Явление поляризации это – Поляризация света для чайников: суть явления, сущность, определение

4.4 Явление поляризации

В пучке естественного света результирующий световой векторбыстро и беспорядочно меняет направление своих колебаний (рис.9а). Однако при определенных условиях можно получить пучок света, в котором колебания светового векторабудут совершаться только вдоль одного единственного направления. Такой пучок называется плоско- или линейно поляризованным.

Плоскость, проходящая через вектор и направление распространения волны, т.е. через вектор скоростиполучила название плоскости поляризации пучка

(рис. 9б).

Световой пучок, в котором колебания вдоль какого-то одного направления преобладают над колебаниями в других направлениях, называется частично поляризованным.

Поляризация достаточно распространенное явление природы. Однако мы этого не замечаем, т. к. глаз человека не в состоянии отличить поляризованный свет от неполяризованного. По этой причине поляризацию света и явления с ней связанные, можно наблюдать только с помощью специальных приборов, которые называются поляризаторами. Эти устройства свободно пропускают колебания, параллельные одной определенной плоскости, которую можно выделить в каждом поляризаторе, и не пропускают колебания перпендикулярные этой плоскости. Эту плоскость мы будем называть главной плоскостью поляризатора.

Пусть направление колебаний напряжённости электрического поляi-ой волны образует с главной плоскостью поляризации угол φ_i (рис.10). Тогда составляющая , прошедшая через поляризатор, имеет амплитуду:. Так как в пучке естественного света все значения φ_i равновероятны, а интенсивность I ~ Е², то доля интенсивности, прошедшей через поляризатор будет равна доле не прошедшей, т. е.

I = Σ · I_0,i · cos²φ_i = I₀/2. (20)

Рассмотрим случай, когда на поляризатор падает плоскополяризованное излучение (рис.11). Ясно, что если плоскость поляризации пучка параллельна главной плоскости поляризатора, то пучок проходит полностью, а если перпендикулярна, то не проходит совсем.

В произвольном случае (для одной волны) через поляризатор пройдет составляющая колебаний с амплитудой .Интенсивность поляризованного пучка света, прошедшего через поляризатор определяется

законом Малюса. Учитывая, что для всех волн пучка угол φ имеет одно и то же значение, для интенсивности получим:

. (21)

4.5 Явления, приводящие к поляризации света

ЯВЛЕНИЕ ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЯ

Как показывает опыт, явление частичной, а при определенных условиях и полной поляризации, имеет место при отражении, преломлении, рассеянии и поглощении естественного света. Например: при падении света на границу раздела двух диэлектриков под углом не равным нулю отражённый и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. Причём, в отражённом луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения, а в преломлённом – параллельные ей (рис.12а). Степень поляризации в этом случае зависит от угла падения α. При угле падения α

Б, удовлетворяющему условию:

, (22)

отражённый луч оказывается полностью поляризованным, а преломлённый достигает максимума поляризации (рис.12б). Это закон Брюстера (n_1,2 – показатель преломления среды 2 относительно среды 1). Можно показать, что при выполнении закона Брюстера, отраженный и преломленный лучи взаимноперпендикулярны.

Для поляризации света обычно используют явление двойного лучепреломления. Явление состоит в том, что при преломлении света на границе анизотропной среды (кристаллы исландского шпата – СаСО₃, турмалина, кварца и др.) наблюдается раздвоение преломленного светового пучка (рис.13). Это происходит вследствие зависимости скорости световых волн, а значит и показателя преломления, от направления колебаний вектора . Для одного луча выполняются законы преломления, и он называется обыкновенным – о. Для другого они не выполняются. Этот луч называется необыкновенным – е. Необыкновенный луч может не лежать в плоскости падения, а отношение синуса угла падения к синусу угла преломления (sinα/sinβ) для него не постоянно. Оно зависит от значения угла падения α. Оба луча являются полностью поляризованными.

В двулучепреломляющих кристаллах существуют направления, для которых скорости распространения обыкновенного и необыкновенного лучей одинаковы . Для этих направлений, которые называются оптическими осями кристалла, явление двойного лучепреломления не наблюдается. Плоскости, проходящие через оптические оси и падающий луч, являются главными плоскостями таких кристаллов. Колебания вектораобыкновенного луча перпендикулярны главной плоскости, а необыкновенного – лежат в этой плоскости.

Самостоятельно двулучепреломляющие кристаллы как поляризаторы не используются, т. к. обыкновенный и необыкновенный лучи пространственно расходятся очень мало. Из таких кристаллов изготавливают специальные поляризационные призмы – николи. Николь представляет собой параллелепипед, разрезанный по диагонали и склеенный канадским бальзамом (смола пихты) сn_о > n_{бальзама} > n_е (рис.14). Подбирая соответствующим образом огранку николя, добиваются полного отражения обыкновенного луча от границы кристалл – канадский бальзам (рис.14).

В некоторых двулучепреломляющих кристаллах один из лучей испытывает аномально большое поглощение. Это явление получило название – дихроизм. Сильным дихроизмом в видимых лучах обладают кристаллы турмалина. Поляризаторы на основе этого явления представляют собой прозрачную полимерную пленку толщиной около 0,1 мм, в которую введено большое количество одинаково ориентированных кристалликов, например, сульфата йодистого хинина – герапатита. Такие поляризаторы называются поляроиды.

studfiles.net

ЯВЛЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА

ЯВЛЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА

Макеев И.И. 1Пахоруков Д.И. 1Бурмасов Д.Е. 1

---

1МБОУ “Лицей города Юрги”

Вагапова С.А. 1

---

1МБОУ “Лицей города Юрги”

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке “Файлы работы” в формате PDF

Введение

В современной жизни человек всё чаще встречается с термином «поляризация». Данное явление играет немаловажную роль в жизни человека. Многие современные приборы и устройства работают на основе поляризации.

