описание явления, примеры, формулы и разновидности
На чтение 10 мин Просмотров 1.6к. Опубликовано Обновлено
Содержание
- Что такое поляризация света
- Кто открыл явление и что оно доказывает
- Откуда берется поляризация света и как ее получить самостоятельно
- