УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ПО ОПТИКЕ Российский патент 1998 года по МПК G09B23/22 

Изобретение относится к учебным приборам для демонстрации оптических явлений в курсе физики и представляет собой портативный поляризационный прибор, предназначенный для одномоментной демонстрации закономерностей оптической активности кристаллического кварца.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является известный прибор (Лекционные демонстрации по физике/Под ред. проф. В.И.Ивероновой. - М. : Наука, 1972, с. 604, 618, рис. 6.41а). Схема известного прибора воспроизведена на фиг. 1
Схема на фиг. 1 включает громоздкую осветительную и традиционную поляризационную части установки. Осветительная часть состоит из мощного дугового источника света S, конденсора K, охлаждающей кюветы с водой T, играющей роль теплофильтра, коллимирующей рассеивающей линзы Л и съемного светофильтра - цветного стекла Ф. Поляризационная часть установки состоит из первого поляроида П (или николя) в качестве поляризатора, кристаллооптического элемента - пластинки Пл, выпиленной из кристаллического кварца перпендикулярно оптической оси, объектива Об, проектирующего изображение пластинки Пл на экран наблюдения Э, и второго поляроида А (или николя) в качестве анализатора. Известный прибор, функционирующий по схеме на фиг. 1, предназначен для демонстрации явления оптической активности кварца и закономерностей этого явления. Работа прибора состоит в следующем. В начале опыта пластинку Пл выводят из светового пучка, а анализатор А разворачивают вокруг оси пучка так, чтобы его направление пропускания оказалось перпендикулярным к направлению пропускания поляризатора П ("скрещенная" установка П и А или установка П и А "на темноту"). При этом поле зрения на экране наблюдения оказывается темным. Затем вводят в световой пучок кварцевую пластинку Пл. За счет оптической активности кварца плоскость поляризации в пластинке поворачивается вокруг оси светового пучка на угол ϕ = ϕ_o•t, где ϕ_o - постоянная вращения - угол поворота плоскости поляризации пластинкой единичной толщины, t - толщина пластинки. Поэтому в области пластинки установка "на темноту" уже места не имеет и на экране Э в области изображения Пл наблюдается соответствующее просветление. Для восстановления здесь темноты надо повернуть анализатор на угол ϕ, равный углу поворота плоскости поляризации в пластинке Пл, что и демонстрируется в ходе опыта.

Предмет демонстрации состоит в выявлении следующих закономерностей:
1. Существование энантиоморфных кристаллов кварца. Для этого надо иметь две кварцевые пластинки одинаковой толщины, вырезанные соответственно из правовращающего и левовращающего кварца. Вводя последовательно эти пластинки в световой пучок, демонстрируют необходимость компенсационного поворота анализатора А на один и тот же угол ϕ, но в разные стороны. Поскольку обосновать количественное равенство углов поворота ϕ в ходе демонстрационного опыта затруднительно, демонстрация имеет качественный характер.

2. Существование пропорциональной зависимости между ϕ и t. Для этого используют набор кварцевых пластинок разной толщины, вращающих плоскость поляризации в одну и ту же стороны, и демонстрируют возрастание компенсационного угла поворота анализатора А при увеличении толщины t пластинки или суммарной толщины нескольких сложенных вместе пластинок. Поскольку измерить в ходе демонстрационного опыта величины ϕ и t затруднительно, эта демонстрация также имеет качественный характер.

3. Выявление большой спектральной дисперсии величины ϕ_o. В соответствии с этой зависимостью угол поворота плоскости поляризации, как и равный ему угол компенсационного поворота ϕ анализатора A, быстро возрастает с уменьшением длины световой волны λ. Для установления этой зависимости опыт выполняют с одной и той же пластинкой при последовательном введении в световой пучок разных светофильтров и демонстрируют возрастание угла ϕ при переходе от красного светофильтра к зеленому и синему. Как и две предыдущие, эта демонстрация имеет качественный характер.

Таким образом, можно отметить следующие недостатки известного прибора для наблюдения оптической активности кварца и выявления закономерностей явления:
1. Опыт необходимо выполнять в несколько последовательных этапов, имея для этого набор кварцевых пластинок разной толщины, выпиленных из энантиоморфных сортов кварца перпендикулярно оптической оси. Осуществить опыт по схеме фиг. 1 в один этап с использованием стационарного прибора невозможно.

2. Демонстрации, выполняемые с известным прибором по схеме фиг. 1, имеют качественный характер; невозможно наглядно и убедительно обосновать пропорциональность между ϕ и t и равенство вращательных способностей ϕ_oλ для всех длин волн у правовращающего и левовращающего сортов кварца; невозможно установить и количественное соотношение между величинами ϕ_oλ для разных длин волн.

