透明介质布儒斯特角的测定

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1、物理与能源学院光学实验报告专业 物理学学号 报告成绩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】（名称、规格或型号）PASCO数字系统、HE-NE激光器、转动传感器、计算机、光学导轨、度盘台、偏振器（两个），准直缝、 D 形棱镜【实验原理】一. PASCO数字系统简介计算机数据采 集与分析处理 物理量计算机采集实验过程示意图实验仪器传感器Science Workshop 接口物理量计算机采集实验过程示意图 Science Workshop 简介Sc

2、ience Workshop 由三部分组成：传感器利用先进的传感技术可实时采集物理实验中各物理量的数据 计算机接口将来自传感器的数据信号输入计算机 软件具有强大的数据显示、分析功能 Science Workshop 接口PASCO计算机接口有500型、750型两种，如下图所示500 型接口的主要性能有: 数据采集：Science Workshop接口可以直接把采集的数据输入计算机，也可以 只用接口和传感器进行数据采集即在无计算机情况下，用 500 型接口在户外采集 数据，然后再接上计算机进行数据分析。其界面上有A、B、C三个模拟信号通 道和1、2两个数字信号通道，可以同步记录模拟和数字信号，采

3、样频率在10Hz 和 2000Hz 之间可调。 50KB缓存：用于存储运行的数据和实验设置的信息。可记录多达17000个模 拟数据点或者7000个运动传感器的数据点 便携式：带有一个可装4节五号电池的电池室，Science Workshop500型接口可 在实验室以外的任何地方进行数据采集。750 型接口的主要性能有: 数据采集：与500型接口相比，其界面上除了有A、B、C三个模拟信号通道 外，数字信号通道有4个通道，采样频率最高可达250000Hz. 置式1.5W信号发生器：可得到050Hz、1.5W(30mA)的信号输出，输出的电 流和电压可以通过750 接口进行部监控。先进的电路：存和场

4、编程控制阵列系统(FPGA);双端口存(RAM)可直接进行存取(DAM)，有高灵敏SCSI终端。(4)PACCO传感器光传感器 光传感器是用来测量光强的，典型的应用有：测量光的相对强度、光强与距离的 关系、光的干涉与衍射及光的偏振的实验。其测量的波长围是3201100nm，可 测量光强最高为5001X，电压输出05V。转动传感器转动传感器常用来测量位置和转动。主要应用在角动量守恒，质点、盘和环的转动惯量研究，简谐振动研究等实验中。它擅长测量以0.055mm的灵敏度来测量 的线性位置及 0.25的灵敏度来测量的转动动作。其上有一组三级的滑轮，直径 分别是10mm、29mm、48mm,配合一个PA

5、SCO滑轮设备可完成扭矩实验。蚁性运动juM图S-0-8轻功传聲嚣外陋阳杆架炭 /1业畫也盯陨勒柜 /右恻/二報樓驰餐翳曲SCO 這这潇电的邳肓DataStudio软件简介及使用步骤点击计算机桌面上的 DataStudio 软件进入如下界面点击“创建实验”，之后点击“请选择接口”出现如下对话框选择 500 型接口后出现如下对话框在上面的对话框中选择“光传感器”，之后出现如下对话框 在上面对话框中，设置合适的测量单位与米样率，此处测量单位为“光强”， 采样方式为“手动采样” . 再点击通道 1，插入“转动传感器”，选择测量量为“角度”，设置采样方式 为“手动采样”。 拖动步骤对话框左上侧的“光强

6、，通道A”到对话框左下侧的“图标”处， 界面边出现一个二维坐标图。点击二维坐标图的横坐标，将其坐标单位修改为“位置，通道1和通道2”.二布儒斯特角测量原理1 、布儒斯特角当非偏振光在非传导介质（如透明玻璃）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较强，透射光平行于入射面的电矢量分量较强。 但是，当入射角为一个特殊值时，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，该特殊的角度为布儒斯特角。当入射角以 布

7、儒斯特角入射两介质表面时，反射光和折射光成 90。根据菲涅尔定律n sin 0 = n sin 01 1 2 2式中， n、n 分别为介质1介质2的折射率， 0、0 分别为入射角和折射角。1 2 1 2当入射角0 等于布儒斯特角0 如图所示，则上式变为1pn sin 0 = n sin 01 p 2 2由于此时反射光和折射光成90,即0 +0 = 90o，则 p2n sin0 = n cos01 p 2 p即ntan 0 =p n1该式所表示的关系称为布儒斯特定律,由上式发现,若已知介质1的折射率,只需找到对于介质2的布儒斯特角,便可求出介质2的折射率。弁廈71-1非備撮光在介质表断的反射和祈

8、射入射光反射卅2、实验光路示意图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,透射光的强度为零,则对应的入射角为布儒斯特角。实验光 路示意图如图所示,改变不同入射角,测量经偏振器后的对应的反射光的强度, 做出偏振光光强随入射角的变化关系图,可以确定光强最小时的入射角,即布儒 斯特角。利用布儒斯特角可以简单地测量晶体的折射率。比核够器图实豔光略示意图港光髀T-；二北计岸排实验步骤】实验装置如图所示：图71 3 女睑装置虫物图1. 按照如上图所示的实验装置图在光学导轨上依次摆放各个实验仪

