Valo-oppi. Välineet. Polarisoituneen valon intensiteetti. Kokeessa todennetaan Malusin laki.

Transkriptio

1 Polaisoituneen n intensiteetti Kokeessa todennetaan Malusin laki. Polaisoimaton Polaisoitu x Polaisoitu Koe 1 Polaisoituneen n intensiteetin tutkiminen luksimittailla (39016). Koe 2 Polaisoituneen n intensiteetin tutkiminen Planckin vakion määityslaitteella (21030). Välineet Koe Koe Punaisen n polaisaatiosuodin Luksimittai 0, lux Planckin vakion määityslaite Pikoampeeimittai 100 pa 1 ma Nemo-mittausohjelma Tehosäädin W, 240 V Hehkulamppu 60 W E 27 kikas 1 1 xxxxx Lampun suoja Uajalusta Jalusta ja tanko 60 cm Kaksoiseikäpuistin Leukapuistin, koua 80 mm Leukapuistin, koua 60 mm polaisaattoi 2. polaisaattoi (analysaattoi) I = I 0 cos 2 x Polaisaattoin polaisointiastetta/-laatua voidaan tutkia johtamalla polaisoitua a toisen polaisaattoin (analysaattoin) läpi mittaamalla läpitulleen n intensiteettiä analysaattoin kietokulman x:n funktiona. Ensimmäisessä kokeessa todennetaan Malusin laki kohdistamalla lineaaisesti polaisoitunut analysaattoiin. Analysaattoin jälkeistä tilannetta takastellaan luksimittaiin kytketyn antuin avulla. Toisessa kokeessa todennetaan Malusin laki kohdistamalla lineaaisesti polaisoitua a analysaattoiin ja takastelemalla analysaattoin jälkeistä tilannetta kennon avulla. Kun ^ sähkökenttä väähtelee, on sillä aina jokin huippuavo E. Valon ^ intensiteetti on veannollinen huippuavon neliöön E 2. Tällöin saadaan Malusin laki I = I 0 cos 2 x. I 0 on analysaattoiin tulevan n intensiteetti ja I on analysaattoin läpi tulleen n intensiteetti. Kyseisen lain päätteli Etienne Malus vuonna I 0 Lisäksi tavitaan Lampun alusta 1 1 Suojattu kaapeli 1

