ЯВЛЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА
- Авторы
- Руководители
- Файлы работы
- Наградные документы
Макеев И.И. 1Пахоруков Д.И. 1Бурмасов Д.Е. 1
1МБОУ “Лицей города Юрги”
Вагапова С.А. 1
1МБОУ “Лицей города Юрги”
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке “Файлы работы” в формате PDF
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.
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: 
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
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 cos
Глава 2. Поляризованный свет
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
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.
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
Голубев А. В мире поляризованного света//Наука и жизнь.– 2008.–№5.–http://www.nkj.ru/archive/articles/13930/
Митрофанов А. Поляризация света. Простейшие опыты //Квант. — 1999. — № 4. —http://www.physbook.ru/index.php/Kvant
Стороженко В. Пленка поляризационная. Где ее применяют? – http://fb.ru/article/209439/plenka-polyarizatsionnaya-gde-ee-primenyayut
Транковский.
С.. Цветной мир прозрачных вещей//Наука и жизнь.–1999.–№7 http://www.nkj.ru/archive/articles/9523/
http://fb.ru/article/209439/plenka-polyarizatsionnaya-gde-ee-primenyayut
http://www.nkj.ru/archive/articles/13930/
Приложение
|
Фото 1. |
|
Фото 2. |
|
Фото 3. Фото 4. |
|
Фото 5. |
|
Фото 6. |
Просмотров работы: 10297
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 φi (рис.10). Тогда составляющая , прошедшая через поляризатор, имеет амплитуду:. Так как в пучке естественного света все значения φi равновероятны, а интенсивность I ~ Е2, то доля интенсивности, прошедшей через поляризатор будет равна доле не прошедшей, т. е.
I
= Σ · I0,i · cos2φi = 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)
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 αБ,
удовлетворяющему условию:
, (22)
отражённый луч оказывается полностью поляризованным, а преломлённый достигает максимума поляризации (рис.12б). Это закон Брюстера (n1,2 – 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) сnо >
nбальзама > nе (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.
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.ruТак, 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.
Поляризация
Поляризация Поляризация — явление, свойственное поперечным волнам. Продольные волны
Например, звук не может быть поляризован. Свет и другие электромагнитные волны
поперечные волны, состоящие из взаимно перпендикулярных флуктуирующих электрических и
магнитные поля. На диаграмме ниже электромагнитная волна распространяется в
х, электрическое поле колеблется в плоскости ху, а магнитное
поле колеблется в плоскости xz. Линия описывает вектор электрического поля как
волна распространяется.
Неполяризованная электромагнитная волна, распространяющаяся в направлении x, представляет собой суперпозиция многих волн. Для каждой из этих волн вектор электрического поля перпендикулярна оси x, но составляет угол с осью y разные для разных волн. Для неполяризованного света, путешествующего в x-направление E y и E z случайным образом меняются во времени это намного короче, чем нужно для наблюдения.
Неполяризованный свет: естественный свет, как правило, неполяризован.
Для линейно поляризованной электромагнитной волны, распространяющейся в в направлении x угол, который электрическое поле образует с осью y, уникален.
Идеальный поляризатор — это материал, который пропускает только электромагнитные волны, для которых электрическая
вектор поля параллелен его оси передачи. Электрическое поле представляет собой
вектор и может быть записан через параллельные и перпендикулярные компоненты
к оси передачи поляризатора.
E = E параллельно + E перпендикулярно .
Идеальный поляризатор проходит E параллельно и поглощает E перпендикулярно .
Если E 0 инцидент вектор поля и угол между E 0 и передачей ось равна θ, тогда величина передаваемого поля вектор E 0 cosθ и его направление направление оси передачи. Интенсивность I электромагнитной волны пропорциональна квадрату величины вектора электрического поля. Мы поэтому
I передали = I 0 cos 2 θ.
Это называется законом Малюса . Если θ = 90 o , передаваемая интенсивность равна нулю.
Линии указывают направление оси передачи.
При неполяризованном
свет проходит через поляризатор, интенсивность уменьшается в 1/2 раза.
Среднее значение cos 2 θ, среднее по всем углам θ равно ½.
I переданный = I 0
Проблема:
Пучок неполяризованного света интенсивностью I 0 проходит
через серию идеальных поляризационных фильтров с их пропусканием
ось повернута на разные углы, как показано на рисунке.
(a) Какова сила света (в пересчете на I 0 ) в
области А, В и С?
(б) Если мы удалим средний фильтр, какова будет интенсивность света при
точка С?