Актуальность темы:

Что же это за явление с таким парадоксальным названием «поляризация», и почему к нему проявляется столь значительный интерес? В наш время наука стала производительной силой, и поэтому, как правило, повышенный научный интерес к тому, или иному явлению или объекту означает, что это явление или объект представляет интерес для материального производства. В этом отношении не является исключением и поляризация. Интерес к данному явлению обусловлен возможностями эффективного применения в ряде отраслей производственной деятельности. Внедрение поляризационных материалов в нашу жизнь означает экономическую эффективность, простоту, удобство.Таким образом, предметом исследовательского интереса является практическое применение явления поляризации.

Объект исследования: Свет. Предмет исследования: Поляризация света. Аналитическим материалом для данной работы послужили различные информационные источники, научные статьи.

Цель данной работы состоит в изучении явления поляризации и применения этого явления в производстве и в быту.

Достижение поставленной цели предполагает решение ряда задач:

1. Изучить литературу по теме «Поляризация света».

2. Выделить основные области применения поляризации, которые в ближайшие несколько лет послужат основой создания устройств, необходимых человечеству.

3. Провести ряд экспериментов по исследованию явления поляризации света.

Методы исследования: аналитический, теоретический, экспериментальный.

Глава1.Свет как электромагнитная волна

1.1.Природа света

Первые представления о природе света возникли у древних греков и египтян. По мере изобретения и совершенствования различных оптических приборов (параболических зеркал, микроскопа, зрительной трубы) эти представления развивались. В конце XVII века возникли две теории света: корпускулярная (И. Ньютон) и волновая (О. Френель и Х. Гюйгенс).

Волновая теория рассматривала свет как волновой процесс, подобный механическим волнам. В основу волновой теории был положен принцип Гюйгенса. Большая заслуга в развитии волновой теорий принадлежит английскому физику Т. Юнгу и французскому физику О. Френелю, исследовавшими явления интерференции и дифракции. В 60-е годы XIX века Максвеллом были установлены общие законы электромагнитного поля, которые привели его к заключению, что свет – это электромагнитные волны. Электромагнитная природа света получила признание после опытов Г. Герца (1887–1888 гг.) по исследованию электромагнитных волн.

1.2 Видимый свет

Видимый свет — электромагнитные волны, которые воспринимаются нашим глазом, и позволяет нам видеть окружающий мир. Видимый свет имеет длину волны от 380 нм до 760 нм, которые определяют его цвет.

В электромагнитной волне векторы и перпендикулярны друг другу. В естественном свете колебания напряженности электрического поля и магнитной индукции происходят по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения волны. Если свет поляризован, то колебания как , так и происходят не по всем направлениям, а в двух определенных плоскостях. Свет со всевозможными ориентациями напряженности вектора называется естественным светом.

1.3 Факты, доказывающие, поперечность электромагнитной волны

В конце XVII века было обнаружено, что кристалл исландского шпата (CaCO₃) раздваивает проходящие через него лучи. Это явление получило название двойного лучепреломления, которое долго не могли объяснить.

Рис. 1 Рис.2

В 1809 г. французский инженер Этьен Малюс открыл закон, названный его именем. В опытах Малюса свет последовательно пропускался через две одинаковые пластинки из турмалина. Пластинки могли поворачиваться друг относительно друга на угол φ. Интенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной cos² φ: I ~ cos² φ. Но, ни двойное лучепреломление, ни закон Малюса, не могли найти объяснение в рамках теории продольных волн. В продольной волне все направления в плоскости, перпендикулярной лучу, равноправны. В поперечной же волне направление колебаний и перпендикулярное ему направление не равноправны. Таким образом, асимметрия относительно луча явилась решающим признаком, который отличает поперечную волну от продольной.

Глава 2. Поляризованный свет

Поляризованный свет – световые волны, электромагнитные колебания которых распространяются только в одном направлении. 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.

Рис.3

2.1 Явление поляризации света

Поляризация света – процесс упорядочения колебаний вектора напряжённости электрического поля световой волны при прохождении света сквозь некоторые вещества (при преломлении) или при отражении светового потока.Плоскость поляризации – плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоскополяризованной волны и направление распространения этой волны.

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). 2.2. Получение поляризационного света

1. Отражение от диэлектриков. Степень поляризации зависит от угла падения лучей и показателя преломления.

2. Пропускание света сквозь анизотропную среду.

Все прозрачные кристаллы (кроме кристаллов кубической системы, которые оптически изотропны) обладают способностью двойного лучепреломления, т. е. раздваивания каждого падающего на них светового пучка. Если на толстый кристалл исландского шпата направить узкий пучок света, то из кристалла выйдут два пространственно разделенных луча, параллельных друг другу и падающему лучу.

3. Поляризаторы

Типичным представителем поляризационных призм является призма Ннколь, называемая часто ни́колем. Любое устройство с цветным ЖК (жидкокристаллическим) экраном — монитор, ноутбук, телевизор, DVD-плеер — можно использовать в качестве поляризатора.

