法拉第效應(yīng)教案

PAGEPAGE5課時(shí)安排：3學(xué)時(shí)教學(xué)課型：實(shí)驗(yàn)課題目：法拉第效應(yīng)教學(xué)目的要求（分掌握、熟悉、了解三個(gè)層次）：通過實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生達(dá)到以下目的：1、觀察磁旋光現(xiàn)象，學(xué)習(xí)測定樣品的磁旋光特性2、了解磁旋光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)和使用教學(xué)內(nèi)容（注明：*重點(diǎn)#難點(diǎn)？疑點(diǎn)）：一、實(shí)驗(yàn)所用儀器：1.半導(dǎo)體激光器2.起偏器，檢偏器3.高頻螺旋線圈4.控制電源5.磁光材料6.光電探測器7.光具座。二、實(shí)驗(yàn)原理部分：一、磁旋光現(xiàn)象有些物質(zhì)，如順磁性、鐵磁性和亞鐵磁性材料等，其內(nèi)部組成的原子或離子都具有一定的磁矩，由這些磁性原子或離子組成的化合物有很強(qiáng)的磁性，稱為磁性物質(zhì)。人們發(fā)現(xiàn)，在磁性物質(zhì)內(nèi)部有很多的小區(qū)，在每個(gè)小區(qū)內(nèi)，所有原子或離子的磁矩都互相平行的排列著，這種小區(qū)成為磁疇；因?yàn)楦鱾€(gè)磁疇的磁矩方向不同，因而其作用相互抵消，所以宏觀上并不顯示出磁性。若沿物體的某一方向施加一外磁場，那么物體內(nèi)各磁疇的磁矩就會(huì)從各個(gè)不同的方向轉(zhuǎn)到磁場方向上來，這樣對(duì)外就顯示出磁性。當(dāng)光波通過這種磁化的物質(zhì)時(shí)，其傳播特性就會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象成為磁光效應(yīng)。磁光效應(yīng)包括法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，克爾效應(yīng)，磁雙折射效應(yīng)等。其中最主要的是法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，它使一束線偏振光在外加磁場作用下的介質(zhì)中傳播時(shí)，其偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角度的大小與沿光束方向的磁場強(qiáng)度和光在介質(zhì)中傳播的長度L之積成正比，即：式中，V稱為Verder常數(shù)，它表示在單位磁場強(qiáng)度下線偏振光通過單位長度的磁光介質(zhì)后偏振方向旋轉(zhuǎn)的角度。對(duì)旋光效應(yīng)的物理原因，可解釋為外加磁場使介質(zhì)分子的磁矩定向排列，當(dāng)一束線偏振光通過它時(shí)，分解為兩個(gè)頻率相同，初相位相同的圓偏振光，其中，一個(gè)圓偏振光的電矢量是順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，稱為右旋偏振光，而另一個(gè)偏振光是逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，稱為左旋偏振光。這兩個(gè)圓偏振光無相互作用的以兩種略有不同的速度傳播，它們通過一定厚度的介質(zhì)之后產(chǎn)生不同的相位延遲，所以兩圓偏振光間存在相位差，當(dāng)它們通過介質(zhì)之后，又合成一線偏振光，其偏振方向相對(duì)于入射光旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度。圖1中YZ表示入射介質(zhì)的線偏振光的振動(dòng)方向，將振幅分解為左旋和右旋兩矢量和，假設(shè)介質(zhì)長度L使右旋矢量在出射面剛好轉(zhuǎn)回到原來的方向，此時(shí)左旋光矢量轉(zhuǎn)到，于是合成的線偏振光相對(duì)于入射光的偏振方向轉(zhuǎn)了一個(gè)角度。磁旋光效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)方向僅與磁場方向有關(guān)，而與光學(xué)傳播方向的正逆無關(guān)，這是磁旋光效應(yīng)與晶體自然旋光現(xiàn)象的不同之處。當(dāng)光束往返經(jīng)過自然旋光晶體時(shí)，因旋轉(zhuǎn)角相等方向相反而相互抵消，但通過磁光介質(zhì)時(shí)，只要磁場方向不變，旋轉(zhuǎn)角都朝一個(gè)方向增加。此現(xiàn)象說明磁旋光效應(yīng)是一個(gè)不可逆的光學(xué)過程，因而可用來作為光隔離器等光學(xué)器件。二、磁光調(diào)制器磁光調(diào)制是把傳遞的信息轉(zhuǎn)換成光波強(qiáng)度等參量隨時(shí)間的變化，將電信號(hào)先轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的交變磁場，由磁光效應(yīng)改變在介質(zhì)中傳播的光波偏振態(tài)，從而達(dá)到改變光強(qiáng)度等參量的目的。磁光調(diào)制器的組成見圖2。磁光材料放在入射光軸上，其兩端放置有起、檢偏器，高頻螺旋線圈環(huán)繞其上，受驅(qū)動(dòng)電源的控制，用以提供平行于光軸的信號(hào)磁場，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電源輸出電流強(qiáng)度變化，信號(hào)磁場也隨之同步變化（驅(qū)動(dòng)電源輸出電流強(qiáng)度變大，信號(hào)磁場也變大）。入射光通過磁場時(shí)，由于法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，就會(huì)使光的偏振面發(fā)生相應(yīng)的變化。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、將設(shè)備按下圖擺放。2、分別連接半導(dǎo)體激光器和光探頭到OPT－1A型功率計(jì)上（插頭均在后面板上），打開激光器和功率計(jì)電源（此時(shí)先不開FLD－1法拉第效應(yīng)驅(qū)動(dòng)電源開關(guān)），調(diào)整光路，使光束可穿過電磁線圈中心的磁致旋光材料。