透明介質(zhì)布儒斯特角的測(cè)定

..物理與能源學(xué)院光學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告專業(yè)物理學(xué)姓名學(xué)號(hào)報(bào)告成績(jī)實(shí)驗(yàn)題目透明介質(zhì)布儒斯特角的測(cè)定[實(shí)驗(yàn)?zāi)康腯1、掌握布儒斯特角測(cè)量原理及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路；2、利用PASCO數(shù)字實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)測(cè)量布儒斯特角；3、了解布儒斯特角在測(cè)量介質(zhì)折射率中的應(yīng)用；[實(shí)驗(yàn)儀器]<名稱、規(guī)格或型號(hào)>PASCO數(shù)字系統(tǒng)、HE-NE激光器、轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器、計(jì)算機(jī)、光學(xué)導(dǎo)軌、度盤臺(tái)、偏振器〔兩個(gè),準(zhǔn)直縫、D形棱鏡[實(shí)驗(yàn)原理]PASCO數(shù)字系統(tǒng)簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與分析處理⑴物理量計(jì)算機(jī)采集實(shí)驗(yàn)過(guò)程示意圖計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與分析處理ScienceWorkshop接口傳感器實(shí)驗(yàn)儀器ScienceWorkshop接口傳感器實(shí)驗(yàn)儀器物理量計(jì)算機(jī)采集實(shí)驗(yàn)過(guò)程示意圖⑵ScienceWorkshop簡(jiǎn)介ScienceWorkshop由三部分組成：傳感器—利用先進(jìn)的傳感技術(shù)可實(shí)時(shí)采集物理實(shí)驗(yàn)中各物理量的數(shù)據(jù)；計(jì)算機(jī)接口—將來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)軟件—具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)顯示、分析功能⑶ScienceWorkshop接口PASCO計(jì)算機(jī)接口有500型、750型兩種,如下圖所示500型接口的主要性能有:①數(shù)據(jù)采集：ScienceWorkshop接口可以直接把采集的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī),也可以只用接口和傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集即在無(wú)計(jì)算機(jī)情況下,用500型接口在戶外采集數(shù)據(jù),然后再接上計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。其界面上有A、B、C三個(gè)模擬信號(hào)通道和1、2兩個(gè)數(shù)字信號(hào)通道,可以同步記錄模擬和數(shù)字信號(hào),采樣頻率在10Hz和2000Hz之間可調(diào)。②50KB緩存：用于存儲(chǔ)運(yùn)行的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)設(shè)置的信息。可記錄多達(dá)17000個(gè)模擬數(shù)據(jù)點(diǎn)或者7000個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)點(diǎn)③便攜式：帶有一個(gè)可裝4節(jié)五號(hào)電池的電池室,ScienceWorkshop500型接口可在實(shí)驗(yàn)室以外的任何地方進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。750型接口的主要性能有:①數(shù)據(jù)采集：與500型接口相比,其界面上除了有A、B、C三個(gè)模擬信號(hào)通道外,數(shù)字信號(hào)通道有4個(gè)通道,采樣頻率最高可達(dá)250000Hz.②內(nèi)置式1.5W信號(hào)發(fā)生器：可得到0~50Hz、1.5W<30mA>的信號(hào)輸出,輸出的電流和電壓可以通過(guò)750接口進(jìn)行內(nèi)部監(jiān)控。③先進(jìn)的電路：內(nèi)存和場(chǎng)編程控制陣列系統(tǒng)<FPGA>;雙端口內(nèi)存〔RAM 可直接進(jìn)行存取〔DAM,有高靈敏SCSI終端。