Поляризация в физике это: Поляризация света — все статьи и новости - Санкт-Петербургское государственное бюджетное учреждение социального обслуживания населения

Содержание

Поляризация света. Волновая оптика ::Класс!ная физика

Поляризация волн

Свойство поперечных волн – поляризация.

Поляризованной волной называется такая поперечная волна, в которой колебания всех частиц происходят в одной плоскости.
Такую волну можно получить с помощью резинового шнура, если на его пути поставить преграду с тонкой щелью. Щель пропустит только те колебания, которые происходят вдоль нее.

Устройство, выделяющее колебания, происходящие в одной плоскости, называется поляризатором.

Устройство, позволяющее определить плоскость поляризации (вторая щель) называется анализатором.

Поляризация света

Опыт с турмалином – доказательство поперечности световых волн.

Кристалл турмалина – это прозрачный, зеленого цвета минерал, обладающий осью симметрии.

В луче света от обычного источника присутствуют колебания векторов напряженности электрического поля Е и магнитной индукции В всевозможных направлений, перпендикулярных направлению распространения световой волны.

Такая волна называется естественной волной.

При прохождении через кристалл турмалина свет поляризуется.
У поляризованного света колебания вектора напряженности Е происходят только в одной плоскости, которая совпадает с осью симметрии кристалла.

Поляризация света после прохождения турмалина обнаруживается, если за первым кристаллом (поляризатором) поставить второй кристалл турмалина (анализатор).
При одинаково направленных осях двух кристаллов световой луч пройдет через оба и лишь чуть ослабнет за счет частичного поглощения света кристаллами.

Схема действия поляризатора и стоящего за ним анализатора:

Если второй кристалл начать поворачивать, т.е. смещать положение оси симметрии второго кристалла относительно первого, то луч будет постепенно гаснуть и погаснет совершенно, когда положение осей симметрии обоих кристаллов станет взаимно перпендикулярным.

Вывод:
Свет- это поперечная волна.

Применение поляризованного света:

– плавная регулировка освещенности с помощью двух поляроидов
– для гашения бликов при фотографировании (блики гасят, поместив междуисточником света и отражающей поверхностью поляроид)

– для устранения слепящего действия фар встречных машин.

Другие страницы по теме “Волновая оптика”:

Природа света. Измерение скорости света
Отражение света
Преломление света
Полное внутреннее отражение
Дисперсия света
Интерференция света
Дифракция света
Поляризация света

НЕОЖИДАННОЕ О ВЕЛИКИХ

В 1923 году потомок французской королевской семьи Луи де Бройль написал диссертацию о двойственной природе света. Французская академия наук скептически отнеслась к работе автора, но из уважения к особе королевской крови решило пригласить одного-единственного эксперта в качестве третейского судьи. Решал судьбу Луи де Бройля Альберт Эйнштейн.

Эксперт дал положительный отзыв, и с тех пор мы знакомимся в учебниках физики с гипотезой Луи де Бройля.
___

В 1926 году известный ученый Эрвин Шредингер в своей статье опубликовал основное уравнение волновой механики. И именно Шредингеру принадлежит гипотетический эксперимент, известный под названием «Кот Шредингера». Он состоит в том, что в светонепроницаемом ящике заперта кошка, о которой не известно, жива она или мертва. На шее у кошки прикреплен динамит, который взорвется от первого же кванта света и кошку погубит. Таким образом узнать, жива ли кошка, невозможно. А что об этой ситуации думаете Вы?

___

В США в штате Мэн в музее науки создан необычный экспонат. Экспонат представляет собой кусок шоссе длиной 40 миль. Вдоль шоссе расположены несколько объектов, самый большой из которых имеет радиус 15 метров. На въезде на это шоссе-экспонат стоит плакат, предлагающий всем, едущим по шоссе, придерживаться скорости 11 км/ч. Интересно, что этот экспонат символизирует модель Солнечной системы в масштабе 1: 93 000 000, а скорость 11км/час – скорость света в том же масштабе.

Поляризация света в физике – формулы и определения с примерами

Содержание:

Поляризация света:

В продольной волне колебания происходят вдоль направления распространения волны.

В поперечной волне колебания происходят в направлении, перпендикулярном направлению распространения.

Рассмотрим еще одно важное свойство света, которое состоит в том, что свет может быть поляризован. Слово поляризация происходит от латинского polus — конец оси, полюс. Применительно к свету термин «поляризация» ввел Ньютон. Для того чтобы лучше разобраться в этом явлении, рассмотрим пример механической волны, бегущей по веревке. В ней можно возбудить поперечные волны, колебания в которых могут происходить как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости (рис. 46).

Если в направлении распространения такой волны поставить два ящика со щелями, параллельными направлениям колебаний в волне, то волна пройдет через оба из них (рис. 47, а). Если же один из ящиков повернуть на 90°, так чтобы щели были взаимно перпендикулярны, то волна не пройдет через второй ящик (рис. 47, б).

Таким образом, поперечные волны «погасить» можно. Продольные волны, в которых колебания совершаются вдоль направления распространения, так
«погасить» невозможно, поскольку они будут проходить через щели ящиков при их произвольной взаимной ориентации.

Если представить теперь поперечную волну, колебания в которой происходят вдоль любых прямых линий в плоскости, перпендикулярной ее направлению распространения, то погасить такую волну можно, пропустив ее через два ящика со скрещенными щелями. При пропускании такой волны через один ящик в ней будут оставаться колебания, параллельные его щели.

Таким образом, в поляризованной волне существует выделенное направление.

Поперечная волна называется плоскополяризованной, если колебания во всех ее точках происходят только в одной плоскости.

Прибор, превращающий неполяризованную волну в поляризованную, называется

поляризатором.

Прибор, позволяющий установить, поляризована или нет проходящая через него волна, называется анализатором.

Явление поляризации световых волн можно обнаружить, пропуская свет через две одинаковые пластинки, вырезанные из кристалла турмалина (рис. 48).

Если пластинки расположены и ориентированы параллельно друг другу, то свет попадает в глаз наблюдателя. Если после этого поворачивать одну из пластин в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света, то попадающий в глаз наблюдателя свет будет постепенно ослабевать. При скрещивании пластин свет не будет попадать в глаз наблюдателя (см. рис. 48). Дальнейшее вращение пластины приведет к увеличению интенсивности пропускаемого света. Максимальное пропускание будет наблюдаться при одинаковой ориентации пластин

Рассмотренный эксперимент показывает, что электромагнитные волны — поперечны.

Совокупность явлений, в которых проявляется свойство поперечности световых волн, называется поляризацией света.

В качестве направления поляризации электромагнитных волн принято выбирать направление колебаний напряженности электрического поля £, потому что на сетчатку глаза действует электрическое поле световой волны.

Плоскость поляризации определяется как плоскость, содержащая напряженность электрического поля и скорость волны. Если колеблется только в этой плоскости, то свет называется плоскополяризованным или линейно поляризованным (рис. 49).

Если же конец вектора при колебаниях описывает окружность (рис. 50), то свет называется поляризованным по кругу, а если — эллипс, то — эллиптически поляризованным (рис. 51).

Свет также может быть неполяриэованным, или естественным. В этом случае колебания вектора происходят неупорядоченно по всевозможным направлениям, но остаются все время перпендикулярными к направлению распространения.

Неполяризованный свет излучается большинством окружающих нас источников, к которым относятся Солнце, другие звезды, лампы накаливания и т. д.

Поляризованный свет дают экраны калькуляторов, мобильных телефонов, а также жидкокристаллические мониторы и телевизоры. В этом легко убедиться с помощью поляроидных очков, вращая, например, экран мобильного телефона в плоскости, нормальной лучу зрения (см. рис. 48). При некотором положении телефона его экран практически полностью затемнится.

Что такое поляризация света

Явления интерференции и дифракции света доказали, что свет имеет волновую природу. Вам известно из 10-го класса, что волны разделяются на: продольные и поперечные. В продольных волнах направление колебания частицы среды совпадает с направлением распространения волны, а в поперечных волнах направления перпендикулярны.

В течение долгого времени основатели волновой оптики Юнг и Френель считали, что световые волны являются продольными волнами. Так как продольные механические волны могут распространяться в твердых, жидких и газообразных средах. А поперечные механические волны могут распространяться только в твердых телах. Однако многие проведенные эксперименты объяснить невозможно, если рассматривать световые волны как продольные. Рассмотрим один из таких экспериментов.

Пусть из кристалла турмалина, расположенного параллельно одной из осей кристаллической решетки плоскости, вырезана пластина. Эту пластину расположим перпендикулярно лучу света (рис. 4.24).

Медленно вращаем пластину вокруг оси проходящего луча света. Видим, что не происходит никакого изменения в интенсивности света, прошедшего через турмалин. Эксперимент повторим: расположим после пластины еще одну такую же пластину .В этот раз, оставляя в покое пластину , медленно вращаем пластину , вокруг оси. При этом наблюдаем изменение интенсивности света, проходящего через пластины. Интенсивность света уменьшается от максимального значения до нуля в зависимости от вращения пластины , относительно , (рис. 4.24). Исследования показали, что если оси пластин будут параллельными, интенсивность проходящих лучей будет высокой, если перпендикулярны, то равна нулю. В результате эксперимента доказали, что интенсивность проходящего света зависит от

Для объяснения этого явления рассмотрим прохождение продольной и поперечной волн через решетки (рис. 4.25).

Возьмем веревку и закрепим один из ее концов. Второй конец пропустим между двумя щелями решетки и встряхнем. По всей длине веревки создаются поперечные волны. В первом случае из-за того, что решетки расположены параллельно, волны проходят через обе решетки. Если вторую решетку установим поперечно, волна через нее не проходит, а гаснет. Если эксперимент повторить с продольными волнами, можно увидеть, что они проходят через обе решетки.

Если сопоставить явления, наблюдаемые на свету с турмалиновыми пластинками и переход поперечных механических волн через решетки, то выясняется, что они похожи. Отсюда делаем вывод, что световые волны являются поперечными волнами.

На рис 4.25 видно, что если решетку поставить поперечно, то волна через нее не проходит. Но на опыте по прохождению света через турмалиновую пластину видим, что если пластину вращать вокруг своей оси, через нее проходит свет. Когда вращаем пластину уменьшается интенсивность света, падает до нуля. Значит, когда свет проходит через меняются его свойства.

Это можно объяснить следующим образом. Излучаемые волны беспорядочно распространяются в разные стороны из-за неупорядоченного расположения атомов в источнике света и неодновременного испускания луча. Поэтому направления векторов напряженности электрического и магнитного полей будут беспорядочными. Когда они попадают на пластину через кристаллическую решетку лучи проходят в одном определенном направлении (рис. 4.26).

Значит, направления векторов напряженности электрического и магнитного полей световой волны, прошедший через будут упорядоченными. Этот свет называется поляризованным светом. Явление, которое мы наблюдали, называется поляризацией света. Как было сказано выше, на пластину , падает поляризованный свет. Интенсивность света, прошедшего через нее, определяется по закону Малиуса:

Как было сказано выше, свет состоит из электромагнитной волны, образующейся в результате совместного распространения двух взаимно перпендикулярных колебаний (рис. 4.8). Исторически сложилось, что плоскость, на которой лежат колебания вектора напряженности электрического поля называется плоскостью колебания. Плоскость на которой лежат колебания вектора напряженности магнитного поля называется плоскостью поляризации.

Если направления колебания векторов электромагнитной волны каким-то образом упорядочены, то этот свет называется поляризованным светом. Если колебания вектора происходят только в одной плоскости, такой свет называют плоско (или прямолинейно) поляризованным светом.

Прибор, с помощью которого можно поляризовать естественный свет, называется поляризатором. Его изготавливают из турмалина, исландского шпата и других прозрачных кристаллов. Для определения степени поляризации света и положения поляризационной плоскости также используют поляризаторы. В последнем случае их называют анализаторами. На рисунке 4.24 пластина выполняет функцию поляроида, пластина – функцию анализатора.

