透明介质布儒斯特角的测定

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PASC Ｏ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、P ＡＳCO5００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

211212211212

112221112221cos cos tan()cos cos tan()cos cos sin()cos cos sin()p s

n n r n n n n r n n θθθθθθθθθθθθθθθθ--⎧==⎪++⎪⎨

--⎪==⎪++⎩

112112

1111222cos cos cos 2cos cos cos p s n t n n n t n n θθθθθθ⎧

=⎪+⎪⎨

⎪=

⎪+⎩

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

21tan()θθ+=∞,

代入折射定律1122sin sin n i n i =，可得,布儒斯特角

21

arctan p n n θ=

于是, 2

1

tan P n n θ=

，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212

21

tan sin sin P P n n n n θθθ⎧

=⎪⎪

⎨⎪=⎪⎩(2θ为折射角)可知， 2sin cos P θθ=，即此时22P πθθ+=,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=I

R I .

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

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

Ｒa ｔｉo-Angl ｅ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 θ=︒

依据布儒斯特定律2

1

tan P n n θ=

,得到D 型棱镜的折射率 21tan 1.00278tan56.033 1.49p n θ==⨯≈n

【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︒.