用分光计测定布儒斯特角

用分光计测定布儒斯特角

第20卷第2期2001年6月

　　　　　　　　大连轻工业学院学报　　　　　　　　Vol.20,No.2

JournalofDalianInstituteofLightIndustry

Jun.2001

文章编号:100524014(2001)0220151203

用分光计测定布儒斯特角

王永良,臧淑杰,朱军南

(大连轻工业学院基础教学部,辽宁大连　116034)

Ξ

关键词:偏振光;布儒斯特定律;分光计;折射率

摘要:利用高校物理实验室都有的分光计实验装置,在望远镜前端加一偏振片,稍做改动,即可观

察光在各向同性介质分界面上反射和折射时的偏振现象,又可以既简单又精确地测量布儒斯特角,并验证布儒斯特定律。所测实验结果与其他精密实验所得结果相当吻合,其相对百分误差不足0.4%。

中图分类号:O436.1　　　　　　文献标识码:A

MeasurementofG,ZANGShu2jie,ZHUJun2nan

ofSubjects,DalianInst.ofLightInd.,Dalian116034,China)

Keywords:light;Brewster’slaw;spectrometer;indexofrefraction

Abstract:Weproposeasimpleandaccurateenoughexperimentwithspectrometer,byaddingapolaroidonthefrontofthetelescope.Withthisexperimentwecanobservethepolarizedlightproducedbyreflectionandrefractionfromthemediumhavingthesameopticalcharacterineverydirection.Brewster’sangleismeasuredusingthisapparatusandBrewster’slawisverifiedbytheresult.Theexperimentdatadeviateslessthan0.4%fromthatobtainedbypreciseexperiment.

　　光的干涉和衍射现象证明了光的波动性质,

物理实验中有关干涉和衍射的实验题目是很多的,光的偏振现象则证实了光是横波[1],对光波偏振性质的研究不仅使人们加深了对光的传播规律和光与物质相互作用规律的认识,而且在光学计量、光弹技术、薄膜技术等领域有着重要的应用。但物理实验中研究偏振光的实验题目较少,本文提出了一种原理简单易懂、实验结果准确的研究偏振光的实验方法。

2　实验原理

光波是一种特定频率范围内的电磁波,在这种电磁波中起光作用的主要是电场矢量,因此,电场矢量又称为光矢量。由于光波是横波,所以光波中光矢量的振动方向和光的传播方向垂直。我们平时所见的光源,它们的发光机理是由为数众多的原子或分子等的自发辐射,在垂直于其传播方向的平面内,光波沿各个方向振动的光矢量都有,平均来讲,光矢量的分布各向均匀,而且各个方向光振动的振幅也相同,这种光叫做自然光。如果在垂直于其传播方向的平面内,光波的光矢量只沿一个固定的方向振动,这种光叫做完全偏振光,又称为线偏振光。介于完全偏振光和自然光之间的情形,叫做部分偏振光[2]。

1　实验仪器

(1)FGY201型分光计;

(2)钠光灯;

(3)偏振片及固定装置;(4)三棱镜。

Ξ

收稿日期:2001203230

作者简介:王永良(1963～),男,副教授.

用分光计测定布儒斯特角

第20卷　　　　　　　　　　　大　连　轻　工　业　学　院　学　报　　　　　　　　　　　　　152

在光学实验中,常用某些装置完全或者部分

移去自然光中两相互垂直的分振动之一,就可获得完全或着部分偏振光。从自然光获得偏振光的过程叫做起偏;获得偏振光的器件或装置叫做起偏器。起偏器有多种,例如,利用光的反射和折射起偏的玻璃片;利用晶体的双折射特性起偏的尼科耳棱镜以及利用晶体的二向色性的各类偏振片等[3]。

当一束自然光在两种不同性介质的分界面上反射和折射时,不但光的传播方向要改变,而且其偏振状态也要发生变化。一般情况下,反射光和折射光不再是自然光,而是部分偏振光。在反射光中垂直于入射面的光振动多于平行振动,而在折射光中平行于入射面的光振动多于垂直振动,如图1所示,有关。当入射角等于某一特定值0tgi0=n2/n

+i0角,[4],如图2所示。

让其入射角大约为60°;转动望远镜找到反射光

线,如图3所示。

图3　

,慢慢转动偏

,,可以看到反射光。这就说明了反射光是部分偏振光,继续仔细观察,当发现光线强度最弱时,固定偏振片。这时就说明偏振片的偏振化方向与入射面平行。继续慢慢转动载物台,即不断改变入射角,此时望远镜中的反射光的光强度也不断变化,当载物台转到某一位置时,望远镜中的反射光线将完全消失,这时的反射光为完全偏振光,如图4所示,先固定载物台,然后转动或者取

图

1　自然光反射和折射后产生部分偏振光

图4　布儒斯特角的测定位置

下偏振片,在望远镜中重新看到反射光线,并让其与望远镜的叉丝重合。通过分光计的读数窗口读

出该位置的两游标读数θ1和θ2;然后取下三棱镜,转动望远镜使它直接对准平行光管,并使入射光线与望远镜的叉丝重合,再次读出对称的两游标的读数θ和θ。由此可知:1′2′θ=[|

θ|+|θ|]1-θ1′2-θ2′2布儒斯特角

图2　起偏振角

3　布儒斯特角的测定

分光计是用来准确测量角度的仪器,用钠光

灯做光源,调好分光计,把三棱镜放在载物台上,

用分光计测定布儒斯特角

第2期　　　　　　　　　　　　　　　王永良等

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　　　　　　　i0=

(180°)-θ2

两者比较,其测量结果的相对百分误差

Er=

=　　　　　　　　　　n×100%=

1.51513

表1　反射光线与入射光线间夹角的实验数据

次数

12345

θ1θ2θ1′θ2′

40°19′40°19′40°20′40°19′40°18′

θi

67°5′67°10′67°0′67°4′67°1′

287°23′107°24′220°18′287°28′107°29′220°18′287°19′107°20′220°19′287°22′107°23′220°18′287°18′107°19′220°17′

0.4%

4　结　　论

分光计是一种准确测量角度的实验仪器,所

有高校物理实验室都有这种仪器,用分光计开设的主要实验是用最小偏向角法测量三棱镜的折射率,如果在分光计的望远镜上加一偏振片,就可以,。,而且可以,加深。

　　计算结果如下:

θ=(θ+θ4′2+θ3+θ4+θ5)=67°51

(180°)=56°i0=-θ28′=56.467°2由

n得

n2=tg56.467°=1.50895

参考文献:

[1]李学彗.新编物理实验[M].大连:大连理工大学出版

其中:n1为空气的折射率,近似为1;n2是三棱镜的折射率。

该实验所用的三棱镜的折射率可以用大家公认的准确度较高的最小偏向角法来测量[5]。用该方法测出的三棱镜对黄光的最小偏向角δmin=38°30′;等边三棱镜的顶角A=60°。

sin(A+δmin)n==1.51513

sin(A/2)

社,1999.191-197.

[2]张三彗.波动与光学[M].北京:清华大学出版社,

2000.223-245.

[3]吴百诗.大学物理[M].西安:西安交大出版社,1994.

238-244.

[4]姚启钧.光学教程[M].北京:人民教育出版社,1981.

278-284.

[5]马和平.大学物理实验[M].长春:东北师大出版社,

1996.112-117.