Стало известно, что поляризация света происходит не только в турмалиновом кристалле, но и в других кристаллах. Например, исландский шпат. Его толщина может быть 0,1 мм и меньше. Приклеивая такую пленку к целлулоиду, получают поляризатор – это пластина площадью несколько квадратных дециметров.

Поляризованный свет широко используют в технике. Например, для получения качественного фото, определения концентрации органических кислот, белка и сахара в растворах.

Определение поляризации света

В результате распространения волн в среде происходят . вспомните пройденное. следующие явления:

а) колебательное движение частиц среды, в которой распространяется волна: частицы среды совершают только колебания около положения равновесия, и в волне не происходит перенос вещества;
б) взаимодействие частиц среды с соседними частицами: в результате взаимодействия частиц среды происходит перенос энергии.

Поперечная волна – это волна, колебания частиц среды в которой происходят перпендикулярно направлению распространения волны. Поперечные волны могут распространяться в твердых средах и на поверхности жидкостей. Поперечные волны распространяются в среде в виде выпуклостей и впадин.

Свет, отраженный от белого снега зимой, и свет фар встречных автомобилей ночью беспокоят водителей (а) и иногда становятся причиной дорожно-транспортных происшествий. Водителям рекомендуют в таких ситуациях пользоваться поляроидными очками, которые обеспечивают нормальное видение предметов вокруг (b).

Одним из важнейших результатов теории Максвелла стало го, что свет является поперечной электромагнитной волной. Согласно этой теории, свет, являясь электромагнитной волной, представляет собой распространение в пространстве колебаний векторов напряженности электрического и индукции магнитного полей (). Эти колебания происходят по всем направлениям в плоскостях, перпендикулярных друг другу и направлению скорости распространения (е). Например, белый свет, излучаемый Солнцем, является естественной световой волной.

Явления интерференции и дифракции наблюдаются и в продольных, и в поперечных волнах, поэтому с их помощью невозможно определить поперечность световых волн. Однако существует другое оптическое явление, с помощью которого это можно подтвердить. Это явление поляризации света.

Поляризованный свет – часть естественного света, отделенная от него специальным приспособлением, в которой колебания вектора происходят в определенной плоскости (см. е).

Одним из таких приспособлений, поляризующих свет, является кристалл турмалина. Один из опытов, проведенных с помощью кристаллов турмалина, заключается в следующем: на пластину турмалина направляют перпендикулярный луч белого света. На первый взгляд кажется, что прошедший через него свет не изменяется. Но на самом деле кристалл турмалина пропускает свет, в котором вектор колеблется только в одной определенной плоскости М (см. е). Значит, через пластину турмалина проходит плоскополяризованный свет. Такая пластина называется поляроидом. Чтобы проверить, действительно ли поляризован свет, перед прошедшим через поляроид свет ставят вторую такую же пластину – анализатор.

Становится понятно, что свет полностью проходит сквозь обе пластины, когда оси 00′ поляроида и анализатора параллельны (f). При изменениях угла между осями пластин в пределах наблюдается уменьшение интенсивности проходящего сквозь них света – частичное прохождение света. Но когда оси 00′ перпендикулярны друг другу, свет не проходит сквозь анализатор (g).

Оптика. Поляризация света. Опыты – Класс!ная физика

Оптика. Поляризация света. Опыты

Подробности: Просмотров: 424

09.2017

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

Неполяризованный свет, например, солнечный, состоит из электромагнитных волн, в которых электрические поля колеблются во всевозможных направлениях.
Поляризованный свет состоит из электромагнитных волн, которые колеблются в одном направлении или в одной плоскости.

Опыт 1

Включите настольную лампу (накаливания) и установите ее так, чтобы была видна лампочка накаливания. Встаньте на расстоянии примерно 1 м от нее. Посмотрите на лампочку и запомните ее яркость.

Выньте пластиковые линзы из очков.
Стоя на расстоянии 1 м от лампы, закройте один глаз и посмотрите другим на лампу сквозь одну из поляризующих линз от очков. Запомните яркость лампочки в этом случае.

Возьмите вторую линзу и держите ее перед первой, не касаясь ее. Закрыв один глаз, посмотрите на лампочку сквозь обе линзы. Не меняя положения первой, вращайте вторую линзу до тех пор, пока яркость лампочки не станет максимальной. Затем медленно поверните вторую линзу на 90°, наблюдая при этом за тем, как будет меняться яркость лампочки.

Что должно было произойти?
Яркость лампы уменьшается, когда вы рассматриваете ее сквозь линзу.

Если посмотреть на лампу сквозь обе линзы, то можно убедиться, что ее яркость стала еще меньше. При вращении одной из линз перед другой вы увидите, что яркость лампы становится все меньше и меньше. Наконец вы вообще перестанете видеть свет от лампы.

Почему?
Видимый свет — способ распространения энергии в виде электромагнитных волн. Свет представляет собой поперечные волны, колебания которых происходят во всех направлениях перпендикулярно к направлению распространения света. Поляризованный свет — это такие электромагнитные волны, у которых колебания электрических полей параллельны друг другу. Поляризация света характеризует направление электрического поля в электромагнитной световой волне. Световая волна, электрическое поле которой колеблется в вертикальном направлении, является вертикально поляризованной. Световая волна, электрическое поле которой колеблется в горизонтальном направлении, называется горизонтально поляризованной.

Неполяризованный свет содержит световые волны с электрическими полями, чьи колебания происходят в различных направлениях. Пример неполяризованного света — свечение лампы накаливания в нашем опыте.

Поляризующая линза действует как поляризатор, т. е. такое вещество, которое, при прохождении через него света, пропускает только электрические поля, колеблющиеся в одном направлении или в одной плоскости.
Когда свет попадает на поляризующую линзу, часть его отражается, а часть поглощается линзой. Через линзу проходит только та часть света, у которого электрические поля колеблются в одной заданной плоскости. Из поляризатора свет выходит поляризованным.

На рисунке показана вертикальная поляризация света. Поляризующие солнцезащитные очки сделаны из синтетического материала с добавлением игольчатых кристаллов. Эти кристаллы ориентированы параллельно друг другу. Благодаря им поляризующая линза действует таким образом, как будто она состоит из множества параллельных щелей. Поэтому через поляризатор проходят только те световые волны, у которых плоскость колебаний электрических полей совпадает с направлением расположения параллельных щелей.

Если разместить друг перед другом две поляризующие линзы, они будут действовать как два одинаково ориентированных поляризатора. Первая линза по ходу распространения света называется поляризатором, а вторая линза – анализатором (анализатор — такой поляризатор, который используется для определения поляризации света). Когда кристаллы в обеих линзах ориентированы параллельно друг другу, то через линзы проходит максимально возможное количество света. Если, начиная от этого положения, повернуть анализатор на 90°, кристаллы в линзах окажутся расположенными под прямыми углами друг к другу, и поляризованный свет не сможет пройти через анализатор.

Опыт 2

Как влияют на свет неполяризующие линзы?
Повторите опыт с линзами, взятыми из каких-либо дешевых, неполяризующих солнцезащитных очков.

Опыт 3

Как определить угол полной поляризации света при отражении от воды?
Неполяризованный свет становится частично поляризованным при отражении от неметаллических поверхностей, например, от воды или стекла. Часть света при этом пропускается и/или поглощается. Параллельные лучи падающего света испытывают сильное отражение от поверхности. Отраженный свет оказывается частично поляризованным в направлении, параллельном поверхности, от которой он отражается. Итак, когда свет отражается от глади озера или от другой какой-либо поверхности, параллельной поверхности Земли, он становится горизонтально поляризованным. При некотором угле падения (угле между падающим лучом света и линией, перпендикулярной к поверхности) свет, отраженный от неметаллической поверхности, становится полностью поляризованным. Такой угол падения света называется углом полной поляризации.

Наполните большую миску водой и поставьте ее на стол в темной комнате. Зажгите фонарик, расположите его над водой и направьте свет перпендикулярно (по нормали, под углом 90°) к поверхности воды. Сядьте лицом к миске с водой и понаблюдайте за поверхностью воды через поляризующую линзу. Поскольку вода действует как поляризатор, линза является анализатором.

Часть света войдет в воду и будет видно как световое пятно на дне миски, а часть света отразится от поверхности воды, в результате чего появится изображение (образ физического объекта, сформированный отраженным от поверхности светом) фонаря.

Поверните анализатор, чтобы определить, поляризован ли свет, отраженный от поверхности воды. Степень поляризации определяется тем, насколько сильно исчезает отраженный свет (изображение). Если видимое вами изображение не изменится, это значит, что отраженный свет не поляризован. Если при повороте линзы-анализатора наступит момент, когда изображение полностью исчезнет, это значит, что отраженный свет поляризован на 100%.

Увеличьте угол падения света, сильнее наклонив фонарик, и проанализируйте отражение света при новом угле. Продолжайте ваше исследование для разных углов, пока пучок света от фонаря не станет параллельным поверхности воды.

Опыт 4

Как влияет на поляризацию материал, из которого сделана отражающая поверхность?

Повторите предыдущий опыт с использованием различных материалов. В качестве гладкой металлической поверхности можно взять плоскую сковородку.

Опыт 5

Как определить оптическую активность различных веществ?
Вещество называется оптически активным, если оно поворачивает плоскость поляризации световых воля, проходящих через него.

Чтобы узнать, является ли пластиковый стакан оптически активным, поместите его на одной прямой с лампой, поляризатором и анализатором. Вращайте анализатор и наблюдайте, как будет меняться цветовая картина.

Чтобы проверить оптическую активность скотча, можно натянуть кусок прозрачной ленты на какую-нибудь небольшую рамку, вырезанную, например, из картона, и поместить рамку на одной прямой линии с лампой, поляризатором и анализатором, между поляризатором и анализатором. Вращайте анализатор и наблюдайте, как будет меняться цветовая картина.

ЕЩЕ РАЗ

Наденьте поляризующие солнцезащитные очки. Посмотрите, как выглядят предметы вокруг вас.

Поместите перед глазами вторую пару очков. Медленно вращайте рукой вторые очки так, чтобы одна из линз поворачивалась перед вашим правым глазом. Наблюдайте за качеством изображения по мере вращения очков.
Надетые очки снимают блики с блестящих предметов и меняют форму тени. Когда вы вращаете перед глазом поляризующую линзу от вторых очков, изображение темнеет и наконец исчезает совсем.

Почему?
На поляризующей линзе нарисовано бесчисленное множесто параллельных штрихов.

Световые колебания, которые совершаются в плоскости, параллельной направлению штрихов, проходят, а все другие колебания пройти не могут.

Источник: Дж. Ванклив “Занимательные опыты по физике” и “200 экспериментов”

«Поляризация света как физическое явление в науке и в жизни»

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение “Средняя школа № 2 им. Е.А. Горюнова п. Хвойная”

«Поляризация света как физическое явление в науке и в жизни»

Введение ………………………………………………………………………..с.3

1.1 Свет – электромагнитная волна………………………………….…………с.5

1. 2.Явление поляризации………………………………….……………………с.6

1.3.Получение поляризованного света……………………………………. .…с.8

1.3.2.Поляризация света при отражении от поверхности диэлектрика….……………………………………………….……….…с.11

Глава 2. Создание видеоролика (Практическая часть работы)…………..…с.15

2.1 Опыт1 ……………………………………………………………..…с.20

2.2 Опыт2…………………………………………………………………с.20

Заключение………………………………………………………………….….с.21

Литература………………………………………………………………………с.22

Приложение№1…………………………………………………………………с.24

Приложение№2…………………………………………………………………с.30

Приложение№3…………………………………………………………………с.33

В современной жизни человек всё чаще встречается с термином «поляризация». Проявление такого явления света как поляризация распространено в природе. Достаточно широка область применения поляризации в технике и быту. Все больше становится изобретений, основанных на поляризации света. Одно из них – поляризационные очки, защищающие глаза от бликов. Эти очки стали необходимым, а иногда и жизненно необходимым предметом для многих людей.

Так что же такое «поляризация света», в чем заключается сущность и важность этого явления?