3、旋轉(zhuǎn)檢偏器，使功率計(jì)指示值最小（選用最小檔位），這時(shí)起偏器和檢偏器相互垂直，處于消光狀態(tài)。4、用導(dǎo)線將“電磁線圈和磁光材料”器件連接到FLD－1法拉第效應(yīng)驅(qū)動(dòng)電源上（紅與紅接，黑與黑接），然后打開線圈驅(qū)動(dòng)電源，將驅(qū)動(dòng)電源電流調(diào)到0.5A，此時(shí)功率指示值將發(fā)生變化。5、重新旋轉(zhuǎn)檢偏器，使功率指示值盡可能的小，系統(tǒng)重新進(jìn)入消光狀態(tài)，記下此時(shí)的電流值和檢偏器的角度變化值和方向。6、按一定間隔（約0.5A）增大電流，重復(fù)步驟5，記下相應(yīng)的電流值和檢偏器的角度變化值。7、根據(jù)電流與電磁線圈中磁場的關(guān)系和以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，作關(guān)系圖，并說明與B的大致關(guān)系。（如有高斯計(jì)，可測出材料的Verdet常數(shù)，其中L=30mm。）8、將激光器與光探頭對(duì)換位置，使光束從電磁線圈的另一端穿過磁致旋光材料，改變勵(lì)磁電流，重復(fù)步驟5和6，作關(guān)系圖，并與步驟7中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，說明它們之間的關(guān)系。9、交換驅(qū)動(dòng)電源的電流輸出導(dǎo)線，改變電磁線圈中的電流方向，改變電流大小，重復(fù)步驟5和6，作關(guān)系圖，并與步驟7及8中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，說明它們之間的關(guān)系。?！緮?shù)據(jù)與處理】1、根據(jù)表1數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙上做出電流強(qiáng)度—偏振角關(guān)系直線。表1正向電流，從左向右照射的關(guān)系I（A）2、根據(jù)表2數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙上做出電流強(qiáng)度—偏振角關(guān)系直線。表2正向電流，從右向左照射的關(guān)系I（A）3、根據(jù)表3數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙上做出電流強(qiáng)度—偏振角關(guān)系直線。表3反向電流，從右向左照射的關(guān)系I（A）【注意事項(xiàng)】1、各儀器的中心軸一定要調(diào)節(jié)等高共軸。2、實(shí)驗(yàn)測量時(shí)，要保證起偏器和檢偏器的角度面板朝同一方向。3、實(shí)驗(yàn)測量時(shí)，光探頭要盡量靠近檢偏器，以減少周圍背景光對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。教學(xué)方式、手段、媒介：實(shí)驗(yàn)講義和板書。板書設(shè)計(jì)：一、原理部分1、什么叫磁光效應(yīng)？2、磁光效應(yīng)包括哪些？3、磁旋光效應(yīng)與晶體自然旋光現(xiàn)象的不同之處是什么？（磁旋光效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)方向僅與磁場方向有關(guān)，而與光學(xué)傳播方向的正逆無關(guān)，這是磁旋光效應(yīng)與晶體自然旋光現(xiàn)象的不同之處。）4、一些公式：一束線偏振光在外加磁場作用下的介質(zhì)中傳播時(shí)，其偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角度的大小與沿光束方向的磁場強(qiáng)度和光在介質(zhì)中傳播的長度L之積成正比。二、測量部分1、正向電流，從左向右照射的關(guān)系2、正向電流，從右向左照射的關(guān)系3、反向電流，從右向左照射的關(guān)系注意：以上測量數(shù)據(jù)時(shí)按一定間隔（約0.5A）增大電流，重復(fù)講義上的步驟5，記下相應(yīng)的電流值和檢偏器的角度變化值。當(dāng)將激光器與光探頭對(duì)換位置，重新測量時(shí)，起偏器與檢偏器的面板要轉(zhuǎn)個(gè)180度，面板統(tǒng)一朝向激光光源。討論、思考題、作業(yè)：完整地實(shí)驗(yàn)報(bào)告做一份參考書目：1．黃志高．近代物理實(shí)驗(yàn).福州:福建教育出版社，2001年2．吳思誠，王祖銓．近代物理實(shí)驗(yàn)(第二版).北京:北京大學(xué)出版社，1986年3．吳思誠，王祖銓．近代物理實(shí)驗(yàn)(第三版).北京:北京大學(xué)出版社，2005年附：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量及處理部分1、根據(jù)表1數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙上做出電流強(qiáng)度—偏振角關(guān)系直線。表1正向電流，從左向右照射的關(guān)系I（A）0.511.011.542.032.532.98(°)90868379.576730.60.91.52.23.03.72、根據(jù)表2數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙上做出電流強(qiáng)度—偏振角關(guān)系直線。表2正向電流，從右向左照射的關(guān)系I（A）0.491.011.532.012.523.07(°)368365361.53593553510.20.20.30.40.50.63、根據(jù)表3數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙上做出電流強(qiáng)度—偏振角關(guān)系直線。表3反向電流，從右向左照射的關(guān)系I（A）0.481.041.532.022.533.02(°)151921.5252831.50.20.30.40.450.550.71