Решение:
- Обоснование:
Когда неполяризованный свет проходит через поляризатор, интенсивность уменьшается в ½ раза. Проходящий свет поляризован вдоль оси поляризатора.
При поляризованном свете интенсивностью I 0 происходит на поляризатор, прошедшая интенсивность определяется выражением I = I 0 cos 2 θ, где θ — угол между направлением поляризации падающего свет и ось фильтра. Проходящий свет поляризован вдоль оси поляризатора.
- Детали расчета:
В этой задаче у нас есть 3 поляризационных фильтра. Для второго поляризатора θ = 30 o между поляризацией направление света, падающего на фильтр, и ось фильтра. Для третий поляризатор θ = 90 o – 30 o = 60 o между направлением поляризации света, падающего на фильтр, и оси фильтра.
Тогда мы имеем следующее:
(а) В области А интенсивность равна I 0 /2, а свет равен поляризованы в вертикальном направлении.
В регионе B интенсивность равна (I 0 /2)cos 2 30 o , = 0,375 I 0 , а свет поляризован вдоль оси второй поляризатор.
в области C интенсивность равна (0,375 I 0 )cos 2 60 o = 0,0938 I 0 и свет имеет горизонтальную поляризацию.
(b) Если мы удалим средний фильтр, то для последнего фильтра у нас теперь будет что θ = 90 o . Таким образом, I = 0,
Важно визуализировать тот факт, что добавление среднего фильтра увеличивает передаваемая интенсивность!
Этот “парадоксальный” эффект признаки волновых явлений в целом.
Существуют различные механизмы поляризации. Самый распространенный способ получения поляризованного света заключается в использовании поляроидного материала, сделанного из цепочек органические молекулы, имеющие анизотропную форму. Пропускаемый свет линейно поляризованы перпендикулярно направлению цепей. ось передачи перпендикулярна цепям.
Поляризатор излучает линейно поляризованный свет. Часто это удобно ориентировать ось пропускания поляризатора вертикально или горизонтально, чтобы производят свет с вертикальной или горизонтальной линейной поляризацией.
Вертикальная и горизонтальная поляризация
Поляризация отражением:
Когда на границу падает неполяризованный свет
между двумя диэлектрическими поверхностями, например на границе воздух-вода, то
отраженная и прошедшая компоненты частично поляризованы.
отраженная волна на 100% линейно поляризована, когда угол падения равен
угол, называемый Угол Брюстера .
Для воды этот угол составляет ~53 o по отношению к
нормаль или 37 o по отношению к поверхности воды.
Для являются
значительном угловом диапазоне вокруг угла Брюстера отраженный свет
сильно поляризованы в горизонтальном направлении.
Когда
солнце находится под низким углом в небе, солнечный свет отражается от поверхности
вода почти на 100 % горизонтально поляризована, потому что угол падения
близко к углу Брюстера.
Уменьшение бликов
солнцезащитные очки покрыты поляризатором с вертикальной осью пропускания и
поэтому заблокируйте отраженный свет.
Ссылка:
Поляризация света (Youtube)
Ссылка на сайт:
Поляризация и отражение (Youtube)
Демонстрации
Способ прохождения света через некоторые материалы зависит от его поляризации.
Определенные двулучепреломляющие кристаллические вещества сгибать свет через корыто
угол, который зависит от состояния падающей поляризации.
У них есть оптика
ось. Неполяризованный свет, падающий на двулучепреломляющий кристалл не вдоль
оптическая ось кристалла расщепляется на лучи, искривленные разными
суммы.
Двойное лучепреломление в кристалле кальцита. Вертикальные линии изображаются дважды.
Поляризация света, создающего одно изображение, перпендикулярна
поляризация света, создающая другое изображение.
Некоторые материалы становятся двулучепреломляющими при нагрузке. Поставив прозрачный материалы между двумя поляризаторами, мы можем выполнить анализов напряжения .
Оптически активные или круговые двулучепреломляющие материалы изменяют направление поляризации
линейно поляризованный свет. Количество оборотов зависит от
длина волны света. Молекулы сахара обладают хиральностью.
и в растворе оптически активны. Если мы поляризуем белый свет и
пропустите его через сахарный сироп, направление поляризации света
выход из сиропа будет отличаться для другого цвета
составные части.
Если затем свет проходит через второй поляризатор, его
цвет меняется в зависимости от ориентации оси передачи этого
поляризатор.