2 Polaisoituneen n intensiteetti n. 100 mm n. 200 mm n. 100 mm Kuva 1 Koe 1 Polaisoituneen n intensiteetin tutkiminen luksimittailla. Kokeen tavoitteet 1. Tutustua miten hehkulampusta tuleva polaisoidaan suodattimilla. 2. Tutustua luksimittain toimintaan. 3. Oppia tekemään gaafisia esityksiä tietokoneohjelmalla ja tulkitsemaan niitä. Välineet Punaisen n polaisaatiosuodin Luksimittai 0, lux Nemo-mittausohjelma Tehosäädin W, 240 V Hehkulamppu 60 W E 27 kikas 1 xxxxx Lampun suoja Uajalusta Jalusta ja tanko 60 cm Kaksoiseikäpuistin Leukapuistin, koua 80 mm Leukapuistin, koua 60 mm 1 Lisäksi tavitaan Lampun alusta Koe Koe 1 2 Peuskäsitteet Valo on poikittaista aaltoliikettä, jossa väähtelevinä suueina ovat sähkökenttä E ja sitä vastaan kohtisuoassa oleva magneettikenttä E siten, että molemmat kentät ovat kohtisuoassa n etenemissuuntaan nähden. Jos kenttien väähtely tapahtuu yhtä voimakkaana kaikissa etenemissuuntaa vastaan kohtisuoissa suunnissa, on polaisoitumatonta. Jos taas osa väähtelyistä puuttuu, niin on polaisoitunutta. Valo on tasopolaisoitunutta, jos sähkökenttävektoi E väähtelee vain tietyssä tasossa. E:n suuntaa kutsutaan polaisaatiosuunnaksi ja tasoa polaisaatiotasoksi. Ympyäpolaisoitunutta a voi syntyä kahden tasoaallon lineaaikombinaationa, kun niillä on sama amplitudi ja p/2:n vaihe-eo ja ne ovat kohtisuoassa toisiaan vastaan. Jos amplitudit ovat ei suuet, saadaan elliptisesti polaisoitunutta a. Vasin yleisesti käytetty polaisaattoi on Polaoid-kalvo. Polaoid-kalvossa on heapatiitti-nimisen aineen kiteitä, jotka on liitetty pitkiin samansuuntaisiin polyvinyylialkoholimolekyyleihin. Polaoid-suodatin läpäisee n. 80 % aallon intensiteetistä, jonka polaisaatiotaso on samansuuntainen suodattimen polaisaatioakselin kanssa. Suodattimen läpäisy on 1 % tai vähemmän, jos aallon polaisaatiotaso on kohtisuoassa suodattimen akseliin nähden. Mittausmenetelmä Polaisoimaton Kuva 2 Polaisoitu 1. polaisaattoi 2. polaisaattoi (analysaattoi) I 0 x Polaisoitu I = I 0 cos 2 x Analysaattoin jälkeistä n intensiteettiä takastellaan luksimittain avulla. Mittain avot ovat veannollisia n intensiteettiin I. Huom! Analysaattoiin on tultava lineaaisesti polaisoitunutta a ( intensiteetti I 0 ). Tämä saadaan aikaan yhdellä polaisaattoilla. Koska n intensiteetti on veannollinen ^ sähkökentän huippuavon E neliöön E 2, saadaan lopputuloksena Malusin laki I = I 0 cos 2 x.