2.3 Применение поляризационного света

1) Молекулярная физика – пищевая промышленность: Поляризованный свет применяется при изучении структуры вещества и его поверхности, при изучении поляризации молекул веществ. Явление вращения плоскости поляризации составляет основу методов сахариметрии – определенная концентрация растворов.

2) Геология: Геологи, исследуя в поляризованном свете различные минералы и изделия, могут отличить природные от искусственных, поддельные от настоящих.

3) Фотография: Фотографы, выполняя репродукции с картин в застекленных рамах, могут легко уничтожить мешающие им блики от стекла, надевая на объектив поляризованный фильтр.

4) Оптика: Поляризованный бинокль помогает капитанам вести корабль по правильному курсу, уничтожая при наблюдении мешающие световые блики на морских волнах. Поляризационные микроскопы позволяют ученым, изучая тончайшие срезы минералов (шлифы), выяснить структуру вещества. Поляризационные очки используют в стереокино, дающем иллюзию объемности.

5) Техника: Поляризация света широко используется при необходимости плавной регулировки интенсивности светового пучка. Поляризация света применяется также в создании жидкокристаллических дисплеев, которые используются во многих устройствах, включая часы, экраны компьютеров, таймеры.

6) Астрономия: Спектральное разложение света может быть достоверным индикатором присутствия жидкой воды, необходимой для формирования жизни земного типа. Определение угла поляризации позволяет с высокой точностью определять состав жидкости, преломляющей свет.

Глава 3. Исследование поляризации света

3.1. Поляроидные плёнки.

Цель: получение поляризованного света с помощью поляроидов.

Оборудование: 2 поляроида (один – поляризатор, второй – анализатор), экран монитора.

Выполнение работы: Возьмём два поляроида, сложим их и посмотрим сквозь них на какой-нибудь источник естественного света. Если оси пропускания обоих поляроидов (то есть направления, в которых они поляризуют свет) совпадают, глаз увидит свет максимальной яркости; если они перпендикулярны, свет практически полностью погасится.(Приложение,фото1).

Вывод: Это происходит потому, что первый поляроид (неподвижный) пропускает свет с вертикальной поляризацией, а тот, который повернули, пропускает свет только с горизонтальной поляризацией, в результате тот свет, который смог пройти первый поляроид отсекается вторым.

Данное явление можно используют для защиты водителя от слепящего света фар встречного автомобиля и предотвращения ДТП. Если на ветровое стекло и фары автомобиля нанести плёночные поляроиды с углом пропускания 45⁰, например, вправо от вертикали, водитель будет хорошо видеть дорогу и встречные машины, освещенные собственными фарами. Но у встречных автомобилей поляроиды фар окажутся скрещенными с поляроидом ветрового стекла данного автомобиля, и свет фар встречных машин погаснет.

3.2. Поляризация отраженного света

Цель: проверка поляризации отраженного света

Оборудование: Поляроиды, стеклянная поверхность, экран, штатив, источник света.

Выполнение работы: Свет, отражаясь от диэлектрических поверхностей частично поляризуется. Угол, характеризующий полную поляризацию называют углом Брюстера. tg α = n₂ / n₁, где α – угол падения, рассчитанный от нормали, а n₂ и n₁ показатели преломления сред. Для обычного стекла в воздухе угол Брюстера примерно равен 56 ⁰.

Источник света направили на стеклянную поверхность так, чтобы при отражении от него пучок света прошел через поляроид на экран. При повороте поляроида на 90⁰, на экране свет пропадает. (Приложение, фото 2).Вывод: Свет, отражаясь от поверхности стекла оказывается поляризованным в плоскости отражения, а поляризатор пропускает только вертикально поляризованный свет, в итоге отраженный от поверхности свет не проходит. Пользуясь поляризаторами, можно устранить или ослабить свет, отраженный поверхностей.

3.3. Стопа Столетова

Цель: получение поляризованного света с помощью стопы Столетова.

Оборудование: стопа Столетова, лазер, экран. Стопа Столетова состоит из набора — порядка 10 штук — параллельных тонких и однородных стеклянных пластинок, установленных с малым воздушным зазором между соседними пластинками

.

Рис.9. Разделение естественного света на два пучка линейно поляризованного света с помощью пластинок из прозрачного диэлектрика.

Выполнение работы: Через стопу Столетова направили луч, получив при этом луч пройденный через стопу (на синем экране) и отразившийся на 90 ⁰ (на белом экране). И проверили каждый из лучей через поляроид. Оба луча стали поляризованными и при повороте поляроида на 90 ⁰, луч гасился. (Приложение, фото 3).

Вывод: Опыт показывает, что стопа стеклянных пластин, установленных под углом Брюстера, является эффективным поляризатором естественного света.

3.4. Линейка и скотч

Цель: показать механические напряжения в прозрачных телах.

Оборудование: Линейка, поляроид, скотч, белый экран.

Выполнение работы: Есть такие материалы, которые поворачивают плоскость поляризации проходящего через них света. В быту это обычный канцелярский скотч. Склеивая ленту скотча саму на себя липким слоем, зажимаем между двумя поляроидами и смотрим в проходящем свете.Объектом исследования также может служить любая прозрачная пластмассовая деталь со стенками или линейка. Если взять коробку от аудиокассеты, поместить ее на темном фоне и осветить лампой примерно под углом Брюстера — через поляроид можно наблюдать красивые цветные узоры. Эти узоры обычно сгущаются вблизи углов и кромок, швов и отверстий – в местах максимального механического напряжения. Поместив прозрачное тело (скотч и линейку) на белый экран, посмотрели на него через поляроид. Появились цветные узоры – механические напряжения. При вращении поляроидов радужная картина изменилась. (Приложение, фото 4).