Так как многие из нас, может быть, не знают ответы на эти вопросы, я считаю свою тему актуальной.

Цель: изучение явления поляризации света и применение этого явления в производстве и в быту.

1. Подобрать и изучить необходимую литературу (в публикациях и в сети Интернет).

2.Выяснить, что представляет собой явление поляризации света.

3. Рассмотреть области применения изучаемого явления.

4. Провести опыты по получению и исследованию поляризации света.

5. Соотнести теоретические данные о поляризации света, взятые из различных источников, с результами опытов, которые были получены на практике для полного исследования явления.

6. Осуществить общее оформление работы (выделить этапы, использовать ссылки на имеющиеся публикации и информацию сети Интернет, составить библиографию).

7. Создать обучающий видеоролик, рассказывающий о поляризации света и ее применении.

8. Продемонстрировать выполненную работу классу на уроке физики с целью освещения явления поляризации, а также применения этого явления.

Объект исследования: физическое явление.

Предмет исследования: поляризация света.

В своей работе я использовала различную литературу. Во-первых, это взятые в библиотеке научные книги, из которых я брала основную информацию по поляризации света: для определение понятия («Энциклопедический словарь юного физика» В.А.Чуянов) и приведения примеров («Медицинская и биологическая физика. Курс лекций с задачами» В.Н. Федорова, Е.В. Фаустов). Дополнить определение, для более понятного чтения, мне помогли учебники физики, используемые в высших учебных заведениях(«Курс физики Том III. Оптика, атомная физика, ядерная физика» Путилов К.А., Фабрикант В.А. и «Курс физики» Трофимова Т. И.). В разных журналах я нашла статьи с описанием опытов на поляризацию света, которые проделала самостоятельно. Это журнал «Квант» (Митрофанов А. Поляризация света. Простейшие опыты //Квант. — 1999. — № 4. — С. 40-43.) и «Наука и жизнь» (Транковский. С.. Цветной мир прозрачных вещей//Наука и жизнь.–1999.–№7). Устройство ЖК монитора я узнала на сайте: http://informatika.edusite.ru/slovar_10.html, а на сайте: http://www.3dglasses.cc/3d-applications я познакомилась с принципом работы современного 3D кинотеатра.

1. Свет – электромагнитная волна

Электромагнитная теория света берет начало от работ Максвелла. В основе электромагнитной теории света лежит факт совпадения скорости света со скоростью распространения электромагнитных волн.

После того как Герц экспериментально получил электромагнитные волны и измерил их скорость, электромагнитная теория света была впервые экспериментально подтверждена. Было доказано, что электромагнитные волны при распространении проявляют те же свойства, что и световые: отражение, преломление, интерференцию, поляризацию и др. В конце XIX в. было окончательно установлено, что световые волны возбуждаются движущимися в атомах заряженными частицами.

В электромагнитной волне векторы «В»и «Е»перпендикулярны друг другу и скорости распространения волны.¹ Естественный свет – разновидность электромагнитной волны, колебания напряженности электрического поля и магнитной индукции происходят по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения волны, т. е. световая волна – сферическая. Если свет поляризован, то колебания векторов «В» и «Е»происходят не по всем направлениям, а в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Возникает естественный вопрос: если речь идет о направлении колебаний в световой волне, то, собственно говоря, колебания какого вектора — или — имеются в виду? Специально поставленные опыты доказали, что на сетчатку глаза или фотоэмульсию действует электрическое поле

световой волны. В связи с этим за направление колебаний в световой волне принято направление вектора напряженности «Е» электрического поля.

2.Явление поляризации.

Поляризация происходит от латинского слово «полус» — конец оси, полюс. Применительно к свету термин «поляризация» впервые ввел Исаак Ньютон.

Под поляризацией понимают характеристику поперечных волн, описывающую поведение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Для описания поляризации света достаточно знать положение только одного из векторов. Обычно для этого рассматривается вектор E.

Если вектор E колеблется в разных плоскостях с одинаковой вероятностью, то такой свет называется естественным или неполяризованным.

Квант света, излучённый атомом, поляризован всегда. Однако излучение макроскопического источника света (электрической лампочки, Солнца, свечи) является суммой излучений огромного числа атомов. Каждый из них излучает квант примерно за 10^-8 секунды, и если все атомы будут излучать свет с различной поляризацией, то поляризация всего пучка будет меняться на протяжении таких же промежутков времени. Поэтому, в естественном свете все эффекты, связанные с поляризацией усредняются, и его называют неполяризованным. Для выделения из неполяризованного света части, обладающей желаемой поляризацией, используют поляризаторы (например, исландский шпат или турмалин, а также искусственные поляризаторы).

Разберём принцип действия поляризатора на простом механическом примере. Мы создаём волну с помощью верёвки, а в качестве препятствия имеем решётку.
Волны, бегущие по веревке, раскачиваемой в вертикальной плоскости, будут свободно проходить сквозь вертикальную щель решетки.

Если же мы повернем щель на 90°, то этим приостановим колебания, т. е. как бы потушим их. Таким образом, преграда в виде решётки случит поляризатором для бегущих по верёвке поперечных волн, пропуская лишь волны, поляризованные в узком диапазоне углов в вертикальной плоскости.

В случае световых колебаний оказывается возможным создавать подобие такой щели, пропускающей световые колебания, лежащие только в определенной плоскости. Если угол между этой «щелью» и плоскостью световых колебаний равен 90°, то она задержит свет полностью.

Поляризация света – процесс упорядочения колебаний вектора напряжённости для электрического поля световой волны при прохождении света сквозь некоторые вещества (при преломлении) или при отражении светового потока.

Поляризатор – вещество (или устройство) служащее для преобразования естественного света в плоскополяризованный².

Плоскость поляризации – плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоскополяризованной волны и направление распространения этой волны.
Ученые различают три вида поляризации: линейную (плоскостную), круговую и эллиптическую. В линейно поляризованном свете электрические колебания происходят только в одном направлении. Линейно поляризованный свет возникает при отражении, например, от листа стекла или поверхности воды, при прохождении света через некоторые виды кристаллов, например, кварца, турмалина.

1.3.Получение поляризованного света.

Чтобы наблюдать явление поляризации света, нужно пропустить естественный свет через анизотропную среду (Анизотропная среда – среда, имеющая разные свойства в зависимости от направления внутри этой среды), которая называется поляризатором и «отсекает» ненужные направления колебаний, оставляя какое-то одно.

В качестве поляризаторов используются кристаллы. Один из природных кристаллов, часто и давно применяемых в опытах по изучению поляризации света — турмалин.

Рассмотрим подробно эксперимент, очень простой и эффектный. Это опыт с кристаллами турмалина (прозрачными кристаллами зеленой окраски).³

Кристалл турмалина имеет ось симметрии и принадлежит к числу так называемых одноосных кристаллов. Возьмем прямоугольную пластину турмалина, вырезанную таким образом, чтобы одна из ее граней была параллельна оси кристалла. Если направить нормально к такой пластине пучок света от электрической лампы или солнца, то вращение пластины вокруг пучка никакого изменения интенсивности света, прошедшего через нее, не вызовет (см. рис.). Можно подумать, что свет только частично поглотился в турмалине и приобрел зеленоватую окраску. Больше ничего не произошло. Но это не так. Световая волна приобрела новые свойства.

Эти новые свойства обнаруживаются, если пучок заставить пройти через второй точно такой же кристалл турмалина (см. рис. а), параллельный первому. При одинаково направленных осях кристаллов опять ничего интересного не происходит: просто световой пучок еще более ослабляется за счет поглощения во втором кристалле. Но если второй кристалл вращать, оставляя первый неподвижным (рис. б), то обнаружится удивительное явление – гашение света. По мере увеличения угла между осями интенсивность света уменьшается. И когда оси перпендикулярны друг другу, свет не проходит совсем (рис. в). Он целиком поглощается вторым кристаллом.

При вращении второй пластинки турмалина вокруг направления луча интенсивность света, прошедшего через пластинки, меняется в зависимости от угла, а между оптическими осями кристаллов по закону Малюса:

I=I₀cos², (190. 1)

где I₀ и I — соответственно интенсивности света, падающего на второй кристалл и вышедшего из него. Следовательно, интенсивность прошедшего через пластинки света изменяется от минимума (полное гашение света) при =/2 (оптические оси пластинок перпендикулярны) до максимума при =0 (оптические оси пластинок параллельны).

Принцип работы искусственных поляризаторов

Поляризующие солнцезащитные очки сделаны из синтетического материала с добавлением игольчатых кристаллов. Эти кристаллы ориентированы параллельно друг другу. Благодаря кристаллам поляризующая линза действует таким образом, как будто она состоит из множества параллельных щелей. Поэтому через поляризатор проходят только те световые волны, у которых плоскость колебаний электрических полей совпадает с направлением расположения параллельных щелей. Если разместить друг перед другом две поляризующие линзы, они будут действовать как два одинаково ориентированных поляризатора. Первая линза по ходу распространения света называется поляризатором, а вторая линза – анализатором (анализатор — такой поляризатор, который используется для определения поляризации света). Когда кристаллы в обеих линзах ориентированы параллельно друг другу, то через линзы проходит максимально возможное количество света. Если, начиная от этого положения, повернуть анализатор на 90°, кристаллы в линзах окажутся расположенными под прямыми углами друг к другу, и поляризованный свет не сможет пройти через анализатор.

1.3.2.Поляризация света при отражении от поверхности диэлектрика

Еще один способ получения поляризованного света — отражение от диэлектрика. Когда свет падает на границу раздела двух сред, луч разделяется на отраженный и преломленный. При этом лучи являются частично поляризованными, а степень их поляризации зависит от угла падения и от показателя преломления диэлектрика. ⁴

Отраженный от диэлектрика свет всегда частично поляризован. При некотором определенном угле падения света i_Б (угол Брюстера) отраженный луч оказывается полностью поляризованным. Угол i_Б, называемый углом полной поляризации, связан с показателем преломления n диэлектрика законом Брюстера.

Когда свет падает на границу раздела под углом, тангенс которого равняется относительному показателю преломления двух сред, отраженный луч является линейно поляризованным, а преломленный луч поляризован частично с преобладанием колебаний, лежащих в плоскости падения луча.

tg i_Б = n

Степень поляризации преломленного луча может быть значительно повышена путем многократного преломления. Так, при прохождении одной стеклянной пластинки степень поляризации преломленного луча не превышает 15 %. Но после прохождения стопы из 16 наложенных друг на друга пластин вышедший свет будет поляризован практически полностью.

Такая совокупность пластинок называется стопой Столетова. К недостаткам этого метода следует отнести низкую интенсивность полученного поляризованного света.

Поляризация при двойном лучепреломлении

При преломлении светового луча на границе раздела с некоторыми анизотропными средами наблюдается явление двойного лучепреломления – преломленный луч раздваивается. При этом оба луча полностью поляризованы.

Оптической анизотропией обладают многие кристаллы из-за асимметрии их решеток (например, исландский шпат).

Двойное лучепреломление – раздвоение светового луча при прохождении через некоторые анизотропные среды, обусловленное зависимостью показателя преломления света от его поляризации и направления распространения.

Один луч подчиняется законам преломления и называется обыкновенным «о». Для другого луча эти законы не выполняются, и его называют необыкновенным «е».

При этом, оба луча плоско поляризованы, а их оси поляризации перпендикулярны друг другу.⁵

Поскольку при двойном лучепреломлении задача получения полностью поляризованного света решается автоматически, остается лишь из двух лучей выделить один. Для этого используют два способа.

1. Призма Николя. Этот поляризатор (рис. 22.7) изготавливается из исландского шпата, для которого показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей различны: n₀ = 1,65, n_е = 1,48. Призма разрезана по диагонали и склеена канадским бальзамом с «промежуточным» показателем преломления n_кб = 1,55.⁶

Ход лучей в призме Николя

При соответствующих углах падения на грань призмы обыкновенный луч «о» претерпевает полное внутреннее отражение на прослойке канадского бальзама и поглощается зачерненной верхней гранью. Необыкновенный луч «е» проходит через границу и выходит из призмы параллельно нижней грани.