9、器。从左到右依次是：激光器、2 个偏振片、准直狭缝、分光角盘（带有支臂用来固定光传感 器）、D形棱镜（放置在分光角盘上）、转动传感眾固定分光臂，用来测量不同 角度的光强）2. 光路调整（1）将两个偏振片装在镜片架上，放到光具座上，将离激光器更远的那个偏振 器转到45度（得到相等的P和S分量），第一个（离激光器较近的）偏正片是 用来调节实验光强。实验时调节入射光的强度在50%以上。（2）打开激光器，旋转激光器后面的垂直调节旋钮和水平调节旋钮，使得激光 光线与光具座水平且经过偏振片后垂直的打在准直狭缝上。（ 3）调整准直狭缝的水平位置使得激光恰好穿过“4”号狭缝；（4）将 D 形棱镜放在分光角度盘

10、的塑料底座的下面台阶上，顶住台阶；并将中 间的布儒斯特角盘调零（使得单词ANGLE上的字母N上方的标记和分光光度计 的零刻度对其）（5）将转动传感器的角度调零，转动分光角盘，使得激光光斑打到光传感器狭 缝中心，此时分光计刻度盘应该在180 度。3. 对准激光光线：取下D形棱镜，将分光光度计转到180度，微调激光器北面的XY 调节螺丝使光斑打到光传感器狭缝的中心4. 取出方形偏振器待用，使用时将方形偏振器水平放在光传感器前面，分析偏振 器的透射轴水平放置。5. 信号采集：（1）打开电脑桌面上的“Brewsters”文档。然后将文件另存为本人“学号”的 文档（以免文档被修改，造成实验的不便和时间的

11、浪费。）。（“Brewsters”文 档是为测量布儒斯特角事先专门做好的文档）（转动传感器已插入500接口的1、 2通道（黄色在左边，黑色在右边），光传感器插入A通道。实际操作过程中有些计算机并没有设定好，需要我们继续设置。转动传感器的测量量为角度 angle,光传感器的测量量定义为光强light，采样方式设置为“手动采样”)。(2) 将图标中的横坐标坐标设置为(angle(deg)，纵坐标设置为(Ratio%)(3) 将 D 形棱镜放到分光角度盘的塑料底座的下面台阶上，顶住台阶；(4) 点击计算机上的“启动”按钮，此时角度显示默认为90 度，观察光强，如 果光强太大(超过了90% ) ，则转

12、动调整离激光器较近的偏振器，使得光强显示 值下降到 90%以下(5) 转动“转动传感器”使得角度显示值为85 度，点击计算机显示屏上的“保 留”按钮，实际的角度值则被保留到表格中，将此时计算机显示的光强读数从键 盘输入到表格的总光强一栏，并且回车。将方形偏振器水平放在光传感器前面， 分析偏振器的透射轴水平放置，再次将光强读数从键盘输入到“偏振光强一栏” 并回车。这样在 Ratio-Angle 图上便出现这个点。(如果数据输入错误，可以修 改，然后回车后，在图上的点的位置也会相应变化)(6) 重复步骤(5)测得在不同角度下的读数。 80-60度每隔5 度进行一次数据 采集；60-40度每隔2度进

13、行一次数据采集；40-20度每隔5度进行一次数据采集。 数据采集完毕，在坐标纸上便出现了一个个的 Ratio-Angle 坐标点。对所采集的 数据进行分析便可得出D形棱镜的布儒斯特角并由此计算出棱镜的折射率。6.实验完毕关闭软件，关闭计算机和激光器，断开电源。整理桌面。数据处理】原始数据貫oTEd40S530oAng Ie7c / -/少f拦？Zaf/Nfc/ Z?zRat i o(deg)闽血（和85-01786.022. 125.69880.008,；rT jr712.920.90875.00853.38.314.2377d?d25妙75.18.543i657UsF12.43.6250.0

14、5850.80,40.7$75:8.0924780,10.20956 J58344u4 /o0.00055.00071, 0.01o/odo:,B4-017百G 9b. i 67149!152.Q9S ：61.10.40,65550.02539,80.61.50345.01745.42. 140,017.； 3,5.35.04237,15.2M016i30.05822.74.118.06225.03338.2E *劈_.笏卸矣20.06732. C$.7 iZZ.27.187|当加偏振片后的反射光强与不加偏振片的反射光强的比值为零时，对应的角度为该透明介质的布儒斯特角，从图表中可以看出，该透明介质的布儒斯特角为0 = 55op计算D形棱镜的折射率：（空气折射率为n1二1）n2 = nitan 0p 二 L43【实验结论】通过 PASCO 数字实验教学系统，可以较为简单准确的测定透明介质的布儒斯特 角。本次实验测得 D 形棱镜的布儒斯特角为：0 = 55op通过布儒斯特角，可