Данный метод используют для изучения распределения механических напряжений в деталях машин и механизмов, строительных конструкциях. Из прозрачной пластмассы делают модель детали (балки, опоры, рычага) и прикладывают к ней нагрузку, моделирующую реальную. Разноцветные полосы, возникающие в поляризованном свете, указывают на слабые места детали – в них концентрируются большие механические напряжения. Меняя форму детали, добиваются наибольшей её прочности.

3.5.Поляризация рассеянного света

Цель: получить из рассеянного света – поляризованный.

Оборудование: Крашеная красной тушью вода, стакан, поляроид, лазер.

Выполнение работы: Наполнили банку водой, затем добавили в нее несколько капель туши и размешали. Осветили сосуд источником света. Если смотреть перпендикулярно направлению распространения света, то виден след луча в колбе. Это рассеянный частичками свет. Наблюдая его через поляризатор, можно обнаружить, что он плоскополяризован, поскольку при вращении поляризатора след пучка света в колбе гаснет два раза за один оборот поляризатора. (Приложение, фото 5).

Вывод: Рассеянный частичками, взвешенными в жидкости, свет поляризован. Вынужденное рассеяние света и его поляризация нашло широкое практическое применение в комбинационных лазерах для эффективного преобразования частоты лазерного излучения; в лазерной спектроскопии, позволяющей проводить количественный и качественный газовый анализ.

3.6. Поворот плоскости поляризации света

Цель: показать, что угол преломления поляризованного света меняется при переходе из воздуха в раствор сахара.

Оборудование: Источник света, раствор сахара, колба, белый экран, 2 поляроида (один – поляризатор, второй – анализатор).

Выполнение работы: Взяли 2 поляроида и поставили между нами колбу с раствором сахара и пропустили свет, поляризованный свет показан на белом экране. Затем повернули на 90 ⁰ один поляроид, и также разместили между поляроидами раствор сахара, и на экране все равно оставался виден небольшой свет. (Приложение, фото 6).

Вывод: Опыты подтвердили, что угол преломления поляризованного света меняется при переходе из воздуха в раствор сахара. Явление вращения плоскости поляризации широко используется для исследования особенностей строения вещества и определения, концентрации оптически активных веществ в растворах. Также явление вращения плоскости поляризации является ценным методом исследования структуры и свойств полимеров – белков, нуклеиновых кислот.

Заключение.

При выполнении нашей работы было изучено, что такое поляризация света, история открытия данного явления, и где данное явление применяется.

Проведены опыты по поляризации, видеозаписи опытов можно применять на уроках физики.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что на практике довольно часто сталкиваемся не с естественным, а с частично поляризованным светом. Также в мире все больше появляется вещей, необходимых не только для комфорта человека, но и для различных научных исследований, основанных на использовании явления поляризации света.

Поляризация света необходима для изучения оптических свойств различных веществ. Это может понадобиться и в быту — например, с помощью поляризации света можно отличить натуральный мед от поддельного. Это явление используется также в стереофотографии и стереокино. Поляризационные очки применяются водителями автотранспорта и полярными исследователями.

Литература

1. Голубев А. В мире поляризованного света//Наука и жизнь.– 2008.–№5.–http://www.nkj.ru/archive/articles/13930/

2. Митрофанов А. Поляризация света. Простейшие опыты //Квант. — 1999. — № 4. —http://www.physbook.ru/index.php/Kvant

3. Стороженко В. Пленка поляризационная. Где ее применяют? – http://fb.ru/article/209439/plenka-polyarizatsionnaya-gde-ee-primenyayut

4. Транковский. С.. Цветной мир прозрачных вещей//Наука и жизнь.–1999.–№7 http://www.nkj.ru/archive/articles/9523/

5. http://fb.ru/article/209439/plenka-polyarizatsionnaya-gde-ee-primenyayut

6. http://www.nkj.ru/archive/articles/13930/

Приложение

Фото 1.

Фото 2.

Фото 3. Фото 4.

Фото 5.

Фото 6.

Просмотров работы: 3147

school-science.ru

Глава 22. Поляризация света

§ 22.1 Естественный и поляризованный свет. Закон Малюса

Явление поляризации света – это оптический феномен, находящий применение в технике, но не встречающийся в повседневной жизни. Поляризованный свет буквально окружает нас, но человеческому глазу поляризация практически недоступна. Мы страдаем «поляризационной слепотой».

В своей книге «Трактат о свете» Христиан Гюйгенс описывает удивительное явление, обнаруженное им в опытах с прозрачными кристаллами исландского шпата: если про­пустить свет через кристалл шпата, то после вторичного прохождения света через такой же кристалл, при определенной ориентации све­тового луча и кристалла, луч практически полностью исчезает. Отсюда можно заключить, что в результате действия на свет первого крис­талла вышедшая из него световая волна оказывается не такой, какой она была до этого. Впоследствии французский ученый Э. Малюс назвал это явление поляризацией света.

В электромагнитной теории света поляризация световых волн объясняется следующим образом.