2. Дихроизм, поляроиды. В некоторых кристаллах с двойным лучепреломлением обыкновенный луч «о» поглощается значительно сильнее, чем необыкновенный «е». Такое явление называется дихроизмом. Дихроизмом в диапазоне видимого света обладает, например, турмалин. В пластине турмалина толщиной 1 мм при падающем видимом свете луч «о» практически целиком поглощается. Выходит только луч «е».

Поляризаторы, использующие дихроизм, называются поляроидами. В настоящее время научились изготавливать поляроиды в виде тонких пленок с большой площадью, что дает возможность получать широкие пучки поляризованного света.

Все приборы, дающие поляризованный свет, носят название поляризаторов. Приборы, которые могут служить для обнаружения поляризации света, называют анализаторами.

Вращение плоскости поляризации оптически активными веществами

Прохождение поляризованного света через некоторые анизотропные среды сопровождается поворотом плоскости его поляризации вокруг направления распространения света. Это явление называется вращением плоскости поляризации. Вещества, в которых наблюдается это явление, называют оптически активными. Примерами твердых оптически активных веществ являются твердые вещества кварц, сахар, киноварь.

Поляризация света в природе

Человеческий глаз весьма чувствителен к окраске (то есть длине волны) и яркости света, но третья характеристика света, поляризация, ему практически недоступна. Мы страдаем «поляризационной слепотой».

В этом отношении некоторые представители животного мира гораздо совершеннее нас. Например, пчелы различают поляризацию света почти так же хорошо, как цвет или яркость. И так как поляризованный свет часто встречается в природе, им дано увидеть в окружающем мире нечто такое, что человеческому глазу совершенно недоступно. Пчелы и муравьи пользуются этой своей способностью для ориентировки в тех случаях, когда Солнце закрыто облаками. Что придает глазу насекомых такую способность? Дело в том, что в глазе млекопитающих (и в том числе человека) молекулы светочувствительного пигмента родопсина расположены беспорядочно, а в глазе насекомого те же молекулы уложены аккуратными рядами, ориентированы в одном направлении, что и позволяет им сильнее реагировать на тот свет, колебания которого соответствуют плоскости размещения молекул⁷.

Рассеянный свет неба не что иное, как солнечный свет, претерпевший многократное отражение от молекул воздуха, преломившийся в капельках воды или ледяных кристаллах. Поэтому в определенном направлении от Солнца он поляризован. Поляризация происходит не только при направленном отражении (например, от водной глади), но и при диффузном. С помощью поляроидного фильтра нетрудно убедиться, что поляризован свет, отраженный от покрытия шоссе. При этом действует удивительная зависимость: чем темнее поверхность, тем сильнее поляризован отраженный от нее свет. Эта зависимость получила название – закон Умова, по имени русского физика, открывшего ее в 1905 году. Асфальтовое шоссе в соответствии с законом Умова поляризовано сильнее, чем бетонное, влажное – сильнее, чем сухое. Влажная поверхность не только сильнее блестит, но она еще и темнее сухой. Поляризован и свет гало – светящихся кругов или дуг, появляющихся иногда вокруг Солнца и Луны. В образовании и радуги и гало наряду с преломлением участвует отражение света, а оба эти процесса, как мы уже знаем, приводят к поляризации. Поляризованы и некоторые виды полярного сияния. Наконец, следует отметить, что поляризован и свет некоторых астрономических объектов. Наиболее известный пример – Крабовидная туманность в созвездии Тельца. Свет, испускаемый ею, – это так называемое синхротронное излучение, возникающее, когда быстро летящие электроны тормозятся магнитным полем. Синхротронное излучение всегда поляризовано. Однако, свет, отраженный от поверхности металлов (в том числе от зеркал – ведь каждое зеркало покрыто тонким слоем металла), не поляризован.

Поляризация света в технике

Одной из важных повседневных задач светотехники является плавное изменение и регулировка интенсивности световых потоков. Решение этой задачи с помощью пары поляризаторов (например, поляроидов) имеет ряд преимуществ перед другими методами регулировки. Интенсивность может плавно изменяться от максимальной (при параллельных поляроидах) практически до темноты (при скрещенных). При этом интенсивность меняется одинаково по всему сечению пучка и само сечение остается постоянным. Поляроиды могут быть изготовлены большого размера, поэтому такие пары употребляются не только в лабораторных установках, фотометрах, в секстантах или солнечных очках, но и в иллюминаторах пароходов, окнах железнодорожных вагонов и т. п.

Поляроиды могут использоваться также в системах световой блокировки, т. е. в таких системах, которые пропускают свет там, где нужно, и не пропускают там, где не нужно. Пример — светоблокировка автомобильных фар. Если на фары и смотровые стекла автомобилей поставить поляроиды, ориентированные под 45° вправо к вертикали, то поляроиды на фарах и смотровом стекле данного автомобиля будут параллельны. Следовательно, шофер будет хорошо видеть дорогу и встречные машины, освещаемые собственными фарами. Но поляроид, фар встречных автомобилей будут скрещены с поляроидом смотрового стекла данного автомобиля. Поэтому слепящий свет фар встречного автомобиля будет погашен. Несомненно, это сделало бы ночную работу шоферов значительно проще и безопаснее.

Поляроиды могут быть полезны тем, кто работает на воде (морякам, рыбакам и т. п.), для гашения зеркально отраженных от воды бликов, которые, как мы знаем, частично поляризованы. Поляризаторы широко применяются в фотографии для устранения бликов от фотографируемых объектов (картин, стеклянных и фарфоровых изделий и пр. ). При этом можно помещать поляризаторы между источником и отражающей поверхностью, это помогает вовсе погасить блики. Такой метод полезен при освещении фотостудий, картинных галерей, при фотографировании хирургических операций и в ряде других случаев.

Явление поляризации положено в основу 3D кинематографа⁸.

В спектроскопии, астрофизике и светотехнике находят широкое применение поляризационные фильтры, позволяющие выделять из исследуемого спектра узкие полосы, а также изменять нужным образом насыщенность или оттенок цвета. Применяемые для астрофизических исследований поляризационные фильтры содержат довольно большое число элементов (например, шесть поляризаторов и пять чередующихся с ними фазовых пластинок с определенной ориентацией) и позволяют получать достаточно узкие полосы пропускания.

Глава 2. Создание видеоролика

Проанализировав весь изложенный выше материал о поляризации света, я начала подготовку к созданию видеоролика. Необходимо было составить сценарий и текст речи, выделить опыты, которые я могу провести в домашних условиях, и подобрать графический материал, чтобы видеоролик было приятнее смотреть, а речь подкреплялась примерами и становилась понятнее. Также, я решила включить в видеоролик решение качественной задачи на поляризацию света одного из тренировочных вариантов ЕГЭ по физике. Сценарий тщательно перерабатывался, поскольку не содержал отрывки из изложенного в теоретической части материала, а был написан самостоятельно. Окончательный сценарий можно прочитать в приложении к работе⁹. Затем последовали проведение и съемка опытов. Необходимо было получить оборудование. Во всех опытах требовалось поляризационное стекло. Его я извлекла из старого нерабочего калькулятора. Также, необходимо было собрать установку из фанеры и веревки для демонстрации действия поляризатора

Опыт 1

Оборудование: два поляроида, фонарь.

Ход работы: направим через один из поляризаторов на стену луч фонарика. Расположим второй поляризатор за первым и станем его вращать. В определенном положении свет через два поляризатора не будет проходить, а на месте падения старого луча на стену останется темное пятно.

Вывод: мы получили поляризованный свет, а также подтвердили его получение с помощью второго поляризатора- анализатора.

Опыт 2

Оборудование: ЖК монитор, поляризатор, прозрачные пластмассовые предметы.

Ход работы: Закрепим поляризатор напротив экрана ЖК монитора. Между экраном и поляризатором поместим прозрачные пластмассовые предметы. Хотя мы не можем видеть то, что экран подсвечивается, мы видим, что пластмассовые предметы переливаются яркими цветами.

Вывод: этот опыт подтверждает наличие на мониторе поляризационной пленки, а также иллюстрирует способ проверки качества деталей с помощью поляризации.

Вывод: полученные мною в ходе опытов результаты совпали с предполагаемыми результатами. А значит, опыты были проведены верно.

На основе полученных результатов мной был снят и смонтирован видеоролик. Его можно просмотреть по ссылке в приложении №3.

Заключение

Поставленная цель исследования поляризации света как физического явления в науке и в жизни была достигнута. Я самостоятельно познакомилась с таким физическим явлением как поляризация света. Была подобрана и изучена необходимая литература, а именно для описания этого явления и для определения области его применения, а также были проведены опыты. И таким образом, я получила соответствие результатов проведенных опытов, результатам этого физического явления, описанным в научной литературе. Материал по поляризации света поможет при подготовке и сдаче ЕГЭ по физике. Как итог этой исследовательской работы был создан обучающий видеоролик на тему: «Поляризации света», который может использоваться на уроке физики в качестве знакомства и объяснения явления поляризации света. А так же может применяться для самостоятельного изучения явления поляризации света.

Литература:

Варламов А. А. Поляризация света /А.А.Варлаков//Квант. — 1987. — № 1. — С. 34−36.
Дж. Ван Клив Занимательные опыты по физике/ Дж. Ван Клив.- М.: АСТ, Астрель, 2008. — 253 с.
Клив Дженис Ван 200 экспериментов/Дж. Ван Клив.- М.: Джон Уайли энд Санз, 1995. – 256 с.
Митрофанов А. Поляризация света. Простейшие опыты /А. Митрофанов//Квант. — 1999. — № 4. — С. 40−43.
Мурахвери В. И. Поляризованный свет в природе /В.И.Мурахвери// Наука и жизнь. 1984. № 4.- С. 102−106.
Путилов, К.А. Курс физики/ Том III. Оптика, атомная физика, ядерная физика/ К.А. Путилов, В.А.Фабрикант.- Москва: ФИЗМАТГИЗ, 1963 г. – 634 с.
Трофимова Т. И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Таисия Ивановна Трофимова. — М.: Издательский центр «Академия», 2006 — 560 с.
Федорова В.Н. Медицинская и биологическая физика. Курс лекций с задачами : учеб. пособие / В.Н. Федорова, Е.В. Фаустов. – 2008. – 592 с.
Чуянов, В. А. Энциклопедический словарь юного физика/В.А.Чуянов.— Москва: Педагогика, 1984.— 352 с.

Интернет ресурсы:

Приложение №1

«Текст для видеоролика»

Здравствуйте! Меня зовут Быстрова Екатерина. Я учусь в школе №2 п. Хвойная Новгородской области. Выбирая тему для проектной работы, я наткнулась на рассказ о таком физическом явлении, как поляризация света. Эта тема меня действительно увлекла, и поэтому сейчас я хочу рассказать, что же такое поляризация света, и поделиться опытом, проделанной мной работы.

Подумайте, что может связывать эти очки для просмотра 3D кино на мне, два с виду прозрачных стеклышка ну и, например, монитор? Ну, конечно, поляризация света. Вообще-то действие этого явления мы можем пронаблюдать на очень многих окружающих нас объектах. Кстати, интересный опыт: если мы начнем вращать два эти стеклышка относительно друг друга, то заметим, что они затемняются и осветляются снова. Но почему так происходит?

Вероятно, вы уже знаете, что свет можно рассматривать как электромагнитную волну. То есть, что в каждом месте лучика то увеличиваются, то уменьшаются – колеблются два взаимно перпендикулярных вектора: магнитной индукции и электрического поля, которые в свою очередь перпендикулярны направлению распространения этого луча.

Специальные опыты доказали, что на сетчатку человеческого глаза действует электрическое поле световой волны. Именно поэтому за направление колебаний в световой волне принято направление вектора напряженности электрического поля.(Обозначается буквой Е большое)

Излучение макроскопического источника света (солнца, электрической лампочки, свечи) состоит из излучений множества атомов. Испускаемых волн много и у каждой волны будет своя длина, частота, амплитуда и, конечно, направление.

