Badanie odbicia światła od powierzchni dielektryków.
Falą elektromagnetyczną nazywamy rozchodzące się zaburzenie wzajemnie przenikających się zmiennych pól magetycznego i elektrycznego. Światło jest przykładem takiej fali. Najprostszą do opisu falą jest fala monochromatyczna tzn. zaburzenie okresowe o częstości . Wielkościami opisującymi falę elektromagnetyczną są wektory natężeń pól elektrycznego i magnetycznego. Natężenie pola elektrycznego i magnetycznego w dowolnym punkcie prze -strzeni zmienia się w czasie proporcjonalnie do funkcji cos( t ) i osylacje te przesuwają sie ze stałą prędkością .Wartość zaburzenia przesunie się o x dopiero po upływie czasu t = 
, czyli w chwili t oscylacje są w punkcie x soą opóźnione względem oscylacji w punkcie x=0
dlatego też wektor natężenia pola elektrycznego fali monochromatycznej opisywany jest wzo -rem: 
, gdzie 
jest amplitudą natężenia pola elektrycznego
k=
jest liczbą falową
Wartość pola magnetycznego zmienia się w analogiczny sposób.Ponieważ częstość jest bar -dzo duża, a nie istnieją detektory reagujące na tak szybkie zmiany natężenia pola elektrycznego,
dlatego też wielkością opisującą falę świetlną jest natężenie światła I. Natężnie światła jest
proporcjonalne do kwadratu amplitudy natężenia I~
. Pola elektryczne i magnetyczne są
opisywane przez wektory więc należy określić także ich kierunek. Wektory natężenia tych pól
są względem siebie prostopadłe i porstopadłe do kierunku rozprzestrzeniania się fali. Wyz -naczenie kierunku rozprzestrzeniania się fali nie wyznacza jeszcze dokładnie kierunków wek -
torów natężenia tych pól. Dokładne określenie kierunku tych wektorów wiąże się z pojęciem
Polaryzacją możemy nazwać uporządkowanie wektorów natężenia pól elektrycznego i mag -
netycznego pod względem kierunku tzn. kierunek drgań wektora natężenia pola elektrycznego
i prostopadłego do niego pola magnetycznego jest stały i jednakowy dla wszystkich punktów
na drodze rozchodzenia się fali. Wtedy możemy mówić o polaryzacji liniowej, jednakże wekto -
mogą obracać się wokół kierunku rozchodzenia się fali: wtedy mówimy o polaryzacji kołowej
lub ogólniej eliptycznej.Każdy stan polaryzacji moża uzyskać przez nałożenie dwóch fal spola -
ryzowanych liniowo o odpowiednio dobranej różnicy faz. Do wytwarzania i badania swiatła
spolaryzowanego służą polaryzatory: elementy przepuszczające światło o danym kierunku polaryzacji. Światło niespolaryzowane po przejściu przez polaryzator będzie spolaryzowane w kierunku przepuszczanym przez polaryzator(kierunek ten nazywamy osią polaryzatora).
Gdy oświetlimy polaryzator światłem spolaryzowanym liniowo to przejdzie ono w całości gdy
kierunek polaryzacji pokrywa się z osią polaryzatora, lub gdy kierunek polaryzacji tworzy kąt ,
to jest przepuszczana część fali określona przez rzut wektora natężenia pola fali elektromagne -
tycznej na kierunek osi polaryzatora. Natężenie światła jest proporcjonalne do kwadratu amplitudy, więc natężenie przechodzącego światła przez polaryzator wynosi:
I = 
cos2 ,
gdzie 
jest natężeniem światła spolaryzowanego liniowo. Jest to tzw. prawo Malusa. Prawo
Malusa jest spełnione tylko dla światła spolaryzowanego liniowo( natężenie jest zależne od ką -ta ). Pomiary wykonane do sprawdzenia prawa Malusa są zebrane w tabeli.