Естественный свет, создаваемый солнцем или какими-либо обычными источниками, например лампами, представляет собой совокупность волн, излучаемых огромным количеством атомов. В таком свете колебания вектора Е происходит по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения света (рис.22.1). Если пучок естественного света пропустить через, например, кристалл турмалина, то свет окажется поляризованным. Это связано с тем, что некоторые кристаллы (особенно турмалин) обладают свойством пропускать световые волны только в одной плоскости, совпадающей с осью симметрии кристалла и при прохождении через кристалл будет пропущена лишь та часть падающего естественного света, в которой вектор напряжённости Е ориентирован параллельно оси кристалла.

Процесс ориентации колебаний вектора Е световой волны в определённом направлении называется поляризацией.

Поляризованной волной называется такая поперечная волна, в которой колебания всех частиц происходит в одной плоскости.

Плоскость, проходящая через электрический вектор Е и направление распространения электромагнитной волны, является плоскостью поляризации (плоскостью колебаний).

Если за первым кристаллом поставить второй кристалл, то до него уже доходит поляризованный свет (рис. 22.2). При параллельном расположении осей обоих кристаллов ничего интересного не произойдёт. Если же второй кристалл вращать, оставляя первый неподвижным, то по мере увеличения угла между их осями интенсивность прошедшего света будет постепенно уменьшаться и при взаимоперпендикулярном расположении осей обратится в нуль. В этом случае, в падающем на второй кристалл световой волне не будет присутствовать колебания вектора Е, параллельные оси кристалла, и потому этот кристалл не пропустит свет, полностью поглотив его.

Поляризованную волну можно получить с помощью резинового шнура, если на его пути поставить преграду с тонкой щелью. Щель пропустит только те колебания, которые происходят вдоль неё (рис.22.3). Плоскополяризованную волну излучает отдельный атом.

Устройство, выделяющее колебания, происходящие в одной плоскости, и позволяющее получать поляризованный свет из естественного света называется поляризатором.

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

Если на анализатор падает поляризованный луч, плоскость поляризации которого составляет угол α с плоскостью поляризации анализатора, то интенсивность прошедшего сквозь анализатор луча определяется законом Малюса (рис. 22.4):

I = I₀ cos² α (22.1)

[I₀ — интенсивность луча, прошедшего поляризатор; I — интенсивность луча, выходящего из анализатора, без учета потерь в анализаторе в результате поглощения и рассеяния света].

Если α =π/2, то будет полное затмение поля зрения.

studfiles.net

Явление поляризации света

Поляризация света. Основные теоретические сведения

Явление поляризации света — это явление возникновения определенной ориентации вектора световой волны в пространстве [основная литература 1, 2, 3].

Из теории Максвелла известно, что электромагнитная волна поперечна, т. е. , , где — направление распространения волны. Ориентацию вектора в плоскости можно определить путем следующих рассуждений и наблюдений.

Предположим вначале, что вектор (рис. 1) фиксирован, т. е. не меняет своего положения в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. В таком случае проекции вектора на различные плоскости, проходящие через x, будут различны.

Рис. 1. и — две произвольные плоскости, проходящие через направление распространения волны x

Например, на рис. 1 в пл.     , а в пл.     , где — угол между плоскостями и .

Различие проекций вектора на плоскости и должно привести к тому, что волна будет проявлять различные свойства по отношению к плоскостям и .

Опыт: в общем случае волны, распространяющиеся непосредственно от источника, таких свойств не проявляют. Полученный экспериментальный факт означает, что принятое выше предположение о фиксированном положении вектора в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, не соответствует действительности.

Такой вывод находится в соответствии с природой излучения. Световая волна от естественного источника состоит из множества цугов волн, испускаемых отдельными атомами. Плоскость колебаний (т. е. плоскость, проведенная через направление вектора волны и направление луча) для каждого цуга ориентирована случайным образом. Поэтому в естественном свете, в плоскости, перпендикулярной лучу, одновременно присутствуют колебания всевозможных направлений вектора (рис. 2). Вероятности реализации их одинаковы.

Рис. 2. Моментальное изображение вектора естественного света в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны

Поэтому величина вектора , усредненная по времени наблюдения, будет одинаковой в любой плоскости, проходящей через направление луча. Это должно привести к тому, что волна будет проявлять одинаковые свойства по отношению к любой из этих плоскостей. Именно это и наблюдается на опыте.

Для простоты анализа некоторых процессов проявления света, естественный свет можно рассматривать как некоторую результирующую от всех цугов поперечную волну, которую можно считать монохроматической, у которой направление вектора в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, быстро и беспорядочно сменяют друг друга [дополнительная литература 2, 3]

Свет, в котором ориентации колебаний вектора в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, упорядочены каким либо образом, называется поляризованным.

Если вектор лежит все время в одной плоскости, в которой также лежит нормаль к фронту волны, то свет называется плоскополяризованным или линейно поляризованным.

Плоскость, в которой колеблется вектор — плоскость колебаний.

Плоскость, в которой колеблется вектор — плоскость поляризации.

Если вектор световой волны изменяется так, что конец его описывает эллипс, свет называется эллиптически поляризованным.