Сахарный сироп между скрещенными поляризаторами
с различной взаимной ориентацией
Поляризация света — определение, типы, методы и применение
Если бы вам пришлось выйти из дома в жаркий солнечный день, вы, несомненно, надели бы солнцезащитные очки. Если вы смотрите 3D-фильм, вам также понадобятся 3D-очки. Поляризация оказывает значительное влияние в обоих случаях. В этой статье вы узнаете о двух типах волн: поперечных волнах и продольных волнах. Вы также узнаете о поляризации и плоскополяризованном свете. Давайте подробнее рассмотрим поляризацию и исследуем ее подробнее.
Поляризация
Согласно физике, поляризация — это явление, вызванное волновой природой электромагнитного излучения. Солнечный свет является примером электромагнитной волны, поскольку он проходит через вакуум, чтобы достичь Земли.
Поскольку электрическое поле взаимодействует с магнитным полем, эти волны известны как электромагнитные волны.
Поляризация — это процесс преобразования неполяризованного света в поляризованный. Свет, в котором частицы вибрируют во всех различных плоскостях, известен как неполяризованный свет.
В этом явлении участвуют два типа волн. Это:
- Поперечные волны: Волны, в которых движение частиц перпендикулярно направлению движения волны. Например, когда вы бросаете камень, он создает рябь на воде и звуковые волны, распространяющиеся по воздуху.
- Продольные волны: Возникает, когда частицы среды движутся в том же направлении, что и волны.
Комбинация электрических и магнитных сил, распространяющихся в пространстве, известна как свет. Электрические и магнитные колебания световой волны перпендикулярны друг другу. Магнитное поле движется в одном направлении, а электрическое поле — в другом, но они всегда перпендикулярны.
Итак, у нас есть электрическое поле в одной плоскости, магнитное поле, перпендикулярное ей, и направление движения, перпендикулярное обеим. Электрические и магнитные колебания могут происходить в различных плоскостях.
Неполяризованный свет определяется как световая волна, которая колеблется более чем в одной плоскости. К неполяризованным источникам света относятся свет, излучаемый солнцем, лампа и трубка.
Поляризованная волна — это противоположный тип волны. Световые волны, которые колеблются в одной плоскости, известны как поляризованные волны. Плоскополяризованный свет состоит из волн с одинаковым направлением вибрации для всех из них.
Типы поляризации
Три типа поляризации, основанные на поперечном и продольном волновом движении, следующие:
- Линейная поляризация – Электрическое поле света ограничивается одной плоскостью вдоль направления распространения при линейной поляризации.
- Эллиптическая поляризация – Электрическое поле света распространяется по эллиптической траектории. Две линейные составляющие не имеют одинаковой амплитуды и разности фаз.
- Круговая поляризация – Электрическое поле света имеет две линейные составляющие, которые перпендикулярны друг другу и имеют одинаковые амплитуды, но разность фаз составляет π ⁄ 2. Возникающее электрическое поле будет распространяться круговым движением.
Две линейные составляющие не имеют одинаковой амплитуды и разности фаз.Методы, используемые при поляризации света
Существует несколько различных способов поляризации света:
Поляризация с помощью поляроидов
Мы можем видеть, что на диаграмме ниже существует плоскость вибрации, параллельная плоскости. Существует также плоскость вибрации, которая перпендикулярна плоскости. Первая картинка не поляризованная. Второе изображение поляризовано, то есть перпендикулярно или параллельно первому. Итак, давайте начнем с поляроидов, чтобы понять поляризацию.
Поляроиды — это поляризующие материалы, состоящие из молекул, ориентированных в определенном направлении.
Ось прохода есть на каждом Полароиде. Только ось прохода позволит проходить свету. На поляроиде могут существовать как горизонтальная, так и вертикальная оси прохода. Путь прохождения света через него определяется ими. Когда неполяризованный свет проходит через полароид, он становится поляризованным.
Поляризация рассеянием
Когда свет попадает на молекулу или атом, световая энергия поглощается и переизлучается в нескольких направлениях. Поляризация вызывает это рассеяние. Кроме того, излучаемый свет распространяется во многих направлениях.
Когда на частицу падает неполяризованный свет, мы получаем рассеянный свет. В результате, когда неполяризованный свет проходит через молекулу, свет поляризуется в направлении, перпендикулярном падающему лучу. В результате происходит поляризация света в этом направлении.
Вот как рассеяние света вызывает поляризацию. Рассеянный свет излучается в направлении, перпендикулярном падающему лучу.
Кроме того, рассеянный свет имеет полную поляризацию, а свет, проходящий через молекулы, имеет частичную поляризацию.
Поляризация за счет отражения и преломления
Падающий луч, отраженный луч и преломленный луч можно увидеть на диаграмме ниже. В падающем луче виден неполяризованный свет. Неполяризованный свет изображен на диаграмме выше. Точка обозначает перпендикулярные направления, а линии обозначают параллельные направления.