3. Невозможно осуществить опыт в белом свете, поскольку в этом случае имеет место однородная засветка поля зрения остаточными лучами. Все это делает известный прибор громоздким и существенно снижает наглядность и эффективность демонстрации.

Указанные недостатки устранены в предлагаемом учебном приборе по оптике.

Устройство предлагаемого учебного прибора по оптике поясняется фиг. 2, оптическая схема прибора приведена на фиг. 3, а эквивалентная призменная конфигурация дана на фиг. 4,б.

Рассмотрим устройство основной оптической части предлагаемого учебного прибора по оптике и конструкцию держателя кварцевой призмы и поляроидов. Основная оптическая часть прибора включает входной поляроид-поляризатор П (на фиг. 2 это деталь 1) в оправе 2 с рукояткой 3, съемную призменную систему, состоящую из двух кварцевых призм 6 и 7, и выходной поляроид-анализатор А в кольцевой оправе с рукояткой, идентичный поляризатору П (на фиг. 2 анализатор А не показан, чтобы лучше была видна основная деталь прибора - призменная система). Съемная призменная система - составная кварцевая призма (СКП) вставлена в ложе, образованное двумя одинаковыми передней и задней лицевыми стенками 5 (фиг. 1) с накладками 4, боковыми стенками 8 и основанием ложа столиком 9 со стержнем-стойкой 10. Каждая из лицевых стенок 5 представляет собой прямоугольную пластину размером 70 х 35 х 5 мм, вблизи верхнего края которой сделан центральный полукруглый вырез диаметром 52 мм. К стенкам 5 с обеих сторон прилагают накладки 4 в виде тонких пластинок прямоугольной формы размером 70 х 35 мм, вблизи верхнего края каждой из которых сделан центральный прямоугольный вырез размером 42 х 13 мм. При сборке прибора зазор между накладками 4 используют для установки в нем кольцевой оправы 2 с поляроидом 1; внешний диаметр кольца 52 мм, внутренний 45 мм, толщина кольца 5 мм. Боковые стенки 8 ложа имеют прямоугольную форму и размеры 25 х 27 х 10 мм, а прямоугольный столик 9 с размерами 25 х 42 х 10 мм имеет сквозное центральное отверстие, нарезанное под винт М8, в которое ввинчен стержень-стойка 10 диаметром 10 мм и длиной 170 мм при длине нарезанной части 8 мм. Каждая из лицевых стенок 5 с накладками 4 имеет два гладких отверстия диаметром 4 мм, отстоящие от верхнего края стенки на 17 мм и от боковых ее краев на 9 мм. Боковые стенки 8 на противоположных своих гранях, прилегающих к лицевым стенкам 5, имеют по отверстию, нарезанному под винты М3. Эти отверстия отстоят от верхнего края стенки на 17 мм и по местоположению согласованы с отверстиями в лицевых стенках. При помощи четырех винтиков длиной 15 мм с нарезкой М3 боковые стенки 8 скрепляют с лицевыми стенками 5. В средней по ширине нижней части стенок 8 на расстоянии 5 мм от нижнего края проделано гладкое отверстие диаметром 4 мм, а в соответствующих противоположных местах столика 9 нарезаны отверстия под винтики М3 и при помощи двух таких винтиков столик 9 скреплен с боковыми стенками 8, что превращает конструкцию в прочное и удобное ложен для установки призменной системы 6, 7 и поляроидов 1.

Рассмотрим более подробно геометрические и кристаллооптические свойства составной кварцевой призмы (СКП). Двупризменная система СКП представляет собой совокупность двух одинаковых по форме и размерам трехгранных прямоугольных призм с преломляющим углом α = 30^o. Призмы выпилены из энантиоморфных образцов кристаллического кварца, так чтобы направление оптической оси в каждой из призм оказалось перпендикулярным большей катетной грани (на фиг. 3 и 4 направление оптической оси в призмах показано горизонтальными стрелками). Размеры каждой из призм таковы: катеты треугольного основания 24 и 41 мм, гипотенуза 47 мм, высота призм 30 мм. Сложенные вместе гипотенузными гранями и установленные в ложе держателя прибора они образуют составную призму в виде прямого параллелепипеда размером 25 х 42 х 30 мм. Конфигурация основания призмы СКП показана на фиг. 4, а. Из фиг. 4, а видно, что в случае равенства по величине постоянной вращения ϕ_o для правовращающей и левовращающей разновидности кварца имеет место полная компенсация вращения плоскости поляризации вдоль средней линии призменной системы и равномерное возрастание угла поворота ϕ плоскости поляризации соответственно в правую и левую стороны по мере удаления проходящего луча от средней линии. Поэтому эквивалентная по вращательному действию призменная система имеет вид как на фиг. 4, б и представляет собой совокупность двух равнобедренных и симметрично расположенных 60^o призм соответственно из правовращающего (D) и левовращающего (G) кварца, соприкасающихся вдоль ребра при вершине с углом α₁= 2α = 60^°. Но в отличие от реальной системы, которая имела бы указанную конфигурацию, рассматриваемая эквивалентная система совершенно не уклоняет проходящий через нее световой пучок в стороны. Рассмотрим теперь общую схему экспериментальной установки предлагаемого учебного прибора по оптике (фиг. 3). Осветительная часть установки состоит из маломощной лампы накаливания (21 Вт, 12 В) с прямой спиралькой (длина спиральки 6 мм, диаметр витков 0,6 мм), закрепленной внутри кожуха Кж так, чтобы спиралька была ориентирована вертикально, линзы K, играющей роль конденсора, грубо коллимирующего выходящий из осветителя световой пучок, и съемного светофильтра Ф. Основная оптическая (поляризационная) часть установки, как уже отмечалось выше, состоит из поляроидов П и А и расположенной между ними составной кварцевой призмы (СКП). Проектирующая часть установки включает объектив Об, формирующий изображение выходной грани СКП на экране наблюдения Э.