Похожие статьи:

poznayka.org

Явление – поляризация – Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3

Явление – поляризация

Cтраница 3

Явление поляризации может быть рассмотрено, если приписать каждому малому объему диэлектрика некоторый индуцированный дипольный момент. Это справедливо, так как электрическим дипольным моментом может быть охарактеризовано электрическое состояние не только отдельной молекулы, но и некоторого макроскопического объема диэлектрика, состоящего из большого числа молекул.  [31]

Явления поляризации в катионах типа непостоянных газов представляют весьма важный общий принцип, который расширяет и обобщает правила Захариасена. Большая простота получения свинцовых и цинковых ортосиликатных стекол не может быть объяснена исключительно этими правилами, так как они непосредственно применимы только к ионам типа постоянных газов.  [32]

Явление поляризации объясняется тем, что движение электронов в металлической части элемента и ионов в растворе испытывает на своем пути определенные сопротивления. Часть этих сопротивлений связана с затруднениями, возникающими при прохождении электрона через кристаллическую решетку металла или ионов через раствор, называемыми омическими ( R), незначительно влияет на уменьшение коррозионного тока микро-пор, поскольку она обычно невелика.  [34]

Явления поляризации в слабощелочных солевых растворах при рН7 аналогичны поляризации двуокисномарганцевого электрода в щелочном растворе, содержащем едкое кали, и будут рассмотрены в следующем разделе.  [35]

Явление поляризации света было открыто Гюйгенсом ( 1690) при пропускании обыкновенного света через кристалл исландского шпата.  [36]

Явление поляризации света имеет место и при отражении или преломлении света на границе двух диэлектриков. Для полной или частичной поляризации естественного луча необходима анизотропия условий распространения. В двояко-преломляющих кристаллах эта анизотропия имеется во всей толще кристалла. При отражении и преломлении света на границе двух сред, даже если обе среды оптически изотропны, наличие вполне определенного положения плоскости падения луча само по себе создает анизотропию условий распространения. Иными словами, условия отражения и преломления лучей, поляризованных в плоскости падения и перпендикулярно к последней, различны, а отраженный и преломленный лучи всегда в той или иной степени поляризованы.  [37]

Явление поляризации света доказывает волновую природу света и поперечность световых волн.  [38]

Явление поляризации света было открыто Гюйгенсом ( 1690) при пропускании обыкновенного света через кристалл исландского шпата.  [39]

Явление поляризации света, т.е. выделение световых волн с определенной ориентацией электрического ( и магнитного) вектора, имеет место и при отражении или преломлении света на границе двух изотропных диэлектриков. Этот способ поляризации был открыт Ма-люсом, который случайно заметил, что при поворачивании кристалла вокруг луча, отраженного от стекла, интенсивность света периодически возрастает и уменьшается, т.е. отражение от стекла действует на свет подобно прохождению через турмалин.  [40]

Явление поляризации света обнаруживается, если поместить между предметами и глазом поляризатор – вещество, которое поляризует проходящий сквозь него свет. Таким свойством обладают некоторые минералы ( турмалин), искусственные кристаллы ( герапатит), а также вещества, обладающие свойствами коллоидов. Последние и применяются в настоящее время для изготовления поляризационных фотографических фильтров, которые представляют собой тонкий слой поляризатора, заключенный между двумя плоскопараллельными стеклами.  [41]

Явление поляризации света служит убедительным экспериментальным подтверждением поперечности световых ( электромагнитных) волн, поскольку поляризоваться могут только поперечные ( а не продольные) волны.  [42]

Явление поляризации ионов обусловливает отклонение от чисто ионной связи и является одной из причин того, что в большинстве соединений связь носит смешанный и – ионно-ковалент-ный характер.  [43]

Явление поляризации света служит убедительным экспериментальным подтверждением поперечности световых ( электромагнитных) волн, поскольку поляризоваться могут только поперечные ( а не продольные) волны.  [44]

Явление поляризации света имеет место и при отражении или преломлении света на границе двух диэлектриков. Для полной или частичной поляризации естественного луча необходима анизотропия условий распространения. В двояко-преломляющих кристаллах эта анизотропия имеется во всей толще кристалла. При отражении и преломлении света на границе двух сред, даже если обе среды оптически изотропны, наличие вполне определенного положения плоскости падения луча само по себе создает анизотропию условий распространения. Иными словами, условия отражения и преломления лучей, поляризованных в плоскости падения и перпендикулярно к последней, различны, а отраженный и преломленный лучи всегда в той или иной степени поляризованы.  [45]

Страницы:      1    2    3    4

www.ngpedia.ru

Применение поляризации света

Применения поляризации света в практических нуждах достаточно разнообразны. Так, некоторые примеры применения разрабатывались очень много лет назад, но продолжают использоваться в настоящее время. Другие примеры применений только находятся на стадии внедрения

Рисунок 1. Применение поляризации света. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В методическом смысле всем им присуще одно общее свойство – либо они способствуют решению конкретных задач в физике, либо вовсе недоступны в отношении других методов или позволяют решать их нестандартным, но при этом более оперативным и эффективным способом.

Явление поляризации света

С целью более детального знакомства с применением поляризации света, следует понимать суть самого явления поляризации.

Определение 1

Явление поляризации света является оптическим феноменом, нашедшим свое применение в техническом смысле, однако при этом не встречающимся в рамках повседневной жизни. Поляризованный свет нас в буквальном смысле окружает, однако для человеческого глаза сама поляризация остается практически недоступной. Мы, таким образом страдаем «поляризационной слепотой».

Создаваемый солнцем (или каким-либо иным обычным источником, например, лампой) естественный свет является совокупностью волн, которые излучаются за счет огромного числа атомов.

Поляризованной волной будет считаться поперечная волна, где колебания всех частиц выполняется в пределах в одной плоскости. Ее при этом можно получить, благодаря резиновому шнуру, в том случае, если поставить на его пути специальную преграду с тонкой щелью. Щель, в свою очередь, будет пропускать исключительно колебания, происходящие вдоль нее. Плоскополяризованная волна излучается отдельным атомом.