Z wyliczeń teoretycznych wynika że natężenie przechodzącego światła zmaleje dwukrotnie
gdy obrócimy polaryzator lub analizator o kąt 45, z naszych danych doświadczalnych wynika,
że natęzenie zmaleje o połowę przy kącie większym od 45.Niedokładności pomiarów wynikają z błędu odczytu fotoprądu, klasy amperomierza, wpływu światła zewnętrznego. Poza tym polaryzatory nie są idealne i przepuszczają częściowo światło o kierunku polaryzacji innym niż określonym przez oś polaryzatora.
Przepuszczając spolaryzowane światło przez koloidalną zawiesinę (w naszym doświadczeniu była to herbata ) zaobserwowaliśmy, że wiązka rozproszona była niewidoczna w kierunku osi polaryzacji. Wynika to z faktu że, że fala elektromagnetyczna jest falą poprzeczną i stąd nie moze sie rozchodzic w kierunku drgań nateżenia pola elektrycznego.
3.Całkowite wewnętrzne odbicie
Zauważylismy także że, wiązka światła padająca na granicę płytka szklana (PS2) - powietrze ulega odbiciu. Przy odpowiednim kącie padania (gr ) możemy zaobserwować zjawisko całkowitego wewnęrznego odbicia, które polega na tym, ze zanika wiązka załamana. Kat pod jakim zachodzi to zjawisko nazywamy kątem granicznym. Korzystając z prawa załamania Snelliusa :
singr = 
, gdzie n1 współczynnik załamania dla powietrza
n2 współczynnik załamania dla substancji
Przyjmując, że współxczynnik załamania dla powietrza jest równy 1otrzymujemy, że
n2 = 
Pozwala nam to obliczyć współczynnik załamania danej substancji. W naszym wypadku kąt graniczny wyniósł 43( 0.75 rad). Podstawiając do otrzymujemy wartość współczynnika
Korzystamy z metody różniczki zupełnej.Wobec tego
Współczynnik załamania substancji wynosi
4.Polaryzacja przez odbicie
W dalszej części ćwiczenia obserwowaliśmy odbicie na granicy powietrze - płytka szklana. Oprócz tego mierzyliśmy natężenie fotoprądu. Wyniki podane w tabeli przedstawiają zależność natężenia prądu dla wiązki spolaryzowanej w płaszczyźnie równoległej do płaszczyzny podania.
Pomiary natężenia prądu w zależności od kąta
|
|
|
|
Odbicie na granicy powietrze - szkło
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Przy kącie padania równym 56.2o nastąpił zanik wiązki odbitej: kąt ten nazywamy kątem Brewstera. Jest to kąt dla którego suma kątów podania i załamania równa się 90o. Ze wzorów Fresnela wynika ze dla (+)=90o 
równa się zero.
(1) , 
(2)
gdzie, 
-współczynnik odbicia dla polaryzacji podającej w płaszczyźnie padania,
-współczynnik odbicia dla polaryzacji prostopadłej do płaszczyzny padania,
-kąt padania, -kat załamania.
Warunek na kąt Brewstera jest następujący:
tgB=
, gdzie n1 współczynnik załamania dla powietrza
n2 współczynnik załamania dla substancji
Przyjmując współczynnik załamania dla powietrza równy 1 otrzymujemy:
W naszym przypadku kąt Brewstera wynosi
Dla tego kąta współczynnik załamania wynosi
,gdzie B -zostało wyznaczone z dołączonego wykresu,
Współczynnik załamania substancji wynosi
Współczynnik załamania wyliczony za pomocą kąta Brewstera pokrywa się z wyliczeniami wcześniejszymi (wyliczony za pomocą kąta granicznego, gdzie n = 1.47 0.04). Możemy z tego wywnioskować, że rzeczywiste n oscyluje w granicach błędu z naszymi wyliczeniami.
Wszystkie obliczenia zostały wykonane za pomocą kalkulatora.