3 Polaisoituneen n intensiteetti Asettelut Koeasetelma on esitetty kuvassa 1. Kokeen suoitus Valonlähteenä käytetään hehkulamppua (60 W E27 kikas), joka on kieetty lampun alustaan. Lampun ympäille on laitettu suoja. Suojassa olevan ympyänmuotoisen aukon kautta johdetaan ensimmäiseen polaisaattoiin. Lampun kikkautta voidaan säätää tehosäätimen avulla. Säädä lähinnä nlähdettä olevan suodattimen asento niin, että kulma 0 on pystysuoaan. Tehosäätimellä lamppuun säädetään sopiva kikkaus. Säädä toista suodatinta niin, että a tulee eniten läpi. Mittain lukema on veannollinen läpitulevan n intensiteetin maksimiavoon I max. Muuta kulmaa x kymmenen asteen välein ja ota vastaavat mittain lukemat ylös taulukkoon. Laske taulukkoon myös saake, jossa on teoeettinen ennuste I max cos 2 x (kuva 3). Esitä Nemo-taulukkolaskennan avulla mittain lukema kulman x funktiona. Intensiteetti on veannollinen mittain lukemaan. Mittausavojen välille voi piiättää viivan tapeen mukaan (kuva 4). Esitä laskettu saake kulman x funktiona samassa koodinaatistossa kohdan b) kanssa. Kyseessä on teoeettinen ennuste (kuva 5). Mittausesimekki kulma = x / aste Mittain lukema cos 2 x I max Kuva Kuva 5 cos 2 x 18 Tulkinta ja tehtävät Laskettu saake voidaan myös tehdä Nemo-taulukkolaskelmaan avulla luomalle johonkin saakkeista laskettu saake. Ko. gaafinen esitys ei anna vielä tapeeksi infomaatiota. Mitattua käyää voidaan veata teoeettiseen käyään. Nähdään, että käyät ovat hyvin samanlaisia. Jos mekitään I 0 :lla maksimi-intensiteettiä, voidaan päätellä laki I = I 0 cos 2 x. d) Vihetakastelu Koska mittauspisteet ovat likimain teoeettisella käyällä, vihe on pieni. e) Vetailu kijallisuuteen Lain esitti ensimmäisenä Etienne Malus f) Tehtävien vastauksia 1. Polaisaatio-ilmiötä koskevan tiedon ehkä tunnetuin sovellutus on auinkolasit, joissa on tasopolaoivat linssi. Auinkolasit poistavat tehokkaasti vaakasuoista pinnoista tulevia heijastuksia sekä vaimentavat silmiin tulevan n intensiteettiä. Valokuvauksessa käytetään myös polaisaatiosuodattimia. Suodattimilla voidaan myös aiheuttaa aallolle esimekiksi l / 4 - tai l / 2 - aallon viiveen. 2. Polaimeti on laite, jolla voidaan tutkia optisesti aktiivisten liuosten ominaisuuksia kuten kietokykyä, konsentaatiota, pakkaskestävyyttä jne. Polaimeti koostuu yleensä lähteestä, kollimaattoilinssistä, polaisaattoista (Nicolin pisma), näytekyvetistä, analysaattoista (Nicolin pisma), kietokulma-asteikosta ja okulaaista. Nicolin pisma koostuu kahdesta kalkkisälpäpismasta, jotka on liitetty yhteen kanadapalsamilla. 3. Polaisoitua a voidaan käyttää eilaisten mekaanisten akenteiden kuomitusten ja jännitysten tutkimiseen. Tutkittavasta akenteesta on ensin tehtävä a läpäisevästä levystä (esim. akyylista) malli, jota takastellaan analysaattoin läpi polaoidussa ssa akennetta kuomitettaessa. Moniväisestä kuvasta on pääteltävissä, mihin suuimmat kuomitukset akenteissa keskittyvät. Kuva 4