Примеры поляризации света и закон Умова

В природе существует множество разнообразных примеров поляризации света. При этом можно рассмотреть наиболее распространенные из них:

• Самым простым и широко известным примером поляризации является чистое небо, которое считается ее источником.
• Другими широко распространёнными случаями можно считать блики на стеклянных витринах и водной поверхности. При необходимости они устраняются за счет соответствующих поляроидных фильтров, которыми зачастую пользуются фотографы. Данные фильтры становятся незаменимыми в случае необходимости запечатления на фотоснимках каких-либо защищённых стеклом картин либо экспонатов из музея.

Принцип действия вышеуказанных фильтров базируется на том факте, что совершенно любому отраженному свету (в зависимости от угла падения) присуща определенная степень поляризации. При взгляде на блик, таким образом, легко можно подобрать оптимальный угол расположения фильтра, при котором он подавляется, вплоть до своего полного исчезновения.

Аналогичный принцип задействуют производители качественных очков с солнцезащитным фильтром. За счет задействования в их стекле поляроидных фильтров, убираются те блики, которые мешают. Они, в свою очередь, исходят от поверхностей мокрого шоссе или моря.

Замечание 1

Эффективное применение явления поляризации демонстрирует закон Умова: любой рассеянный свет с неба – это солнечные лучи, ранее претерпевшие множественные отражения от молекул воздуха, и неоднократно при этом преломившиеся в каплях воды или кристаллах льда. Наряду с тем, процесс поляризации будет характерным не только в отношении направленного отражения (от воды, например), но и для диффузного.

В 1905 году физики представили доказательство версии о том, что, чем темнее поверхность отражения световой волны, тем более высокой оказывается степень поляризации, и именно эту зависимость удалось доказать в законе Умова. Если рассматривать данную зависимость на конкретном примере с асфальтовым шоссе, выходит, что во влажном состоянии оно становится более поляризованным в сравнении с сухим.

Применение поляризации света в истории и в повседневной жизни

Поляризация света, таким образом, оказывается непростым явлением для изучения, а важным в плане широкого практического применения в физике. На практике в повседневной жизни встречаются следующие примеры:

1. Ярким примером, знакомым всем, является 3D-кинематограф.
2. Еще одним распространенным примером являются поляризационные очки, скрывающие солнечные блики от воды и света фар на трассе.
3. Так называемые поляризационные фильтры задействованы в фототехнике, а поляризация волн применяется с целью передачи сигналов между антеннами разных космических аппаратов.
4. Одной из главнейших повседневных задач светотехники считается постепенное изменение и регулирование интенсивности световых потоков. Решение данной задачи за счет пары поляризаторов (поляроидов) обладает определенными преимуществами перед остальными методами регулирования. Поляроиды могут изготавливаться в формате больших размеров, что предполагает употребление таких пар не только в лабораторных установках, но и в иллюминаторах пароходов, окнах ж/д вагонов и пр.
5. Еще одним примером является поляризационная блокировка, применяемая в световом оборудовании рабочего места операторов, которые обязаны видеть одновременно, например, экран осциллографа и определенные таблицы, карты или графики.
6. Поляроиды могут оказаться полезными для тех, чья работа связана с водой (моряки, рыбаки), с целью гашения зеркально отражающихся от воды бликов, частично поляризованных.

Рисунок 2. Применение поляризационных устройств. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Замечание 2

Гашение отраженного света в условиях нормального или близкого к нормальному падения может осуществляться за счет циркулярных поляризаторов. Ранее наука доказала, что в этом случае право циркулярный свет преобразуется в лево циркулярный (и обратно). Тот же самый поляризатор, таким образом, создающий циркулярную поляризацию падающего света, будет провоцировать гашение отраженного света.

В астрофизике, спектроскопии, светотехнике свое широкое применение находят так называемые поляризационные фильтры, позволяющие вычленять узкие полосы из исследуемого спектра и провоцирующие изменения насыщенности или цветовых оттенков.

Действие таких фильтров основывается на свойствах основных параметров фазовых пластинок (дихроизм поляроидов) и поляризаторов, находящихся в непосредственной зависимости от длины волны. По этой причине разнообразные комбинации подобных устройств могут применяться в целях изменений спектрального энергораспределения в световых потоках.

Пример 1

Так, например, пара хроматических поляроидов, которым присущ дихроизм исключительно в пределах видимой сферы, в скрещенном положении начнет пропускать красный свет, а в параллельном – только белый. Такое простейшее устройство будет эффективным в практическом применении при освещении фотолабораторий.

Таким образом, сфера применения поляризации света является достаточно разнообразной. По этой причине исследование явления поляризации приобретает свою особенную актуальность.

spravochnick.ru

Изучение основных явлений поляризации света

Цель работы: получение и исследование поляризованного света; исследование свойств обыкновенного и необыкновенного лучей, полученных с помощью двоякопреломляющего кристалла.

Приборы и принадлежности: источник света, поляроиды, объектив, экран, двоякопреломляющий кристалл, слюдяная пластинка, модель балки.

Введение

1.1 Поляризация электромагнитных волн

Согласно волновой теории свет представляет собой поперечные электромагнитные волны, в которых векторы напряженности электрического и магнитногополей совершают колебания во взаимно перпендикулярных плоскостях. Абсолютные значения векторовив бегущей световой волне описываются периодическими функциями времени и координат и изменяются синфазно.