⑷PACCO傳感器=1\*GB3①光傳感器光傳感器是用來(lái)測(cè)量光強(qiáng)的,典型的應(yīng)用有：測(cè)量光的相對(duì)強(qiáng)度、光強(qiáng)與距離的關(guān)系、光的干涉與衍射及光的偏振的實(shí)驗(yàn)。其測(cè)量的波長(zhǎng)范圍是320~1100nm,可測(cè)量光強(qiáng)最高為500lx,電壓輸出0~5V。=2\*GB3②轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器常用來(lái)測(cè)量位置和轉(zhuǎn)動(dòng)。主要應(yīng)用在角動(dòng)量守恒,質(zhì)點(diǎn)、盤和環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量研究,簡(jiǎn)諧振動(dòng)研究等實(shí)驗(yàn)中。它擅長(zhǎng)測(cè)量以0.055mm的靈敏度來(lái)測(cè)量的線性位置及0.25°的靈敏度來(lái)測(cè)量的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作。其上有一組三級(jí)的滑輪,直徑分別是10mm、29mm、48mm,配合一個(gè)PASCO滑輪設(shè)備可完成扭矩實(shí)驗(yàn)。⑸DataStudio軟件簡(jiǎn)介及使用步驟點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)桌面上的DataStudio軟件①進(jìn)入如下界面②點(diǎn)擊"創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)",之后點(diǎn)擊"請(qǐng)選擇接口"出現(xiàn)如下對(duì)話框③選擇500型接口后出現(xiàn)如下對(duì)話框④點(diǎn)擊圖示ScienceWorkshop最左端的接口〔A通道,會(huì)出現(xiàn)如下對(duì)話框⑤在上面的對(duì)話框中選擇"光傳感器",之后出現(xiàn)如下對(duì)話框⑥在上面對(duì)話框中,設(shè)置合適的測(cè)量單位與采樣率,此處測(cè)量單位為"光強(qiáng)",采樣方式為"手動(dòng)采樣".⑦再點(diǎn)擊通道1,插入"轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器",選擇測(cè)量量為"角度",設(shè)置采樣方式為"手動(dòng)采樣"。=8\*GB3⑧拖動(dòng)步驟⑤對(duì)話框左上側(cè)的"光強(qiáng),通道A"到對(duì)話框左下側(cè)的"圖標(biāo)"處,界面內(nèi)邊出現(xiàn)一個(gè)二維坐標(biāo)圖。=9\*GB3⑨點(diǎn)擊二維坐標(biāo)圖的橫坐標(biāo),將其坐標(biāo)單位修改為"位置,通道1和通道2".二．布儒斯特角測(cè)量原理1、布儒斯特角當(dāng)非偏振光在非傳導(dǎo)介質(zhì)〔如透明玻璃表面反射和折射時(shí),使反射光和透射光都會(huì)發(fā)生偏振,它們的偏振狀態(tài)取決于光的入射角及反射物質(zhì)的性質(zhì)。一般情況下,光線斜入射非傳導(dǎo)介質(zhì)表面時(shí),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電矢量分量較強(qiáng),透射光平行于入射面的電矢量分量較強(qiáng)。但是,當(dāng)入射角為一個(gè)特殊值時(shí),反射光會(huì)完全偏振,即反射光為平面偏振光,且其電矢量的振動(dòng)方向垂直于入射面,該特殊的角度為布儒斯特角。當(dāng)入射角以布儒斯特角入射兩介質(zhì)表面時(shí),反射光和折射光成90°。根據(jù)菲涅爾定律式中,分別為介質(zhì)1介質(zhì)2的折射率,分別為入射角和折射角。當(dāng)入射角等于布儒斯特角如圖所示,則上式變?yōu)橛捎诖藭r(shí)反射光和折射光成90°,即,則即該式所表示的關(guān)系稱為布儒斯特定律,由上式發(fā)現(xiàn),若已知介質(zhì)1的折射率,只需找到對(duì)于介質(zhì)2的布儒斯特角,便可求出介質(zhì)2的折射率。2、實(shí)驗(yàn)光路示意圖光以布儒斯特角入射兩個(gè)介質(zhì)表面時(shí),反射光為電矢量的振動(dòng)方向垂直于入射面的平面偏振光,因此,讓反射光經(jīng)過(guò)一個(gè)偏振器,檢偏器的偏振方向垂直于入射光的偏振方向,透射光的強(qiáng)度為零,則對(duì)應(yīng)的入射角為布儒斯特角。