Перейдем к обсуждению работы прибора и природы наблюдаемых в опытах с прибором явлений, а также к методике выполнения этих опытов. Как уже было отмечено выше, луч света, идущий вдоль средней линии призменной системы СКП (фиг. 4, а), совершенно не испытывает поворота плоскости поляризации и при параллельной ориентации поляроидов П и А проходит через прибор, имея максимальную интенсивность. В картине на экране наблюдения Э этому месту будет соответствовать нулевая светлая полоса ( ϕ = Kπ при K = 0). По мере удаления от средней линии, например вверх на фиг. 4,а, возникает поворот плоскости поляризации в правую сторону. При некотором удалении он достигает величины ϕ = 90^o и проходящий через призменную систему луч полностью задерживается анализатором А. В наблюдаемой на экране Э картине этому месту будет соответствовать темная полоса. При вдвое большем удалении проходящего луча от средней линии СКП имеем ϕ = 180^o и луч снова в максимальной степени проходит через анализатор А. Этому месту на экране Э соответствует следующая светлая полоса ( ϕ = Kπ при K = 1) и т.д. Таким образом, для образования светлых полос картины, наблюдаемой на экране Э, угол поворота плоскости поляризации должен составлять ϕ = Kπ, а для образования темных полос ϕ = (2K+1)π/2, где K - целое число, K = 0, 1, 2, .... Аналогичный эффект имеет место и при удалении от средней линии призменной системы вниз на фиг. 4,а. Единственное отличие состоит в том, что та же самая система светлых и темных полос теперь обусловлена вращением плоскости поляризации в левую сторону. Резюмируя, можно сказать, что в монохроматическом свете с длиной волны λ, полученном, например, посредством введения в световой пучок от лампы накаливания светофильтра (цветного стекла) Ф, эффект оптической активности в опыте, выполняемом по схеме фиг. 3, проявляется в формировании на экране Э изображения прибора СКП в виде системы эквидистантных светлых и темных полос. При этом общее число N светлых полос картины нетрудно связать с толщиной t призмы СКП и с постоянной вращения ϕ_o простым очевидным соотношением: ϕ_o= 180^°N/2t, что позволяет при известной толщине t уже в ходе демонстрационного опыта оценить величину ϕ_o с неплохой точностью. Образование картины в виде системы эквидистантных светлых и темных полос однозначно свидетельствует о способности кварца вращать плоскость поляризации и о пропорциональности между углом поворота ϕ и толщиной t слоя активной среды. Возвращаясь к известному прибору и опыту, выполняемому по схеме фиг. 1, можно еще раз отметить, что в известном приборе подобная закономерность обосновывается посредством последовательного во времени введения в схему фиг. 1 кристаллических кварцевых пластинок различной толщины и достижения однородного темного поля при соответственно разных углах поворота анализатора А. Опыт в такой его постановке не дает наглядного доказательства пропорциональности между ϕ и t, тогда как выполнение опыта с использованием предлагаемого учебного прибора по схеме фиг. 3 позволяет заменить развертку эффекта во времени на одномоментную пространственную развертку картины в виде системы эквидистантных полос, что является убедительным доказательством пропорциональности между ϕ и t и, вместе с тем, позволяет произвести оценку величины ϕ_o.