Вектор скорости распространения света , вектораиобразуют так называемую правую тройку векторов, то есть, если поворачивать векторк векторуи это направление связать с направлением вращения головки правого буравчика, то поступательный ход буравчика укажет направление вектора(рис. 1). Оставаясь всегда перпендикулярными друг другу, вектораимогут иметь любую ориентацию в плоскости, перпендикулярной вектору . Такой свет называется естественным или неполяризованным (рис. 2а). Свет, в котором вектора,иобразуют единственную взаимно перпендикулярную тройку векторов (рис. 2б), называется плоскополяризованным или линейно поляризованным (на рис. 2а и 2б вектор скорости света направлен перпендикулярно плоскости чертежа и поэтому он не изображен). При сложении естественного и плоско поляризованного света, колебания одного направления векторапреобладают над колебаниями других направлений, то такой свет называется частично поляризованным.

Обычные источники света являются совокупностью огромного числа быстро (за 10^7  10^8 с) высвечивающихся элементарных источников (атомов или молекул), испускающих свет независимо друг от друга, с разными фазами и с разными ориентациями векторов и. Поэтому ориентация этих векторов в результирующей волне хаотически изменяется по времени, то есть такой свет является неполяризованным. Для получении и наблюдения поляризованного света необходимо использовать специальные оптические приборы, поляризующие свет и определяющие степень его поляризации (глаз человека не может отличить поляризованный свет от неполяризованного). Системы, с помощью которых световые волны становятся поляризованными, называются поляризаторами, а системы, используемые для обнаружения и исследования поляризованного света, называются анализаторами. Существует несколько способов получения поляризованного света.

1.2 Методы получения поляризованного света

Выделение направления световой волны, колеблющейся вдоль некоторого выбранного направления, например, вдоль оси Y, осуществляется с помощью поляризаторов, принцип действия которых основывается на различных физических эффектах. Наиболее распространены поляроидные плёнки, в которых свет с определенным направлением плоскости колебаний вектора проходит через пленку практически без поглощения, тогда как компонента светового поля, колеблющаяся в перпендикулярной плоскости, поглощается полностью. Это явление носит название дихроизм. В результате свет, прошедший через поляризатор, становится линейно поляризованным, а плоскость, в направлении которой колеблется вектор, определяет оптическую плоскость поляризатора. Явление дихроизма используется в так называемых поляроидных поляризаторах или поляроидах. Помимо этого для получения поляризованного света могут быть использованы и другие эффекты:

• Поляризация при отражении света от поверхности диэлектрика. В результате отраженный луч будет частично поляризован, а при определенном угле падения, называемом углом Брюстера, – линейно поляризованным со световой плоскостью, перпендикулярной плоскости падения света. Подобные поляризаторы, называемые «окнами Брюстера», используются в газовых лазерах. Преломленный луч света также будет частично поляризованным, но с малой степенью поляризации. Для увеличения степени поляризации луч света пропускают через стопу пластин, направляя его под углом Брюстера к плоскости пластин [1 – 3].

• Двойное лучепреломление. Оптическая анизотропия

При прохождении света через одноосные оптические кристаллы наблюдается эффект раздвоения луча на два линейно поляризованных пучка с взаимно перпендикулярной ориентацией световых плоскостей. Это явление носит название двойного лучепреломления. При наблюдении через такой кристалл какого-либо предмета мы получаем два смещенных друг относительно друга его изображения. Такое явление наблюдается в кристалле исландского шпата. Если направить по нормали на плоскопараллельную пластину, выполненную из одноосного кристалла, естественный луч света, то один из лучей будет распространяться в том же направлении (рис. 3) в соответствии с законами преломления света. В силу этого он называется обыкновенным лучом и на рисунке обозначается буквой «о». Световая плоскость полученного линейно поляризованного обыкновенного луча перпендикулярна плоскости, образованной направлением падения луча и оптической осью ОО кристалла.

Второй луч, называемый необыкновенным «е», отклоняется от нормали в нарушение законов преломления. Его световая плоскость совпадает с плоскостью чертежа (рис. 3). В результате два луча (обыкновенный и необыкновенный) оказываются линейно поляризованными с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации.

Рис. 3

На рисунке 3 точками и стрелками обозначены направления колебаний вектора в обыкновенном и необыкновенном лучах (на пластину падает неполяризованный свет). Данный эффект может наблюдаться с помощью анализатора, вращаемого вокруг своей оси.

• Интерференция поляризованных лучей, Если поместить между двумя поляризаторами пластинку из одноосного кристалла с оптической осью, параллельной плоскости кристалла, то на пластинку будет падать плоскополяризованный свет, а из пластинки в общем случае выходит эллиптически поляризованный свет. При выходе из второго поляризатора (называемого анализатором) свет снова будет плоскополяризованным. Его интенсивность зависит от взаимной ориентации световых плоскостей поляризатора, анализатора и оптической оси пластинки, а также от разности фаз приобретаемым обыкновенным и необыкновенным лучами при прохождении через пластинку.

, (1)

где n_c – n_o – разность коэффициентов преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, зависящая от длинны волны света λ₀ в вакууме,

h – толщина пластинки.

Из сказанного выше следует, что при вращении световой плоскости анализатора вокруг оптической оси. Если за анализатором установить экран, то при этом его окраска будет изменяться.

Если между поляризатором и анализатором одноосная пластина различной толщины, то на экране различные участки будут окрашены в различные цвета. При вращении анализатора эти цвета будут меняться.

studfiles.net