Если выделить из всего пучка света те волны, которые распространяются в определенном направлении (их вектора напряженности будут параллельны одной плоскости, называемой плоскостью поляризации), то мы получим поляризованный свет. Если же вектор Е колеблется с одинаковой вероятностью в разных плоскостях, то такой свет называют естественным или неполяризованным. Таким образом, поляризация света -процесс упорядочения вектора напряженности световой волны.

Получить поляризованный свет можно 1) пропуская естественный свет через специальное устройство-поляризатор или 2) отражая его от поверхности диэлектрика.

Рассмотрим поляризацию при прохождении света через поляризатор. Разберем принцип действия поляризатора на простом механическом примере: запустим волну с помощью веревки, а на ее пути поставим решетку. Волна по веревке, раскачиваемой в вертикальной плоскости, будет свободно проходить через вертикальную щель решетки. Если раскачивать веревку в горизонтальной плоскости, то волна, бегущая по ней, будет полностью гаситься щелью. Так и поляризатор – пропускает световые колебания, лежащие только в плоскости поляризации, а лежащие под углом 90º от нее полностью задерживает.

Поляризаторы бывают природные(это кристаллы, например, исландский шпат или турмалин) и искусственные( из еще называют поляроидами). Кристаллы параллельно расположенные в поляризаторах играют роль “щелей” для естественного света.

Проведем первый опыт: получим поляризованный свет. Для этого направим свет фонарика через поляроид закрепленный на стекле. И не заметим существенных изменений, ведь человеческий глаз не может отличить поляризованный свет от неполяризованного. Для определения на пути исследуемого света ставится еще один популяризатор, он называется анализатором. Если свет был поляризованный, то вращая анализатор, мы найдем то положение, в котором свет через него совсем не будет проходить, а на месте падения старого луча останется темное пятно. Если же свет был не поляризованный, то он лишь слегка приглушится.

Пара поляризаторов устанавливается в источниках освещения, чтобы модно было изменять интенсивность, а следственно и яркость света.

Поляризация положена в основу 3D кинематографа. На экран одновременно проецируется два разных специально измененных 2D изображения. Свет для одного из них поляризован в вертикальной плоскости, а другого в горизонтальной. Стекла очков зрителя – это искусственные поляризаторы, а их плоскости поляризации перпендикулярны друг другу. Например, левый глаз получает только вертикально ориентированный свет, а правый, только ориентированный горизонтально. Получается, что оба глаза зрителя видят разные изображения, а мозг из “складывает”, и решает, что перед ним объемные объекты.

Поляризационную пленку можно найти также в ЖК-дисплеях и LCD мониторах. Устройство таких экранов напоминает слоеный пирог: свет от люминесцентных ламп или светодиодов сначала рассеивается для равномерности подсветки. Далее идет вертикальный поляризатор. Он отсекает не вертикально колеблющийся свет, а остальной “выровненный” попадает на матрицу, состоящую из ячеек-емкостей с жидкими кристаллами. Жидкие кристаллы имеют свойства жидкости и кристаллов, они являются поляризационными веществами, то есть изменяют направления проходящего через них света при определенных условиях. Так кристаллики в веществе могут поворачиваться, если подать на них напряжение, создать вокруг эл. поле. Меняя напряжение, можно изменять угол отклонения световых лучей, а значит и интенсивность света на выходе. Пятым слоем идет светофильтр. Здесь свет проходит через кристаллы одного из трех цветов: синего, красного или зеленого. Уже цветные лучи попадают на последний слой – еще одну поляризационную пленку, расположенную горизонтально. Если бы свет не поворачивался на жидких кристаллах, то мы бы видели черный пиксель на экране. В тоже время, если жидкие кристаллы максимально преломляют свет, то есть на 90º, то яркость пикселя становится максимальной.

Исходя из сказанного немного раньше, можно понять, что весь свет, идущий от ЖК-дисплеев, поляризован. Проверим это: направим камеру на монитор и будем поворачивать анализатор. В определенном положении, когда плоскости поляризации встанут под прямым углом, свет не проходит через анализатор, не попадает в объектив, и, следовательно, мы видим темный прямоугольник.

Для проведения следующего опыта также воспользуемся поляризационной пленкой монитора. Сейчас я закреплю поляризатор на камере и между двумя поляризаторами помещу прозрачную пластмассовую крышку. Картинка получается очень красивая. Мы видим крышку, причем, она светится яркими цветами. Так происходит потому, что свет преломляется на внутренних деформациях крышки, образовавшихся при ее отливе на заводе, и становится уже неполяризованным. Там, где цвета ярче- внутренние напряжения больше(если согнуть крышку они станут еще заметнее), а значит это самые “уязвимые” ее места. Таким образом, проверяют детали на факт повреждения, контролируют их качественное производство, ищут оптимальное строение детали для большей надежности.

А теперь перейдем ко второму способу получения поляризованного света, а точнее – частично поляризованного. Это отражение и преломление на поверхности диэлектрика.

При падении луча на границу раздела двух диэлектриков (например, воздуха и стекла, воздуха и воды) отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. Тонкая стеклянная пластинка сортирует луч естественного света и на выходе из нее мы получаем немного преломленный и поляризованный луч. Степень поляризации зависит от угла падения луча. Угол при котором поляризация максимальна называют углом Брюстера.

Можно сложить несколько склеенных стеклянных пластинок, и чем больше пластинок в стопке, тем выше становиться степень поляризации. Такая стопка стеклянных пластинок, уложенных под углом, названа “Стопой Столетова”, может использоваться в качестве поляризатора.

Знание того, что отраженный от диэлектрика луч получается поляризованный, человек тоже придумал, как применить. Так блики от воды, снега, стекла, мокрого асфальта, фар встречных машин можно уменьшить, надев поляризационные очки. Они гасят часть света, которая поляризована, и на глаза попадает свет меньшей интенсивности. Таким образом, сохраняется не только зрение, но и жизнь автомобилистов, рыбаков, альпинистов и других людей, занятию которых могут помешать блики. Специальный поляризационный фильтр помогает получить фотографам снимок без бликов, например, при съемке витрины магазина или озера.

Вот и подошло к концу это видео. Спасибо, что досмотрели его до конца. Надеюсь, что поляризация света – поистине волшебный раздел физики (потому что мы не можем увидеть ее своими глазами) стал вам ближе и понятнее.

Приложение №2

«Рисунки в тексте проекта»

Рисунок 1

Рисунок 2

Рисунок 3

Рисунок 4

Рисунок 5

Рисунок 6

Рисунок 7

Приложение №3

«Ссылка на видеоролик»

Приложение №4

«Задача из варианта ЕГЭ по физике на поляризацию света»

Грибник ушёл от дороги далеко в лес и заблудился. Компаса у него не было, погода была облачная, солнца не видно, а без ориентации по сторонам света найти дорогу к своему автомобилю было невозможно. Тут он вспомнил, что в кармане у него есть противобликовые автомобильные очки, покрытые поляроидной плёнкой. Он вышел на поляну, достал очки и стал их поворачивать вокруг оптической оси очковых стёкол, глядя сквозь них на небо в разных направлениях. Через небольшое время он смог определить направление на солнце. Объясните, основываясь на известных физических законах и закономерностях, смысл его действий при таком способе ориентирования.

Ответ:

Грибнику необходимо поворачиваться в очках, смотря на небо. Солнечный свет проходит через облака, состоящие из мельчайших капель воды, являющихся диэлектриком. Он поляризуется, и поэтому облака в направлении солнца затемняются сильнее и разница между яркостью изображений через очки и без очков в этом направлении будет больше, чем в других направлениях. Так грибник определил положение солнца и смог сориентироваться в лесу.

1^{Рисунок 1:приложение2}

2^{Рисунок 2:приложение 2}

3^{Рисунок 3:приложение 2}

4^{Рисунок 4:приложение 2}

5^{Рисунок 5:приложние 2}

6^{Рисунок 6:приложение 2}

7^{Рисунок 7, приложение 2}

8^{Рисунок 8:приложение 2.}

Поляризация света

Если рассматривать свет, как электромагнитную волну, то его можно разложить на две составляющие – электрическая волна и магнитная волна. Эти волны распространяются в одном направлении, но направление их колебания происходят под углом 90⁰ друг к другу.

При этом, в ходе распространения, направления колебаний этих волн могут изменяться. Накладываясь друг на друга, такие световые волны «сливаются» в пучки неполяризованного света.

Такие пучки света называются неполяризованными. Солнечный свет, свет лампочки – всё это неполяризованный свет.

Поляризация света – явление, при котором из светового пучка «убираются» все лишние электромагнитные волны. Остаются лишь те, которые лежат в определённой плоскости – плоскости поляризации. Обычно для поляризации света используют специальную поляризационную плёнку.

Поляризацию используют не только в научных лабораториях, но и в повседневной жизни. Это и поляризационные фильтры для фотоаппаратов, и антибликовые линзы в солнцезащитных очках. Кроме этого, любой ЖК монитор и дисплеи мобильных теллефонов покрыты данной плёнкой. Оно помогает формировать изображение на экране.

Если же к первой поляризационной пластинке добавить вторую, то мы можем получить интересное устройство, позволяющее изменять количество света, проходящего сквозь него. При повороте одной пластинки относительно другой, поляризованная электромагнитная волна будет ослабляться. Ослабление будет тем сильнее, чем больше угол между плоскостями поляризации пластинок. При угле в 90⁰ световая волна практически полностью будет задержана пластинками.

Благодаря этому можно добиться эффекта затемнения, который так же широко используется в нашей жизни в материалах с изменяемой прозрачностью.

Урок-исследование для 11 класса по физике: «Поляризация света»

Урок изучения нового материала

по теме «Поляризация света» в 11 классе

Цель:

сформировать понятие о поляризации света, объяснить поляризацию света с точки зрения волновых представлений, организовать на уроке самостоятельное изучение данного явления с помощью выполнения экспериментальных заданий

закрепление основных навыков экспериментальной работы;

Развитие познавательных умений и самостоятельности к творческому поиску при решении конкретных задач;

Развитие умений анализировать работу; умение сравнивать теоретические выводы и результат эксперимента.

Пояснительная записка.

Структура урока.

Этапы урока	Содержание работы	Время (мин.)	Методы и приемы
1. Вводный	Оргмомент	1-2
2. Повторение	Повторение основных понятий волновой оптики	2-4	Фронтальный опрос
3. Объяснение нового материала	Выполнение экспериментальных заданий	25-30	Работа в парах
4. Итоговый	Подведение итогов. Контроль знаний.	5-10	Рефлексия

Повторение

Вопросы:

Что такое свет? Ответ: свет – это электромагнитные волны

Поперечны или продольны электромагнитные волны? Что совершает колебания?

Ответ: Электромагнитные волны поперечны. Векторы напряженности электрического поля Е и индукции магнитного поля В перпендикулярны друг другу, колеблются в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Каковы фазы колебаний векторов Е и В? Ответ: Векторы В и Е колеблются в одинаковых фазах, т.е. достигают максимума и минимума одновременно в одних и тех же точках пространства.

Какова скорость света в вакууме? Ответ: Скорость света равна 300000 км/с.

Объяснение нового материала

В световых волнах, испускаемых обычными источниками света (например, лампочкой накаливания), колебания вектора Е происходят по всевозможным направлениям. Такой свет называют естественным (не поляризованным).

