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1、_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
2、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%n2 cos 1n1 cos2rpn2 cos 1n1 cos 2%n1 cos 1n2 cos2rsn1 cos 1n2 cos2tan(tan(sin(sin(12 )12 )2 1)2 1)t%p2n1 cos 1n2cos 1n1 cos2t%s2n1 cos 1n1 cos 1n2 cos2为了得
3、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 .精品资料_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tan( 21 ),代入折射定律n1 sin i1n2 sini2 , 可得 , 布儒斯特角p arctann2 n1于是 , tan Pn2, 此关系式称为布儒斯特定律. 由此n1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 .tan又由sinsinn2Pn1 ( 2 为折射角 ) 可知 , sin 2cos P , 即此时 2
4、 P, 反射光与折射光相互垂直 .Pn222 n12、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、仪器摆放于调节光具座的两端分别放置传感器与激光器. 转动分光
5、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 .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.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 . 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 调节实验光强打开计算机与PASCO500 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.将准直狭缝调节到”4 号 ”,并放置在光具座的中间位置
6、( 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.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精品资料_大于 50
7、% , 本次实验选取值大于80% .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I0 .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 I1 . 回车后 , 查看此时的光照强度比值R= I1 .I 0继续转动光传感器, 并重复步骤、 . 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
8、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% .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AngleTotalLightPolarizedLightRatio(deg)(%)(%)(%)80.03382.2016.10019.58675.06752.508.11012.97670.03342.203.7508.88665.10030.
9、701.2103.94160.03321.900.3641.66258.03320.400.1820.89256.03316.300.1300.79854.03312.200.3142.57452.00012.800.5073.96150.00011.700.7546.44445.06710.000.9009.00040.0008.201.34016.34135.0337.951.58019.87430.2337.852.17027.643Ratio-Angle实验散点图精品资料_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
10、镜的布儒斯特角p 56.033依据布儒斯特定律 tan Pn2, 得到 D 型棱镜的折射率n1n2n1 tan p1.00278 tan56.033o1.49【实验结论】1 、本次实验, 利用 PASCO500 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n 1.49 .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n 1.49 . 由nn1 tanp1.00278 tanp 可知 , 实验所测得的D 型棱镜布儒斯特角偏小了.误差分
11、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 n1 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 n1 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tan Pn2 , 由于入射角介于0 90o , tan 随入射角而上升 . 水的折射率约为n14小于玻璃