4 Polaisoituneen n intensiteetti d) Vihetakastelu Pohdi mittauksen takkuutta. kulma = x / aste Mittain lukema cos 2 x I max e) Vetailu kijallisuuteen Etsi kijallisuuden avulla henkilö ja vuosiluku, milloin kohdan c) esittämä laki selvitettiin ensimmäisen kean. f) Tehtäviä 1. Miten toimii auinkolasit? Esitä mittaustaulukko gaafisesti Nemo-taulukkolaskentaohjelman avulla. Mittain lukema Intensiteetti on veannollinen mittain lukemaan. 2. Miten toimii polaimeti? Esitä samassa koodinaatistossa edellisen kanssa teoeettinen käyä (Nemo-taulukkolaskentaohjelma) Mittain lukema cos 2 x 18 Intensiteetti on veannollinen mittain lukemaan. 3. Miten polaisoitua a hyödynnetään mekaanisten akenteiden tutkimuksessa? Tulkitse millainen iippuvuus vallitsee intensiteetin ja kulman x välillä.

5 Polaisoituneen n intensiteetti n. 100 mm n. 200 mm n. 100 mm Kuva 1 Koe 2 Polaisoituneen n intensiteetin tutkiminen Planckin vakion määityslaitteella (21030). Kokeen tavoitteet 1. Tutustua miten hehkulampusta tuleva polaisoidaan suodattimilla. 2. Tutustua pienten vitojen mittaamiseen pikoampeeimittailla. 3. Oppia tekemään gaafisia esityksiä tietokoneohjelmalla ja tulkitsemaan niitä. Välineet Punaisen n polaisaatiosuodin Planckin vakion määityslaite Pikoampeeimittai 100 pa 1 ma Nemo-mittausohjelma Tehosäädin W, 240 V Hehkulamppu 60 W E 27 kikas 1 xxxxx Lampun suoja Uajalusta Jalusta ja tanko 60 cm Kaksoiseikäpuistin Leukapuistin, koua 80 mm Leukapuistin, koua 60 mm 1 Lisäksi tavitaan Lampun alusta ja suojattu kaapeli (BNC) Polaisoimaton Polaisoitu x Koe Koe 1 2 Polaisoitu Peuskäsitteet Valo on poikittaista aaltoliikettä, jossa väähtelevinä suueina ovat sähkökenttä E ja sitä vastaan kohtisuoassa oleva magneettikenttä B siten, että molemmat kentät ovat kohtisuoassa n etenemissuuntaan nähden. Jos kenttien väähtely tapahtuu yhtä voimakkaana kaikissa etenemissuuntaa vastaan kohtisuoissa suunnissa, on polaisoimatonta. Jos taas osa väähtelyistä puuttuu, niin on polaisoitunutta. Valo on tasopolaisoitunutta, jos sähkövektoi E väähtelee vain tietyssä tasossa. E:n suuntaa kutsutaan polaisaatiosuunnaksi ja tasoa polaisaatiotasoksi. Ympyäpolaisoitunutta a voi syntyä kahden tasoaallon lineaaikombinaationa, kun niillä on sama amplitudi ja ne ovat kohtisuoassa toisiaan vastaan. Jos amplitudit ovat ei suuet, saadaan elliptisesti polaisoitunutta a. Vasin yleisesti käytetty polaisaattoi on Polaoid-kalvo. Polaoid-kalvossa on heapatiitti-nimisen aineen kiteitä, jotka on liitetty pitkiin samansuuntaisiin polyvinyylialkoholimolekyyleihin. Polaoid-suodatin läpäisee n. 80 % aallon intensiteetistä, jonka polaisaatiotaso on samansuuntainen suodattimen polaisaatioakselin kanssa. Suodattimen läpäisy on 1 % tai vähemmän, jos aallon polaisaatiotaso on kohtisuoassa suodattimen akseliin nähden. Mittausmenetelmä Analysaattoin jälkeistä n intensiteettiä takastellaan kennon avulla. Pikoampeeimittain avot ovat veannollisia n intensiteettiin I. Huom! Analysaattoiin on tultava lineaaisesti polaisoitua a ( intensiteetti I 0 ). Tämä saadaan aikaan yhdellä polaisaattoilla. Koska n intensiteetti on veannollinen sähkökentän huippuavoon E, saadaan lopputuloksena Malusin laki I = I 0 cos 2 x. Kuva 2 1. polaisaattoi 2. polaisaattoi (analysaattoi) I 0 I = I 0 cos 2 x

6 Polaisoituneen n intensiteetti Asettelut Koeasetelma on esitetty kuvassa 1. Kokeen suoitus Pieni vita mitataan pikoampeeimittailla (Kuva 3). Huom! Valokennoa käytetään myös Planckin vakion määittämiseen. Säädä potentiometin avulla vastajännite nollaksi. Esitä mittausavot gaafisesti Nemo-taulukkolaskennan avulla mittain lukema kulman x funktiona. Intensiteetti on veannollinen mittain lukemaan. Mittausavojen välille voi piiättää viivan tapeen mukaan (kuva 6). Esitä laskettu saake kulma x funktiona samassa koodinaatistossa kohdan b) kanssa. Kyseessä on teoeettinen ennuste (kuva 7). Kuva 3 Vita tuodaan suojatulla kaapelilla kohtaan Input. Suojattuna kaapelina käytetään koaksiaalikaapelia (kuva 4). I Kuva 4 a b Koaksiaalikaapelissa silikonieiste eistää kaksi johtavaa osaa toisistaan. Sisempi johdesäde on a ja ulompi johdesäde on b. Kaapelin pituus on l. Käytä mittaissa hekintä aluetta ja säädä aluksi mittain neula nollaan (auto zeo ja mete eading). Valonlähteenä käytetään hehkulamppua (60 W E 27 kikas), joka on kieetty lampun alustaan. Lampun ympäille on laitettu suoja. Suojassa olevan ympyänmuotoisen aukon kautta johdetaan ensimmäiseen polaisaattoiin. Lampun kikkautta voidaan säätää tehosäätimen avulla. Säädä lähinnä nlähdettä olevan suodattimen asento niin, että kulma 0 on pystysuoaan. Tehosäätimellä lamppuun säädetään sopiva kikkaus. Säädä toista suodatinta niin, että a tulee eniten läpi. Mittain (kuva 3) lukema on veannollinen läpitulevan n intensiteetin maksimiavoon. Muuta kulmaa x kymmenen asteen välein ja ota vastaavat mittain lukemat ylös taulukkoon. Laske taulukkoon myös saake, jossa on teoeettinen ennuste I max cos 2 x (kuva 5).