Если при распространении электромагнитной волны вектор напряженности электрического поля Е сохраняет свою ориентацию, такую волну называют линейно-поляризованной или плоско-поляризованной. Некоторые источники могут испускать поляризованный свет. В таком свете колебания электрического и магнитного полей происходят не по всем направлениям, а только в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Поляризованный свет можно получить при помощи поляризаторов. Если посмотреть через тонкую кристаллическую пенку (поляризатор) на естественный свет и покрутить его вокруг своей оси, то ничего не произойдет. Однако если пропустить свет через две такие пластинки, мы обнаруживаем у него новые свойства. При вращении одной пластинки относительно другой интенсивность прошедшего света будет меняться от полного пропускания в случае, когда плоскости поляризации обоих пластинок совпадают, до полного гашения, в случае, когда эти плоскости перпендикулярны. Попробуем изобразить этот процесс более наглядно. Представим себе обычный деревянный забор, в одной из досок которого прорезана узкая вертикальная щель. Проденем сквозь эту щель верёвку; её конец за забором закрепим и начнём верёвку встряхивать, заставляя её колебаться под разными углами к вертикали. Вопрос: а как будет колебаться верёвка за щелью? Ответ очевиден: за щелью верёвка станет колебаться только в вертикальном направлении. Амплитуда этих колебаний зависит от направления приходящих к щели смещений. Вертикальные колебания пройдут сквозь щель полностью и дадут максимальную амплитуду, горизонтальные — щель не пропустит совсем. А все другие, «наклонные», можно разложить на горизонтальную и вертикальную составляющие, и амплитуда будет зависеть от величины вертикальной составляющей. Но в любом случае за щелью останутся только вертикальные колебания! То есть щель в заборе — это модель поляризатора, преобразующего неполяризованные колебания (волны) в линейно-поляризованные. (рис. 1).

Если мы пропустим шнур через две таких щели, то:

1. Если эти щели будут параллельны друг другу, колебания будут проходить полностью (рис. 2).

2. Если щели будут перпендикулярны друг другу, то после второй щели колебания полностью погасятся (рис. 3).

Проверка на опыте поляризованности света, испускаемого различными источниками

Проведем опыты, в которых проверим поляризованность света, испускаемого различными источниками света. (учащимся раздаются листы с фотографиями опытов, после проведения наблюдения они должны дописать свои выводы)

Опыт 1.
Жидкокристаллический монитор даёт поляризованный свет, т.к. повороте поляризатора на 90 свет полностью исчезает

Опыт 2. Излучение дисплея калькулятора даёт поляризованный свет, т.к. повороте поляризатора на 90 свет полностью исчезает

Опыт 3.

Свет дисплея мобильного телефона даёт поляризованный свет, т.к. повороте поляризатора на 90 свет полностью исчезает

Опыт 4.
Луч лазера даёт поляризованный свет, т.к. повороте поляризатора на 90 свет полностью исчезает

Опыт 5.

Рассеянный свет голубого неба даёт частично поляризованный свет, т.к. повороте поляризатора на 90 свет незначительно ослабляется

Опыт 6.
Свет, отражённый от стекла, поляризован, т.к. повороте поляризатора на 90 свет полностью исчезает
Свет, отражённый от зеркала, неполяризован, т.к. повороте поляризатора на 90 свет не исчезает.
Свет поляризуется только при отражении от диэлектрика, при отражении от проводящей поверхности поляризации не происходит

Опыт 7.
Экран монитора на электронно-лучевой трубке испускает неполяризованный свет. «Погасить» его можно лишь при помощи двух скрещённых поляроидов. Свет, испускаемый телевизором с кинескопом, лампой дневного света, свечой, газовой горелкой, светодиодом также неполяризован.

Поляризация в природе

Свет, испускаемый Солнцем, не имеет какой-либо определенной плоскости поляризации. Однако, проходя через земную атмосферу, солнечный свет претерпевает рассеяние на ее молекулах и других частицах, имеющих размеры меньше длины волны. Вследствие поперечности световых волн солнечные лучи, рассеянные изотропными молекулами в направлении, нормальном к первоначальному, должны быть линейно поляризованы. В результате каждая точка неба над нами превращается во вторичный источник света, который оказывается уже частично поляризованным. Степень поляризации света голубого неба сильно различается в разных точках небосвода (от 0 примерно до 80%). При этом ось поляризации (преимущественное направление E) всегда перпендикулярна плоскости треугольника, в вершинах которого находится наблюдатель, Солнце и наблюдаемая точка неба. Зная оси поляризации для двух точек неба, можно найти направление на Солнце. Очевидно, что направлением на Солнце будет прямая, образованная пересечением двух плоскостей, каждая из которых переходит через наблюдателя и данную точку неба перпендикулярно оси поляризации в этой точке. По-видимому, таким образом и находят направление на солнце насекомые, глаза которых чувствительны к направлению поляризации света. Различают поляризацию и муравьи, и мухи с пчелами. Не они одни его видят, и некоторые костистые рыбы, и головастики лягушек, кальмары, каракатицы и осьминоги. Зачем им видеть поляризованный свет? Свет, идущий от синего неба, поляризован, и поляризация в любой точке неба зависит от ее положения относительно солнца. Поэтому пчела может ориентироваться по солнцу, даже если оно закрыто облаками и виден лишь кусочек синего неба: поляризация укажет направление на солнце. Но представить себе кальмара или каракатицу, ориентирующуюся по солнцу, довольно трудно. Для чего же им нужна такая способность? Для кальмара его поляризационное зрение — все равно что радар, видящий «стелсы»! Шашар с коллегами изучил в поляризационном микроскопе совершенно прозрачных (для человеческого глаза) планктонных животных, на которых охотятся мелкие или молодые кальмары. Оказалось, в поляризованном свете видны не только глаза, но и мускулатура, а также усики-антенны рачков. Не очень хорошо, но видны. И кальмары этим пользуются.

Применение явления поляризации

Поляризованный свет предлагали использовать для защиты водителя от слепящего света фар встречного автомобиля. Если на ветровое стекло и фары автомобиля нанести плёночные поляроиды с углом пропускания 45о, например, вправо от вертикали, водитель будет хорошо видеть дорогу и встречные машины, освещённые собственными фарами. Но у встречных автомобилей поляроиды фар окажутся скрещёнными с поляроидом ветрового стекла данного автомобиля, и свет фар встречных машин погаснет.

Известны так называемые фотохромные очки, темнеющие на ярком солнечном свету, но не способные защитить глаза при очень быстрой и яркой вспышке (например, при электросварке) — процесс затемнения идёт сравнительно медленно. Поляризационные очки на эффекте Поккельса обладают практически мгновенной «реакцией» (менее 50 мкс). Свет яркой вспышки поступает на миниатюрные фотоприемники (фотодиоды), подающие электрический сигнал, под действием которого очки становятся непрозрачными.

Поляроиды широко применяются для гашения бликов от стёкол и полированных поверхностей, от воды (отраженный от них свет сильно поляризован). Поляризован и свет экранов жидкокристаллических мониторов.

Для определения концентрации оптически активных веществ (например, сахара) применяют поляриметрию.

Обнаружение на опыте поворота плоскости поляризации света.

Существуют материалы, которые поворачивают плоскость поляризации проходящего через них света. Эти вещества называют оптически активными. К таким веществам относятся, например, кварц, аметист, скипидар, раствор сахара в воде и некоторые другие вещества. Поворачивает плоскость поляризации и обычный скотч. Угол поворота плоскости поляризации кристаллов очень сильно зависит от длины волны и толщины пластинки d.

Опыт 7.

Кусочек скотча зажат между двумя поляроидами и рассматривается в проходящем свете. Скотч поворачивает плоскость поляризации таким образом, что свет начинает частично проходить сквозь него.

Здесь будет изображение: /data/edu/files/v1453033194.jpg (233×175)

Опыт 8.

Целлофан также поворачивает плоскость поляризации света. Если ось целлофана параллельна оси поляроида, то прошедший свет имеет один цвет, если перпендикулярна, то другой (жёлтый – синий, красный – зелёный). Если сложить целлофан вдвойне, то цвета изменяются.

Если сложить произвольно несколько кусочков целлофана, получим разноцветную картинку. При повороте поляроида цвета меняются на дополнительные.
Объяснить опыты можно двойным лучепреломлением в целлофане: скорость света и коэффициент преломления зависят от взаимного расположения оптической оси целлофана и плоскости поляризации света. Цвет прошедшего света зависит также и от толщины плёнки.
Опыты не просто красивы и удивительны. На основе целлофана можно изготовить поляризационные фильтры, которые будут выделять из естественного света какую-либо составляющую, причём при повороте одного из поляроидов будет меняться не только интенсивность прошедшего через поляроиды света, но и его цвет.

Опыт 9.

Предмет из абсолютно прозрачной пластмассы — линейка (фото 9), коробочка для CD-дисков (фото 10) — помещённый между ЖК-экраном и анализатором, приобретает радужную окраску. Причина этого явления в том, что прозрачный для естественного света материал на самом деле анизотропен. Его физические свойства, в том числе показатели преломления разных участков предмета, неодинаковы. Световой луч в нём расщепляется на два, которые идут с разными скоростями и поляризованы во взаимно-перпендикулярных плоскостях. Интенсивность поляризованного света, результат сложения двух световых волн, при этом не изменится. Но анализатор вырежет из него две плоско-поляризованные волны, колеблющиеся в одной плоскости, которые станут интерферировать. Малейшее изменение толщины пластинки или напряжений в её толще приводит к появлению разности хода волн и возникновению окраски

Здесь будет изображение: /data/edu/files/z1453033537. jpg (153×142)

Исследование с помощью поляризации света распределения механических напряжений

В поляризованном свете удобно изучать распределение механических напряжений в деталях машин и механизмов, строительных конструкциях. Из прозрачной пластмассы делают плоскую модель детали (балки, опоры, рычага) и прикладывают к ней нагрузку, моделирующую реальную. Разноцветные полосы, возникающие в поляризованном свете, указывают на слабые места детали (острый угол, сильный изгиб и пр.) — в них концентрируются напряжения. Меняя форму детали, добиваются наибольшей её прочности.

Опыт 10.
Проделать такое исследование можно самим. Из органического стекла можно вырезать модель крюка для подъёма груза, подвесить её перед экраном, нагружать гирьками разного веса. Мы сделаем проще: в целлофановом квадрате проделаем дырку, подвесим к ней блок и будем нагружать его грузами. Пронаблюдаем, как в ней меняется распределение напряжений

Подведение итогов. Контроль знаний.

Что такое поляризация? Ответ: одно из волновых свойств света.

Какие источники испускают поляризованный, а какие – неполяризованный свет? Ответ: Жидкокристаллический монитор, дисплей калькулятора, дисплей мобильного телефона, луч лазера испускают поляризованный свет. Телевизор с кинескопом, лампа дневного света, свеча, газовая горелка, солнце испускают неполяризованный свет.

Как можно поляризовать свет? Ответ: С помощью поляризатора. Также свет поляризуется при отражении от поверхности диэлектрика, частично поляризуется при рассеянии (голубое небо).

Как используется явление поляризации? Ответ: для защиты водителя от слепящего света фар встречного автомобиля, для гашения бликов от стёкол и полированных поверхностей, для стереоскопического кино и телевидения, для определения концентрации оптически активных веществ (сахара)

что доказывает явление, способы, где применяется, примеры в науке и технике

Что такое поляризация света

Так как свет — это отчасти волна, для более точного объяснения этого явления нужно обратиться к поляризации волн.

Поляризация — это процесс или состояние, при котором явление, вещество или объект делится на несколько составляющих. В конкретном случае с волнами, она является характеристикой поперечных волн, которая описывает поведение вектора колеблющейся величины, перпендикулярной к направлению распространения волны. Причем направление колебаний святого вектора в этом случае всегда упорядочен.

Первооткрыватель этого явления

Человека, который первым открыл поляризацию световых волн 1808 году, звали Этьенн Луи Малюс. Это французский инженер, физик и математик. Наблюдая через кусок исландского шпата за светом заходящего солнца в окнах Люксембургского дворца, он кое-что заметил. Оказалось, что при определенном положении кристалла было видно только одно изображение. Так, он предположил, что после отражения от поверхности или прохождения световых волн сквозь анизотропный кристалл, волны света приобретают определенную ориентацию.

Также, независимо от него, другой французский ученый, Жан-Батист Био, теорию открыл поляризацию света при преломлении.

Таким образом, само это явление доказывает волновую природу света и поперечность световых волн.

Свойства света

Так как свет обладает диализом, он показывает волновые свойства, а в некоторых опытах проявляет себя как частицы. Поляризация, как и сказано выше, раскрывает его волновой характер. И, ко всему прочему, доказывает поперечность его волн. Такой вывод был сделан исходя из опытов Малюса. Он пропускал луч света через турмалиновые пластины, поворачивая их на угол φ относительно друг друга.