Большая часть света в отраженном луче поляризована параллельно плоскости, за некоторыми исключениями. Напротив, большая часть света в преломленном луче неполяризована, с одной или двумя поляризованными компонентами. В результате мы видим, что отраженный и преломленный лучи частично поляризованы.
Закон Брюстера
Закон гласит, что отраженный луч полностью поляризован под определенным углом падения. Угол между отраженным и преломленным лучами также равен 90°. Суммарный угол = 90°, если i = i B , то есть когда угол падения равен углу Брюстера .
в соответствии с законом Снелла,
μ = sin i ⁄ sin r
, когда свет приходит под углом Брюстера, затем
I B + R = 90 °
R = 90 ° ° i B
sin r = sin (90° − i B ) = cos i B
Подставьте значение sin r в формулу µ.
μ = SIN I B ⁄ COS I B
μ = TAN I B
Применение поляризации
Следующие примеры.
9999999999999. , поляризационные методы используются для определения хиральности органических молекул.
Примеры вопросов
Вопрос 1: Луч света падает на поверхность стеклянной пластины с показателем преломления √3 под углом поляризации. Каким будет угол преломления луча?
Ответ:
Рассмотрим I P . r = 90° – i P
= 90° – 60° = 30°
Следовательно, угол преломления равен 30° .
Вопрос 2: Изменяется ли величина вектора электрического поля в случае линейно поляризованного света?
Ответ:
Величина вектора электрического поля регулярно колеблется со временем в любой форме света, поляризованного или неполяризованного.
Вопрос 3: Почему световые волны обладают поляризацией, а звуковые волны не имеют поляризации ?
Ответ:
Поляризацию можно увидеть только в поперечных волнах.
Звуковые волны не могут быть поляризованы, потому что световые волны — это поперечные волны, а звуковые волны — продольные волны.Вопрос 4: В каком направлении колеблются электрические векторы в поляризованной волне?
Ответ:
Когда световая волна поляризована, полароид поглощает электрические векторы вдоль направления распространения. В результате электрические векторы колеблются в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны. Ось прохода – это имя для этого направления.
Вопрос 5: Опишите окно, через которое весь падающий свет проходит без отражения.
Ответ:
Окно Брюстера является практическим применением закона Брюстера. Когда свет падает на чистую стеклянную пластину, большая часть падающего света проходит (>> 92 процента), а отражается лишь небольшой процент.
Оптические явления: поляризация | SparkNotes
Линейная поляризация и естественный свет
Свет, как мы уже говорили, представляет собой поперечную электромагнитную волну.
Однако до этого момента мы
рассматривали только свет, для которого вектор электрического (и магнитного) поля колеблется в одном фиксированном
самолет. Такой свет называется линейно поляризованным или плоскополяризованным. Другими словами, хотя
электрическое поле колеблется по величине и знаку, его ориентация постоянна. Фиксированная плоскость вибрации
содержит оба E и , направление распространения. Однако естественный свет
генерируется большим количеством случайно ориентированных атомных осцилляторов. Свет, излучаемый этими
осцилляторы на мгновение объединятся, чтобы сформировать линейно поляризованную волну, но это будет сохраняться в течение длительного времени.
более 10 -8 секунд, прежде чем различные атомные осцилляторы излучают новые случайно поляризованные волны
вызывая различную поляризацию результирующей волны. В результате поляризация естественного света
колеблется слишком быстро, чтобы его можно было обнаружить. Эта ситуация называется случайная поляризация.
При максимальном освещении
поляризация не является ни полностью случайной, ни полностью линейной — она известна как частично поляризованная.
легкий.
Рассмотрим две плоские поляризованные волны, распространяющиеся в направлении 90 451 z 90 452, одна из которых колеблется в направлении 90 451 x 90 452 . и один в направлении и :
| E x ( z , t ) | = E 0452 0x cos( kz – σt ) | ||
| E y ( z , t ) | = E 0y cos( kz – σt + ε ) |
В этом случае E y отстает E x на ε > 0.
Для ε = 0,±2 Π ,±4 Π и т. д.
результирующая волна (по суперпозиции):
| E [ E 0x + E 0y ]cos( kz – 42σt 90 |
Как показано на рисунке, эта волна имеет постоянную амплитуду, но наклонена под углом θ = tan -1 по отношению к оси x . Волна по-прежнему линейна поляризованный. Если Е 0x = E 0y поляризован на 45 o к исходным волнам. Если ε является нечетное целое число, кратное Π , тогда волна по-прежнему линейно поляризована, но теперь имеет амплитуду E 0x – E 0y что соответствует повороту 2 θ .