7 Polaisoituneen n intensiteetti Mittausesimekki Tulkinta ja tehtävät kulma = x / aste Mittain lukema cos 2 x I max Kuva 5 Laskettu saake voidaan myös tehdä Nemo-taulukkolaskennan avulla luomalla johonkin saakkeista laskettu saake. Ko. gaafinen esitys ei anna vielä tapeeksi infomaatiota. Kokeelliset pisteet ovat lähellä teoeettisesti laskettua käyää. Jos mekitään I 0 :lla intensiteettiä, joka vastaa maksimivitaa, voidaan päätellä laki I = I 0 cos 2 x. d) Vihetakastelu Koska mittauspisteet ovat likimain teoeettisella käyällä, vihe on pieni. e) Vetailu kijallisuuteen Lain esitti ensimmäisenä Etienne Malus f) Tehtävien vastauksia 1. Polaisaatio-ilmiötä koskevan tiedon ehkä tunnetuin sovellutus on auinkolasit, joissa on tasopolaoivat linssi. Auinkolasit poistavat tehokkaasti vaakasuoista pinnoista tulevia heijastuksia sekä vaimentavat silmiin tulevan n intensiteettiä. Valokuvauksessa käytetään myös polaisaatiosuodattimia. Suodattimilla voidaan myös aiheuttaa aallolle esimekiksi l / 4 - tai l / 2 - aallon viiveen. 2. Polaimeti on laite, jolla voidaan tutkia optisesti aktiivisten liuosten ominaisuuksia kuten kietokykyä, konsentaatiota, pakkaskestävyyttä jne. Polaimeti koostuu yleensä lähteestä, kollimaattoilinssistä, polaisaattoista (Nicolin pisma), näytekyvetistä, analysaattoista (Nicolin pisma), kietokulma-asteikosta ja okulaaista. Nicolin pisma koostuu kahdesta kalkkisälpäpismasta, jotka on liitetty yhteen kanadapalsamilla. Kuva 6 3. Polaisoitua a voidaan käyttää eilaisten mekaanisten akenteiden kuomitusten ja jännitysten tutkimiseen. Tutkittavasta akenteesta on ensin tehtävä a läpäisevästä levystä (esim. akyylista) malli, jota takastellaan analysaattoin läpi polaoidussa ssa akennetta kuomitettaessa. Moniväisestä kuvasta on pääteltävissä, mihin suuimmat kuomitukset akenteissa keskittyvät. cos 2 x 0,220 Kuva 7

8 Polaisoituneen n intensiteetti d) Vihetakastelu Pohdi mittauksen takkuutta. kulma = x / aste Mittain lukema cos 2 x I max e) Vetailu kijallisuuteen Etsi kijallisuuden avulla henkilö ja vuosiluku, milloin kohdan c) esittämä laki selvitettiin ensimmäisen kean. f) Tehtäviä 1. Miten toimii auinkolasit? Esitä mittaustaulukko gaafisesti Nemo-taulukkolaskentaohjelman avulla. Intensiteetti on veannollinen mittain lukemaan. 2. Miten toimii polaimeti? Esitä samassa koodinaatistossa edellisen kanssa teoeettinen käyä (Nemo-taulukkolaskentaohjelma). Intensiteetti on veannollinen mittain lukemaan. 3. Miten polaisoitua a hyödynnetään mekaanisten akenteiden tutkimuksessa? Tulkitse millainen iippuvuus vallitsee intensiteetin ja kulman x välillä.