На рисунке ниже этот эксперимент проиллюстрирован.

Источник: physics.ru

Так, интенсивность свечения была прямо пропорциональна cos²φ.

\(I \approx cos²φ.\)

Преломление луча на двое не может существовать с точки зрения продольного характера волн. Для него характерно представление направления луча в качестве оси симметрии. В то время как для поперечных колебаний характерна асимметрия. Это и стало еще одним решающим признаком, выделяющим природу поперечного движения волн света.

А в середине 60-х годов девятнадцатого века Джеймс Клерк Максвелл сделал вывод о том, что свет – это электромагнитные волны. Такое решение было принято на основании совпадения известного значения скорости света и скорости распространения электромагнитных волн. Уже к этому времени поперечность световых волн была доказана. Поэтому Максвелл справедливо полагал, что поперечность электромагнитных волн является еще одним важнейшим доказательством электромагнитной природы света.

Явление поляризации света в природе

Самым ярким примером является солнечное свечение, которое рассеивается на молекулах воздуха. Это явление можно наблюдать с помощью николя или поляризованного светофильтра. Также можно использовать и обычное стекло, затемненное с одной из сторон. Попадая на такое стекло, луч будет практически полностью поляризован. Если постепенно поворачиваться вокруг направления луча, держа стекло неподвижно, можно проследить за этим наглядно. Изображение неба, захваченное стеклом, будет максимально ярким, если вы стоите лицом или спиной солнцу. Если же вы встанете под прямым углом к направлению луча, изображение будет темнее.

По своей сути, любой рассеянный поток свет с неба — пример поляризации, когда солнечные лучи бесконечное количество раз отразились от молекул воздуха.

Практическое применение явления

Многие примеры современного использования поляризации основаны на успокоении яркости солнечных лучей во избежание усталости глаз. Так, поляроидные фильтры используют моряки, чтобы погасить свечение водных бликов, которые мешают обзору. Также они могут использоваться на иллюминаторах самолетов, пароходов или на окнах поездов.

Отличным примером будет и фото- и видеотехника. Для съемки на открытом воздухе при ярком освещении используются поляризационные фильтры, которые убирают «засвет» и выравнивают светотеневой баланс изображения.

В астрофизике или спектроскопии такие фильтры тоже используются. Они позволяют вычленять участки из исследуемого спектра и провоцирующие изменения насыщенности или цветовых оттенков. Чаще всего их применяют для изучения звездных скоплений, туманностей и различных космических тел.

Возникли вопросы? Есть трудности с написанием контрольной работы по физике или любому другому предмету? Специалисты из ФениксХелп помогут с написанием дипломной, курсовой или творческой работы.

4. Поляризация и поляризаторы – Physics LibreTexts

Ранее мы обсуждали поляризацию как направление смещения волны по отношению к ее движению. Мы упоминали, что электромагнитная волна поперечно поляризована , что довольно однозначно, поскольку и электрическое, и магнитное поля колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Отсюда и далее под «поляризацией» может подразумеваться также ориентация плоскости поляризации .Напомним, что плоскость поляризации волны — это плоскость, содержащая направление движения и направление колебаний электрического поля. Свет, который в этом смысле «поляризован», состоит из электромагнитных волн, которые колеблются в одном направлении. Например, электрическое поле вертикально поляризованного света будет колебаться вверх и вниз.

На одном уровне мы можем просто принять это как определение, но полезно отметить, почему мы решили определить поляризацию таким способом вместо использования магнитного поля.Для волны, колеблющейся в свободном пространстве, не имеет большого значения, определяем ли мы плоскость поляризации как плоскость колебаний электрического поля или магнитного поля. На самом деле, для электромагнитной волны, распространяющейся в вакууме, вообще не имеет большого значения, какова поляризация. Когда эта волна взаимодействует с веществом (когда она поглощается, рассеивается, отражается или преломляется) , то поляризация становится существенной.

Так почему же для определения поляризации выбирают электрическое поле, а не магнитное поле? Когда луч света попадает на покоящийся объект, в хорошем приближении заряды сами более или менее покоятся, поэтому магнитное поле волны не может воздействовать на заряды.Однако электрическое поле может воздействовать на заряды силой и заставлять их двигаться. Магнитное поле не играет в этом важной роли, потому что даже если частицы движутся значительно, мы знаем, что они должны двигаться медленнее, чем скорость света \(с\). Величина электрического поля \(E_0 = c B_0\) для электромагнитной волны, поэтому мы видим, что величина электрической силы на зарядах больше, чем магнитной силы на зарядах!

Кроме того, мы можем легко вычислить направление электрической силы, действующей на частицы.Сила, действующая на заряд, направлена в сторону поля для положительного заряда или против поля для отрицательного заряда. Сравните это с пятьюдесятью девятью (или около того) правилами, которые нам нужно было выучить для магнитной силы! Мы решили говорить о поляризации с точки зрения электрического поля, потому что электрическую силу гораздо удобнее обсуждать.

Поляризация волны зависит от того, как волна была создана и с чем она взаимодействовала. Лазеры обычно (но не всегда) производят поляризованные лучи.Свет от тепловых источников (таких как лампа накаливания или солнце) создается случайными колебаниями атомов, поэтому в разное время свет поляризован совершенно по-разному. Мы называем эти источники неполяризованными . Некоторые поляризации предпочтительно отражаются или поглощаются материей, поэтому можно поляризовать свет, направляя его на особый вид материи, называемый поляризатором .

Есть много материалов, которые поляризуют свет. Распространенными примерами являются синтетические пластики (называемые поляроидами) и природные кристаллы.Общей чертой этих материалов является то, что все они имеют длинные линейные цепочки атомов, ориентированные в одном направлении. Электроны в этих средах могут легче перемещаться по направлению атомных цепочек. Это позволяет электрическим полям, ориентированным в направлении атомных цепочек, передавать свою энергию электронам в среде. Составляющая электрического поля, перпендикулярная цепочкам атомов, не может дать энергию электронам, потому что электроны не могут двигаться в этом направлении.Это означает, что составляющая волны, выровненная с цепочками атомов, поглощается, а ненаправленная составляющая волны передается.

Если нам дана любая поляризация света, мы можем разбить ее на компоненты: компонент, для которого поляризация волны параллельна цепочкам молекул (которые будут поглощаться электронами), и компонент, который перпендикулярен цепочки молекул (которые будут проходить, так как не могут быть поглощены). Мы называем параллельную ось осью поглощения , потому что эта составляющая света поглощается.Мы называем это перпендикулярное направление осью передачи или осью поляризатора , потому что свет, проходящий через поляризатор, поляризуется в этом направлении.

Изображение выше представляет собой схему поляризатора. Поскольку электроны не могут колебаться в направлении оси поляризатора, любой свет, проходящий через этот поляризатор, будет поляризован в этом направлении (горизонтально на этой диаграмме).

В общем случае нас может интересовать, сколько света проходит через данный поляризатор, если падающий свет имеет заданную интенсивность \(I_0\).Если электрическое поле равно \(E_0\), а угол между плоскостью поляризации света и осью поляризации равен \(\theta\), то мы можем разбить поле на две части:

\[E_{поглощенный} = E_0 \sin \theta\]

\[E_{транс} = E_0 \cos\тета\]

В приведенном ниже примере показано, как эти величины влияют на интенсивность передаваемого сигнала.

Пример №1

Свет, поляризованный по вертикальной оси, попадая на страницу, попадает на поляризатор. Ось поляризации расположена под углом 30° к вертикали.Какова доля интенсивности света, выходящего из поляризатора, от интенсивности входящего света? В какую сторону поляризован свет?

Решение

Назовем амплитуду электрического поля исходной волны \(E_0\), и мы знаем, что исходное электрическое поле колеблется вертикально. Ось поляризации и электрическое поле показаны на рисунке выше. Сначала разбиваем электрическое поле на часть вдоль оси поляризатора (которая будет передаваться) и часть вдоль атомных цепочек материала (которая будет поглощаться).2 \тета\] Это уравнение иногда называют законом Малюса. Если неполяризованный свет проходит через поляризатор, \(I_{out}\) всегда составляет половину начальной интенсивности.

Поляризация – Гиперучебник по физике

Обсуждение

Свет — это поперечная электромагнитная волна, видимая обычным человеком. Куда бы ни шел свет, электрические и магнитные поля возмущаются перпендикулярно направлению распространения. Это распространяющееся возмущение и делает свет волной.Тот факт, что электрическое и магнитное поля возмущены, делает свет электромагнитной волной. Тот факт, что он возмущает эти поля под прямым углом к направлению распространения, делает свет поперечной волной. В этом разделе мы рассмотрим, что значит быть поперечным.

Представьте световую волну, движущуюся к вам, на пути к вашему глазу. В каком направлении колеблется электрическое поле? (Свет бывает и электрическим, и магнитным, но обычно нас интересует электрическое поле.) Вверх и вниз? Конечно. Лево и право? Конечно, почему бы и нет. Оба направления перпендикулярны направлению распространения волны.

Большинство источников света неполяризованы. Электрическое поле вибрирует во многих направлениях; все перпендикулярно направлению распространения. Поляризованный свет уникален тем, что вибрирует в основном в одном направлении. Возможно любое направление, если оно перпендикулярно распространению, будь то…

горизонтальный

вертикальный

диагональ

Как получить поляризованный свет.

отражение от поверхности диэлектрика
блики
отраженный свет частично поляризован под прямым углом к плоскости падения
угол Брюстера: отраженный свет полностью поляризован, когда отраженный луч перпендикулярен преломленному лучу (покажите, что тангенс Брюстера угол равен показателю преломления)
рассеяние
голубое небо, радуга
свет, рассеянный малыми молекулами, поляризован под прямым углом к направлению распространения исходного луча
дихроичные кристаллы
Дихроизм: Свойство представлять разные цвета в проходящем свете, если смотреть в двух разных направлениях, причем цвета различаются в направлении противоположных или неравных осей.
поглощает составляющую волны, поляризованной в определенном направлении
турмалин
йодосульфат хинина в вязком пластике — кристаллы, ориентированные экструзией
гигантские тонкие кристаллы йодосульфата хинина
Герапатит: сульфат йодохинина
Эдвин Лэнд (1909–1991) США
двулучепреломляющие кристаллы
кальцит (исландский шпат)
кристалл с преимущественным направлением поляризации и распространения
лучи “o” и “e” (обычные и необыкновенные)

ТРЕБУЕТСЯ ТЕКСТ

Увеличить

Поляризованный свет несет информацию.Магнитные поля, химические взаимодействия, кристаллические структуры, изменения качества и механические нагрузки могут влиять на поляризацию луча света.

спектроскопия, поляриметрия, дефектоскопия, астрономия, платография, исследование материалов, применение лазеров, модуляция света, сельскохозяйственное производство, производство электроэнергии, приборы контроля окружающей среды, молекулярная биология, биотехнология

поляризованные солнцезащитные очки, фотография

блики, рассеяние (поляризованное небо)

жидкие кристаллы

Бл.

3D фильмы.

хиральность

Хиральность — это свойство некоторых объектов, которое делает их отличимыми от их зеркальных отображений. Объекты, демонстрирующие хиральность, называются хиральными . Человеческие руки являются наиболее доступными примерами хиральных объектов, поэтому хиральность также часто называют хиральностью . Хиральность — это всего лишь болезненно умное научное слово, происходящее от греческого слова «рука» — χερι ( kheri ).

Типичная рука состоит из четырех пальцев, большого пальца и ладони. (В этом контексте большой палец не считается пальцем.) Используя две руки одного человека, можно заставить только две из этих частей одновременно указывать в одном и том же направлении.

