透明介质布儒斯特角的测定

物理与能源学院光学实验报告专业物理学姓名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⑴物理量计算机采集实验过程示意图物理量计算机采集实验过程示意图⑵ScienceWorkshop简介ScienceWorkshop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⑶ScienceWorkshop接口PASCO计算机接口有500型、750型两种，如下图所示实验仪器传感器ScienceWorkshop接口计算机数据采集与分析处理500型接口的主要性能有:①数据采集：ScienceWorkshop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，采样频率在10Hz和2000Hz之间可调。②50KB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③便携式：带有一个可装4节五号电池的电池室，ScienceWorkshop500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:①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.②内置式1.5W信号发生器：可得到0~50Hz、1.5W(30mA)的信号输出，输出的电流和电压可以通过750接口进行内部监控。③先进的电路：内存和场编程控制阵列系统(FPGA);双端口内存（RAM）可直接进行存取（DAM）,有高灵敏SCSI终端。⑷PACCO传感器①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。其测量的波长范围是320~1100nm，可测量光强最高为500lx，电压输出0~5V。②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PASCO滑轮设备可完成扭矩实验。⑸DataStudio软件简介及使用步骤点击计算机桌面上的DataStudio软件①进入如下界面②点击“创建实验”，之后点击“请选择接口”出现如下对话框③选择500型接口后出现如下对话框④点击图示ScienceWorkshop最左端的接口（A通道），会出现如下对话框⑤在上面的对话框中选择“光传感器”，之后出现如下对话框⑥在上面对话框中，设置合适的测量单位与采样率，此处测量单位为“光强”,采样方式为“手动采样”.⑦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”。⑧拖动步骤⑤对话框左上侧的“光强，通道A”到对话框左下侧的“图标”处，界面内边出现一个二维坐标图。⑨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2211sinsinnn式中，21nn、分别为介质1介质2的折射率，21、分别为入射角和折射角。当入射角1等于布儒斯特角p如图所示，则上式变为221sinsinnnp由于此时反射光和折射光成90°，即op902，则ppnncossin21即12tannnp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。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。【实验步骤】实验装置如图所示：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）、转动传感器(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“学号姓名”的文档（以免文档被修改，造成实验的不便和时间的浪费。）。（“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o55p计算D形棱镜的折射率：（空气折射率为11n）43.1tan12pnn【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：o55p通过布儒斯特角，可以计算得出D形棱镜的折射率，在实验误差范围内，经计算得出该D形棱镜的折射率为43.1tan12pnn【注意事项】1.要严格调节实验仪器的等高共轴；2.不要用眼睛直视激光，以免灼伤眼睛；3.实验中用的ScienceWorkshop接口是500型接口，实验开始之前要进行提前设置；4.采样方式设置为“手动采样”；5.要提前设定传感器的测量值，转动传感器测量量为角度（Angle(deg)）;光传感器测量量为光强（Light...）如果不经过定义则不能进行测量；6.远离激光器的偏振片设置为45度，而离激光器较近的偏振片则需要在刚开始按下“启动”按钮时，视光强的读数作调整，使得光强读数不大于90%。而在后续的测量中则不再对其做调整。7.测量数据过程中记得在转动转盘进行角度调整之后，还要对D形棱镜的方位作调整，使得反正光线恰好射在光传感器中央的狭缝上。8.实验过程中数据还没采集完毕，不能点击“停止”的按钮否则实验需重新开始9.方形偏振器要水平放在光传感器前面，分析偏振器的透射轴水平放置【思考题】1、利用布儒斯特角来确定丙烯酸材料的折射率。此时1n应该是多少？答：布儒斯特角满足12tannnp。所以丙烯酸21nn。2、当光线在水面反射时，其布儒斯特角是更大，还是更小？答：布儒斯特角满足12tannnp，不论光在水面反射和光在D棱镜表面反射，其中1n均为空气的折射率（11n）。当光在水面反射时，2n为水的折射率（3/4'2n）；当光在D型棱镜发生反射时，2n为D型棱镜的折射率（43.1''n）。因为''''21nn，所以21tantanpp。正切函数在20，上单调递增，所以21pp。所以，当光线在水面反射时，其布儒斯特角更小。附原始数据：（务必整张拍下来！要求含学生姓名、实验时间、老师签字！）