Рисунок %: Линейно поляризованная волна от 45 o до E x и E y .
Также возможно, что свет имеет то, что называется круговой поляризацией. Это происходит, когда E 0x = E 0y = E 0 (в случае, когда амплитуды не равны, поляризация эллиптическая) и разность фаз между составляющими волнами ε = – Π /2±2 Πm для м любая целое число. В результате получается уравнение для волны:
| Е = E 0 [cos( kz – σt ) + cos( kz – σt )] |
Амплитуда волны теперь постоянна, но направление E меняется во времени. Фактически,
вектор электрического поля вращается по часовой стрелке с угловой частотой σ (как видно наблюдателю в направлении
которого движется волна). Это называется правополяризованным светом.
Свет с левой круговой поляризацией имеет
вектор электрического поля, который вращается против часовой стрелки и соответствует разности фаз ε = Π /2±2 Πm .
Поляризующие вещества
Устройство, которое создает поляризованный свет, когда на него падает естественный свет, называется поляризатором.
Поляризаторы работают по одному из четырех методов: избирательное поглощение, отражение, рассеяние,
или двулучепреломление. Для линейного поляризатора только свет с поляризацией, параллельной
конкретная ось будет передана; эта ось называется трансмиссионной осью. Вращение поляризатора, когда
падающий естественный свет не повлияет на освещенность на дальней стороне поляризатора, потому что
случайной поляризации света. Однако, если второй такой же поляризатор поместить позади
первой и повернутой относительно первой, освещенность будет меняться. Это связано с тем, что свет, проходящий через
первый поляризатор будет плоскополяризованным. В качестве оси передачи второго поляризатора или
Анализатор вращается, только компонента плоскополяризованного света, параллельная этой оси, будет
передано.
Когда угол между двумя поляризаторами достигает 90 o плоскость поляризованная
свет не имеет компонентов, параллельных оси передачи анализатора. Для углов между
освещенность прошедшего света определяется законом Малюса:
| I = I 0 cos 2 θ |
где I 0 — максимальная освещенность.
Простейший поляризатор называется поляризатором с проволочной сеткой и состоит просто из ряда близко расположенных
параллельные провода. Рисунок %: Поляризатор с проволочной сеткой. Электрическое поле, параллельное проводам, заставляет электроны в проводах колебаться вперед и назад по
Текущий. Эта энергия рассеивается за счет джоулевого нагрева, и параллельная составляющая поля эффективно рассеивается.
впитывается. Таким образом передается только составляющая поля, перпендикулярная проводам. Явно для света
расстояние между проводами должно быть очень маленьким (микроволны могут быть поляризованы электрическими проводами). Более
практичными являются дихроичные кристаллы, которые по своей природе поглощают определенные поляризации света из-за их
кристаллические структуры. Природный минерал турмалин ( NAFE 3 B 3 AL 6 SI 6 O 27 ( OH ) 27 ( OH ) 6) 6) 6) 6) 6) 6) 27 ( OH ) 27 ( OH ) 27 ( OH ) 27 ( OH ) является одним из примеров. Самый известный поляризатор был изобретен Эдвардом Лэндом в Гарварде в 1928 году и известен
как Polaroid – в нем использовалось синтетическое вещество герапатит.
Родственное явление двойного лучепреломления возникает, когда вещество оптически анизотропно или не
имеют одинаковые оптические свойства во всех направлениях.
Чаще всего это проявляется в том, что свет
движется через вещество быстрее по одной оси, чем по другой. Таким образом, вещество имеет два
разные показатели преломления (преломление — старое слово для обозначения преломления). Это может возникнуть из-за
разница в том, насколько сильно электроны в атомах в кристаллической структуре связаны со своим ядром;
электроны вдоль одной оси могут быть связаны сильнее, что приводит к тому, что они имеют другую резонансную частоту
(см. обсуждение зависимости показателя преломления от частоты).
Поляризация за счет рассеяния и отражения
Рассеяние происходит, когда падающая световая волна заставляет диполь вибрировать в направлении
параллельно электрическому полю. Диполь не излучает в том направлении, в котором он колеблется. Рисунок %: Поляризация из-за рассеяния. Неполяризованный свет можно представить как сумму двух перпендикулярных линейно поляризованных волн. Этот
означает, что для неполяризованного падающего света излучаемый свет станет частично поляризованным в направлениях
перпендикулярно направлению распространения, как показано на рисунке.