пальцы вверх, ладони наружу, большие пальцы в разные стороны

большой палец вверх, ладони наружу, пальцы в противоположных направлениях

пальцы вверх, большие пальцы влево, ладони в разные стороны

Определение того, является ли конкретное соединение правосторонним или левосторонним, определяется особенно сложным набором правил, которые я не понимаю (и не хочу понимать в данный момент), но иметь возможность это сделать особенно важное значение в органической химии. Студентам-физикам полезно знать, что все встречающиеся в природе сахара являются правыми, а все встречающиеся в природе аминокислоты — левыми (кроме глицина, который не является хиральным).

Оптическое вращение — это способность всех хиральных молекул вращать плоскополяризованный свет. Думайте о поляризованной световой волне как о стрелке аналоговых часов, указывающей на 12. Если немного сдвинуть эту стрелку вправо, она будет вращаться по часовой стрелке, а если сдвинуть ее влево, то она будет вращаться против часовой стрелки.Латинские слова для правого и левого: dexter и laevus соответственно. Хиральные молекулы, которые вращают поляризацию по часовой стрелке, называются правовращающими , а те, которые вращают ее против часовой стрелки, называются левовращающими .

Все сахара, производимые живыми существами, представляют собой правосторонние молекулы, но они могут вращать поляризацию света в любом направлении. Глюкоза является наиболее распространенным простым сахаром (моносахаридом) и основным источником энергии для всех живых существ.Его название происходит от греческого слова «сладкий» γλυκος ( гликос ). Поскольку он вращает плоскополяризованный свет по часовой стрелке, он также известен как декстроза. Фруктоза — еще один простой сахар. Его название происходит от латинского слова «фрукт», fructus . Поскольку он вращает плоскополяризованный свет против часовой стрелки, он также известен как левулезный.

Химическое связывание глюкозы и фруктозы приводит к образованию сахарозы — вещества, которое сегодня большинство людей назвало бы сахаром (или, может быть, столовым сахаром). Его название происходит от французского слова «сахар», sucre .Дисахарид сахароза является правовращающим, а смесь моносахаридов глюкозы и фруктозы – левовращающим. «Инвертный сахар» получают путем нагревания раствора сахарозы и воды. Две половины дисахарида разделяются (гидролизуются), и преобладает вращение, вызванное фруктозой. Поляризация раствора была «инвертирована», но хиральность самих сахаров не инвертирована. Для этого потребуется перевернуть молекулу в трех разных местах, что сделать очень сложно.

Сахар, полученный биологическими процессами
имя(а)	классификация	хиральность	оптическая активность	[α]* [°/дм]
глюкоза (декстроза, сахар крови)	моносахарид	правша	правовращающий	+52.5
фруктоза (левулоза, фруктовый сахар)	моносахарид	правша	левовращающий	−88,5
сахароза (столовый сахар)	дисахарид глюкозы и фруктозы	правша	правовращающий	+66,4
инвертный сахар	равноценная смесь глюкозы и фруктозы	правша	левовращающий	−19. 7
галактоза	моносахарид	правша	правовращающий	+83,9
лактоза (молочный сахар)	дисахарид глюкозы и галактозы	правша	правовращающий	+52,4
мальтоза (солодовый сахар)	дисахарид двух единиц глюкозы	правша	правовращающий	+138.5

Органические соединения, которые существуют как в левой, так и в правой форме, называются стереоизомерами . Те, которые являются идеальным зеркальным отображением друг друга, называются энантиомерами . Они демонстрируют одинаковое количество, но противоположные направления оптического вращения. Во всем остальном их физические и химические свойства идентичны. Их физиологическое действие может различаться, поскольку ферменты и другие биологические рецепторы могут легко различать многие пары энантиомеров. Другие изомеры могут быть неперевариваемыми или даже токсичными. Некоторые просто интересны.

Карвон относится к семейству химических веществ, называемых терпеноидами. У карвона есть два энантиомера: правосторонняя форма, которая содержится в маслах семян тмина, укропа и аниса; и левосторонняя форма, которая содержится в масле мяты колосовой. Разница в двух вкусах свидетельствует о том, что рецепторы запаха имеют хиральные сайты активации. Ваш нос может учуять рукоять некоторых молекул.

фотоупругое напряжение

текст

Рисунок напряжения появляется в прозрачных материалах, зажатых между скрещенными поляризаторами.

Некоторые производственные процессы могут привести к постоянному стрессу. Этот транспортир, скорее всего, сломается там, где линии напряжения наиболее плотные (под углом 60° по дуге или на расстоянии 4¼ дюйма от основания).

продолжить?

27.8 Поляризация — Колледж физики для курсов AP®

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

Обсудите значение слова поляризация.
Обсудите свойство оптической активности некоторых материалов.

Информация, представленная в этом разделе, поддерживает следующие цели обучения и научные практики AP®:

6.A.1.3 механическая волна поляризована и построить объяснение того факта, что волна должна иметь колебание перпендикулярно направлению распространения энергии. (СП 5.1, 6.2)

Солнцезащитные очки Polaroid знакомы большинству из нас.Они обладают особой способностью отсекать блики света, отраженного от воды или стекла (см. рис. 27.36). Полароиды обладают этой способностью из-за волновой характеристики света, называемой поляризацией. Что такое поляризация? Как это производится? Каковы некоторые из его применений? Ответы на эти вопросы связаны с волновым характером света.

Рис. 27.36 На этих двух фотографиях реки показано действие поляризационного фильтра на уменьшение бликов света, отраженного от поверхности воды. Часть (b) этого рисунка была снята с поляризационным фильтром, а часть (a) — без него. В результате отражение облаков и неба, наблюдаемое в части (а), не наблюдается в части (б). Поляризационные очки особенно полезны на снегу и воде. (кредит: Amithshs, Wikimedia Commons)

Свет — это один из типов электромагнитных (ЭМ) волн. Как отмечалось ранее, электромагнитные волны представляют собой поперечных волн , состоящих из переменных электрических и магнитных полей, которые колеблются перпендикулярно направлению распространения (см. рис. 27.37). Существуют определенные направления колебаний электрического и магнитного полей. Поляризация — это признак того, что колебания волны имеют определенное направление относительно направления распространения волны. (Это не тот тип поляризации, который обсуждается для разделения зарядов.) Волны, имеющие такое направление, называются поляризованными. Для электромагнитной волны мы определяем направление поляризации как направление, параллельное электрическому полю. Таким образом, мы можем думать, что стрелки электрического поля показывают направление поляризации, как на рисунке 27.37.

Рис. 27.37 Электромагнитная волна, такая как свет, является поперечной волной. Электрические и магнитные поля перпендикулярны направлению распространения.

Для дальнейшего изучения рассмотрим поперечные волны в канатах, показанные на рис. 27.38. Колебания в одной веревке происходят в вертикальной плоскости и называются вертикально поляризованными. Те, что в другой веревке, находятся в горизонтальной плоскости и имеют горизонтальную поляризацию. Если на первой веревке сделать вертикальную щель, волны проходят сквозь нее.Однако вертикальная щель блокирует горизонтально поляризованные волны. Для электромагнитных волн направление электрического поля аналогично возмущениям на веревках.

Рис. 27.38 Поперечные колебания в одной веревке совершаются в вертикальной плоскости, а в другой — в горизонтальной. Первый называется вертикально поляризованным, а второй — горизонтально поляризованным. Вертикальные щели пропускают волны с вертикальной поляризацией и блокируют волны с горизонтальной поляризацией.

Солнце и многие другие источники света производят волны со случайной поляризацией (см. рис. 27.39). Такой свет называется неполяризованным, потому что он состоит из множества волн со всеми возможными направлениями поляризации. Материалы Polaroid, изобретенные основателем Polaroid Corporation Эдвином Лэндом, действуют как поляризационная щель для света, пропуская только поляризацию в одном направлении. Поляризационные фильтры состоят из длинных молекул, ориентированных в одном направлении. Думая о молекулах как о множестве щелей, аналогичных щелям в колеблющихся веревках, мы можем понять, почему сквозь них может пройти только свет с определенной поляризацией.Ось поляризационного фильтра — это направление, вдоль которого фильтр пропускает электрическое поле ЭМ волны (см. рис. 27.40).

Рис. 27.39 Тонкая стрелка представляет луч неполяризованного света. Жирные стрелки представляют направление поляризации отдельных волн, составляющих луч. Поскольку свет неполяризован, стрелки указывают во всех направлениях.

Рис. 27.40 Поляризационный фильтр имеет ось поляризации, которая действует как щель, проходящая через электрические поля параллельно его направлению.Направление поляризации электромагнитной волны определяется как направление ее электрического поля.

На рис. 27.41 показано влияние двух поляризационных фильтров на первоначально неполяризованный свет. Первый фильтр поляризует свет вдоль своей оси. Когда оси первого и второго фильтров выровнены (параллельны), то весь поляризованный свет, прошедший первый фильтр, также проходит второй. Если второй поляризационный фильтр вращается, то проходит только часть света, параллельная оси второго фильтра.Когда оси перпендикулярны, второй свет не проходит.

Пропускается только составляющая ЭМ волны, параллельная оси фильтра. Назовем угол между направлением поляризации и осью фильтра θθ величиной 12{θ} {}. Если электрическое поле имеет амплитуду EE размера 12{E} {}, то прошедшая часть волны имеет амплитуду EcosθEcosθ размера 12{E”cos”θ} {} (см. рис. 27.42). Поскольку интенсивность волны пропорциональна квадрату ее амплитуды, интенсивность II размера 12{I} {} прошедшей волны связана с падающей волной соотношением

I=I0cos2θ,I=I0cos2θ, размером 12{I=I rSub {размер 8{0} } “cos” rSup {размер 8{2} } θ,} {}

27.44

где I0I0 size 12{I rSub { size 8{0} } } {} — интенсивность поляризованной волны перед прохождением через фильтр. (Приведенное выше уравнение известно как закон Малюса.)

Рис. 27.41 Эффект вращения двух поляризационных фильтров, где первый поляризует свет. (а) Весь поляризованный свет проходит через второй поляризационный фильтр, поскольку его ось параллельна первому. (b) При вращении второй проходит только часть света. в) Когда второй луч перпендикулярен первому, свет не проходит. (г) На этой фотографии поляризационный фильтр расположен над двумя другими. Его ось перпендикулярна фильтру справа (темная область) и параллельна фильтру слева (более светлая область). (кредит: П.П. Уроне)

Рис. 27.42. Поляризационный фильтр пропускает только компонент волны, параллельный его оси, EcosθEcosθ размера 12{E”cos”θ} {}, уменьшая интенсивность любого света, не поляризованного параллельно его оси.

Пример 27.8

Расчет уменьшения интенсивности с помощью поляризационного фильтра

Какой угол необходим между направлением поляризованного света и осью поляризационного фильтра, чтобы уменьшить его интенсивность на 90°.0%90.0% размер 12{“90” “.” 0%} {}?

Стратегия

При уменьшении интенсивности на 90,0%90,0% размер 12{“90” “.” 0%} {}, это 10,0%10,0% или 0,100 от исходного значения. То есть I=0,100I0I=0,100I0. Используя эту информацию, уравнение I=I0cos2θI=I0cos2θ размер 12{I=I rSub { размер 8{0} } “cos” rSup { размер 8{2} } θ} {} можно использовать для определения необходимого угла.

Раствор

Решение уравнения I=I0cos2θI=I0cos2θ размер 12{I=I rSub { размер 8{0} } “cos” rSup { размер 8{2} } θ} {} для cosθcosθ размер 12{“cos”θ} {} и замена отношения между размером II 12{I} {} и размером I0I0 12{I rSub {размер 8{0} } } {} дает

cosθ=II0=0.100I0I0=0,3162.cosθ=II0=0,100I0I0=0,3162. size 12{“cos”θ= sqrt {{{I} over {I rSub {size 8{0} } } } } = sqrt {{{0 “.” “100”I rSub {размер 8{0} } } над {I rSub {размер 8{0} } } } } =0 “.” “316”} {}

27,45

Решение для размера θθ 12{θ} {} дает

θ=cos-10,3162=71,6º. θ=cos-10,3162=71,6º. размер 12{θ=”cos” rSup { размер 8{- 1} } 0 “.” “316”=”71″ “.” 6°} {}

27.46