實(shí)驗(yàn)光路示意圖如圖所示,改變不同入射角,測(cè)量經(jīng)偏振器后的對(duì)應(yīng)的反射光的強(qiáng)度,做出偏振光光強(qiáng)隨入射角的變化關(guān)系圖,可以確定光強(qiáng)最小時(shí)的入射角,即布儒斯特角。利用布儒斯特角可以簡(jiǎn)單地測(cè)量晶體的折射率。[實(shí)驗(yàn)步驟]實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示：按照如上圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置圖在光學(xué)導(dǎo)軌上依次擺放各個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器。從左到右依次是：激光器、2個(gè)偏振片、準(zhǔn)直狹縫、分光角盤〔帶有支臂用來(lái)固定光傳感器、D形棱鏡〔放置在分光角盤上、轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器<固定分光臂,用來(lái)測(cè)量不同角度的光強(qiáng)>光路調(diào)整〔1將兩個(gè)偏振片裝在鏡片架上,放到光具座上,將離激光器更遠(yuǎn)的那個(gè)偏振器轉(zhuǎn)到45度〔得到相等的P和S分量,第一個(gè)〔離激光器較近的偏正片是用來(lái)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)光強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)時(shí)調(diào)節(jié)入射光的強(qiáng)度在50%以上。〔2打開(kāi)激光器,旋轉(zhuǎn)激光器后面的垂直調(diào)節(jié)旋鈕和水平調(diào)節(jié)旋鈕,使得激光光線與光具座水平且經(jīng)過(guò)偏振片后垂直的打在準(zhǔn)直狹縫上?！?調(diào)整準(zhǔn)直狹縫的水平位置使得激光恰好穿過(guò)"4"號(hào)狹縫；〔4將D形棱鏡放在分光角度盤的塑料底座的下面臺(tái)階上,頂住臺(tái)階；并將中間的布儒斯特角盤調(diào)零〔使得單詞ANGLE上的字母N上方的標(biāo)記和分光光度計(jì)的零刻度對(duì)其〔5將轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器的角度調(diào)零,轉(zhuǎn)動(dòng)分光角盤,使得激光光斑打到光傳感器狹縫中心,此時(shí)分光計(jì)刻度盤應(yīng)該在180度。3.對(duì)準(zhǔn)激光光線：取下D形棱鏡,將分光光度計(jì)轉(zhuǎn)到180度,微調(diào)激光器北面的XY調(diào)節(jié)螺絲使光斑打到光傳感器狹縫的中心4.取出方形偏振器待用,使用時(shí)將方形偏振器水平放在光傳感器前面,分析偏振器的透射軸水平放置。5.信號(hào)采集：打開(kāi)電腦桌面上的"Brewsters"文檔。然后將文件另存為本人"學(xué)號(hào)姓名"的文檔〔以免文檔被修改,造成實(shí)驗(yàn)的不便和時(shí)間的浪費(fèi)。。〔"Brewsters"文檔是為測(cè)量布儒斯特角事先專門做好的文檔〔轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器已插入500接口的1、2通道〔黃色在左邊,黑色在右邊,光傳感器插入A通道。實(shí)際操作過(guò)程中有些計(jì)算機(jī)并沒(méi)有設(shè)定好,需要我們繼續(xù)設(shè)置。轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器的測(cè)量量為角度angle,光傳感器的測(cè)量量定義為光強(qiáng)light,采樣方式設(shè)置為"手動(dòng)采樣"。將圖標(biāo)中的橫坐標(biāo)坐標(biāo)設(shè)置為〔angle<deg>,縱坐標(biāo)設(shè)置為〔Ratio%將D形棱鏡放到分光角度盤的塑料底座的下面臺(tái)階上,頂住臺(tái)階；點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)上的"啟動(dòng)"按鈕,此時(shí)角度顯示默認(rèn)為90度,觀察光強(qiáng),如果光強(qiáng)太大〔超過(guò)了90%,則轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整離激光器較近的偏振器,使得光強(qiáng)顯示值下降到90%以下轉(zhuǎn)動(dòng)"轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器"使得角度顯示值為85度,點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)顯示屏上的"保留"按鈕,實(shí)際的角度值則被保留到表格中,將此時(shí)計(jì)算機(jī)顯示的光強(qiáng)讀數(shù)從鍵盤輸入到表格的總光強(qiáng)一欄,并且回車。