当入射角于此
时, p分量的反射率减小为零,此时
21
tan()
,
代入折射定律1122sinsinnini,可得,布儒斯特角
2
1
arctanpnn
于是, 21tanPnn,此关系式称为布儒斯特定律.由此
还可知,若已知介质1的折射率,只需找到对应于介质2的布儒斯特角,便可求出介质2的折射率.
又由21221tansinsinPPnnnn(2为折射角)可知, 2sincosP,即此时22P,反射光与折射光相互垂直.
2、布儒斯特角的测量
光以布儒斯特角入射两个介质表面时,反射光为电矢量的振动方向垂直于入射面的平面偏振光.因此,让反
射光经过一个偏振器,检偏器的偏振方向垂直于入射光的偏振方向,当透射光的强度为零时,则对应的入射角
为布儒斯特角.
但实验时,由于偏振片无法完全消光、外界光照的影响等因素,透射光强度并不能减小到零.实验时,使用经
过偏振片后的光强与无偏振片使得总光强的比值R作为判定依据,当R最小时,即可认为所对应的入射角为
测量介质的布儒斯特角.
【实验步骤】
1、仪器摆放于调节
①光具座的两端分别放置传感器与激光器.转动分光角盘,使转动传感器与光具座平行,此时,分光光度计盘
应指在180°的位置.
②打开激光器,调节激光器后方的XY调节螺丝,使激光正好打在光传感器的狭缝中心.
③将偏振片I转到45 (保证相同的S与P分量),并置于传感器与激光器之间.
④将偏振片II放置于偏振片I与激光器之间,实验时可利用偏振片II调节实验光强
⑤打开计算机与500PASCO型平台,将光电传感器的增益开关打到1档.打开桌面上已经编辑好的”
Brewsters
”文档,点击”启动”按钮,查看此时光传感器所接收到的光强大小.
⑥将准直狭缝调节到”4号”,并放置在光具座的中间位置(偏振片之前).细调准直狭缝,观察屏幕上的示值,使
光电传感器接收到的光强基本达到最大处.
⑦将D型棱镜放置在布儒斯特角盘的阶梯上,调节布儒斯特角盘,使得激光与棱镜直线边平行(即屏幕上光
传感器的示值与没有放上棱镜是基本相同).
至此,仪器调节完毕.再光具座上,仪器的摆放位置应为:激光器-2个偏振片-准直狭缝-分光带盘(带有支臂来
固定光电传感器)- D型棱镜-转动传感器-光电传感器.
2、实验数据采集
①重新点击DataStudio中的”启动”按钮,此时默认初始位置为90.调节偏振片II使刚刚开始时的光强示值
大于50%,本次实验选取值大于80%.
②转动光传感器使DataStudio中的角度示数为80,转动布儒斯特角盘,使得激光束正好被D型棱镜反射到
光电传感器的狭缝中心.在DataStudio软件中,点击”保留”以记录此时反射光的总光强0I.
③将事先准备好的方形偏振片放置在光电传感器前方, 点击”保留”记录下此时反射光经过偏振片后的光
照强度1I.回车后,查看此时的光照强度比值10=IRI.
④继续转动光传感器,并重复步骤②、③.传感器在80到60的范围内,每次转动以5为单位,在60到50的
范围内,每次转动以2为单位,小于50后再以5为单位转动.实验时若光强示数小于10%,则调节光电传感器
上的增益按钮使光强尽量大于10%,但实验过程中光强不可大于90%.
⑤数据采集结束后,查看各个数据所对应光照强度比值R,R最小处所对应的角度,即为本次实验所测得的
棱镜布儒斯特角.
3、实验结束,收拾整理仪器.
【数据处理】
本次实验的实验数据结果如下
布儒斯特角实验数据表格
Angle TotalLight
PolarizedLight
Ratio
(deg) (%) (%) (%)
80.033 82.20 16.100 19.586
75.067 52.50 8.110 12.976
70.033 42.20 3.750 8.886
65.100 30.70 1.210 3.941
60.033 21.90 0.364 1.662
58.033 20.40 0.182 0.892
56.033 16.30 0.130 0.798
54.033 12.20 0.314 2.574
52.000 12.80 0.507 3.961
50.000 11.70 0.754 6.444
45.067 10.00 0.900 9.000
40.000 8.20 1.340 16.341
35.033 7.95 1.580 19.874
30.233 7.85 2.170 27.643
Ratio-Angle实验散点图
依据实验数据,在Ratio取值最小处,激光的入射角度为56.033,即本次实验测得待测D型棱镜的布儒斯特角
56.033p
依据布儒斯特定律21tanPnn,得到D型棱镜的折射率
21tan1.00278tan56.0331.49p
nn
【实验结论】
1、本次实验,利用500PASCO平台与DataStudio数据处理软件,测得待测D型棱镜的布儒斯特角约为56.033.
2、根据实验结果,利用布儒斯特定律,测得待测D型棱镜的折射率1.49n.
3、玻璃的绝对折射率n因玻璃材料配比不同应介于1.5~1.9的范围内,但实验却测得1.49n.由
1tan1.00278tanpp
nn
可知,实验所测得的D型棱镜布儒斯特角偏小了.
误差分析
1、本次实验在布儒斯特角存在的范围附近是以2为一个单位进行调节测量的,由此布儒斯特角测量的最小
分度偏大,导致无法得到精细的布儒斯特角范围.
2、本次实验时发现转动传感器存在某些角度测量时存在可以被感受到的空程差,即虽然在转动光电传感器,
但DataStudio中的角度并无变化.
3、本次实验时,并没有很好地保证外界环境光强不变,同学们经常性的开关门以及用台灯照明灯等都微小地
改变了传感器上的光强.
【思考练习】
1、利用布儒斯特角来确定丙烯酸材料的折射率,此时1n应该是多少?
答: 丙烯酸材料由于无色无味且有毒,所以一般会在表面镶一层玻璃后再保存,故此时的1n应为表面玻璃的
折射率,介于1.5~1.9之间.
2、当光线在水面反射时,其布儒斯特角是更大还是更小?
答:根据布儒斯特定率21tanPnn,由于①入射角介于0~90,tan随入射角而上升.②水的折射率约为
4
3
小于玻璃的折射率.故当光线在水面反射时其布儒斯特角比在玻璃中来的小.