При замене светофильтра Ф₁ светофильтром Ф₂, пропускающим свет другой длины волны λ₂, изменяется ширина полос h_λ и общее их число N_λ. Например, опыт показывает, что при увеличении λ ширина полос h_λ быстро возрастает, а число N_λ соответственно t уменьшается. Это свидетельствует о том, что с увеличением λ постоянная ϕ_oλ быстро уменьшается. Поскольку размеры проектируемой на экран Э картины остаются неизменными, имеем N_λh_λ= const. Но h_λ~ 1/ϕ_oλ. Поэтому N_λ/ϕ_oλ = const или А так как общее число N_λ в ходе опыта можно легко и быстро сосчитать, то появляется возможность быстрой количественной оценки относительного изменения константы ϕ_oλ, сопутствующего изменению λ. А при известной толщине t призмы СКП можно оценить и абсолютные значения по указанной выше формуле ϕ_oλ= 180^°N/2t.
Особый интерес представляет возможность использования предлагаемого учебного прибора по оптике для полноценной одномоментной демонстрации ряда закономерностей оптической активности кварца в немонохроматическом белом свете лампы накаливания, что принципиально невозможно сделать посредством известного прибора. Опыт осуществляют при выведенном из схемы фиг. 3 светофильтре. При этом в луче света, проходящем прибор вдоль средней линии призменной системы СКП, имеет место полная компенсация угла поворота плоскости поляризации в правовращающей и левовращающей половине СКП для всех спектральных составляющих λ_i и ориентация плоскости поляризации на выходе из СКП для всех λ_i совпадает с ее ориентацией на входе в СКП. Поэтому при параллельной ориентации анализатора А и поляризатора П лучи всех длин волн λ_i максимально проходят прибор и на экране наблюдения Э изображение средней части прибора будет максимально освещено. Здесь формируется нулевая (K = 0, ϕ = Kπ = 0 для всех λ_i) ахроматическая белая полоса, а при повороте анализатора А вокруг светового пучка на 90^o все спектральные составляющие λ_i луча, проходящего СКП вдоль средней линии, будут полностью задержаны анализатором и на экране Э на месте ахроматической светлой полосы будет формироваться ахроматическая темная полоса. По мере удаления от средней линии СКП угол ϕ = ϕ_λ возрастает, причем тем быстрее, чем больше величина ϕ_oλ. Поэтому каждая спектральная составляющая λ_i формирует свою систему полос. Расстояние между светлыми полосами данной системы, малое для коротких длин волн (сине-зеленая часть спектра), быстро возрастает при переходе к длинным волнам (оранжево-красная часть спектра). Наложение систем полос разного цвета при разной их ширине приводит к появлению ярко окрашенных спектров, что и свидетельствует о существовании значительной по величине дисперсии вращательной способности кварца.

Наблюдение такой картины позволяет сделать два важных заключения:
1. Возникновение в белом свете центральной ахроматической нулевой полосы приводит к выводу о наличии двух модификаций кварца: правовращающего и левовращающего, причем для каждой длины волны λ постоянная ϕ_oλ совпадает по величине и противоположная по направлению вращения.

2. Образование в белом свете широких и ярко окрашенных спектров свидетельствует о сильной дисперсии вращательной способности кварца, а характер окраски полос позволяет с казать, что ϕ_oλ быстро убывает с увеличением λ.
Таким образом, демонстрация опытов с использованием предлагаемого учебного прибора по оптике позволяет сделать следующие выводы:
1. Кварц обладает оптической активностью.

2. Существуют левовращающая и правовращающая разновидности кварца.

3. Угол поворота плоскости поляризации пропорционален толщине активной среды.

4. Имеет место дисперсия вращательной способности ϕ_o= ϕ_oλ: величина ϕ_o зависит от длины световой волны, быстро уменьшаясь с возрастанием λ.
5. Оценки величины ϕ_o дают в желтой части спектра ϕ_o≈ 20 град/мм, в синей части спектра ϕ_o≈ 40 град/мм.0

Изобретение может быть использовано для демонстрации оптических явлений. Прибор содержит источник света, экран и расположенный между ними держатель с поляризатором, объектом из кристаллического кварца и анализатором. Объект из кристаллического кварца выполнен в виде двух трехгранных прямоугольных призм с преломляющим углом, равным 30^o, из правовращающего и левовращающего кристаллов кварца. Призмы сложены вместе гипотенузными гранями и установлены в коллимированном световом пучке в виде прямого параллелепипеда. Направления оптических осей в призмах перпендикулярны к большей грани параллелепипеда и совпадают с направлением оси коллимированного светового пучка. Прибор позволяет осуществить одномоментную демонстрацию закономерностей оптической активности кристаллического кварца. 4 ил.

Учебный прибор по оптике, содержащий источник света, экран и расположенный между ними держатель с поляризатором, объектом из кристаллического кварца и анализатором, отличающийся тем, что объект из кристаллического кварца представляет собой две трехгранные прямоугольные призмы с преломляющим углом, равным 30^o из правовращающего и левовращающего кристаллов кварца, сложенные вместе гипотенузными гранями и установленные в коллимированном световом пучке в виде прямого параллелепипеда, причем направления оптических осей в призмах перпендикулярны к большей грани параллелепипеда и совпадают с направлением оси коллимированного светового пучка.