將方形偏振器水平放在光傳感器前面,分析偏振器的透射軸水平放置,再次將光強(qiáng)讀數(shù)從鍵盤輸入到"偏振光強(qiáng)一欄"并回車。這樣在Ratio-Angle圖上便出現(xiàn)這個(gè)點(diǎn)?！踩绻麛?shù)據(jù)輸入錯(cuò)誤,可以修改,然后回車后,在圖上的點(diǎn)的位置也會(huì)相應(yīng)變化重復(fù)步驟〔5測(cè)得在不同角度下的讀數(shù)。80-60度每隔5度進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集；60-40度每隔2度進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集；40-20度每隔5度進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集完畢,在坐標(biāo)紙上便出現(xiàn)了一個(gè)個(gè)的Ratio-Angle坐標(biāo)點(diǎn)。對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析便可得出D形棱鏡的布儒斯特角并由此計(jì)算出棱鏡的折射率。6.實(shí)驗(yàn)完畢關(guān)閉軟件,關(guān)閉計(jì)算機(jī)和激光器,斷開(kāi)電源。整理桌面。[數(shù)據(jù)處理]原始數(shù)據(jù)當(dāng)加偏振片后的反射光強(qiáng)與不加偏振片的反射光強(qiáng)的比值為零時(shí),對(duì)應(yīng)的角度為該透明介質(zhì)的布儒斯特角,從圖表中可以看出,該透明介質(zhì)的布儒斯特角為計(jì)算D形棱鏡的折射率：〔空氣折射率為[實(shí)驗(yàn)結(jié)論]通過(guò)PASCO數(shù)字實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),可以較為簡(jiǎn)單準(zhǔn)確的測(cè)定透明介質(zhì)的布儒斯特角。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)得D形棱鏡的布儒斯特角為：通過(guò)布儒斯特角,可以計(jì)算得出D形棱鏡的折射率,在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi),經(jīng)計(jì)算得出該D形棱鏡的折射率為[注意事項(xiàng)]要嚴(yán)格調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)儀器的等高共軸；不要用眼睛直視激光,以免灼傷眼睛；實(shí)驗(yàn)中用的ScienceWorkshop接口是500型接口,實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前要進(jìn)行提前設(shè)置；采樣方式設(shè)置為"手動(dòng)采樣"；要提前設(shè)定傳感器的測(cè)量值,轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器測(cè)量量為角度〔Angle<deg>;光傳感器測(cè)量量為光強(qiáng)〔Light...如果不經(jīng)過(guò)定義則不能進(jìn)行測(cè)量；遠(yuǎn)離激光器的偏振片設(shè)置為45度,而離激光器較近的偏振片則需要在剛開(kāi)始按下"啟動(dòng)"按鈕時(shí),視光強(qiáng)的讀數(shù)作調(diào)整,使得光強(qiáng)讀數(shù)不大于90%。而在后續(xù)的測(cè)量中則不再對(duì)其做調(diào)整。測(cè)量數(shù)據(jù)過(guò)程中記得在轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤進(jìn)行角度調(diào)整之后,還要對(duì)D形棱鏡的方位作調(diào)整,使得反正光線恰好射在光傳感器中央的狹縫上。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)還沒(méi)采集完畢,不能點(diǎn)擊"停止"的按鈕否則實(shí)驗(yàn)需重新開(kāi)始方形偏振器要水平放在光傳感器前面,分析偏振器的透射軸水平放置[思考題]利用布儒斯特角來(lái)確定丙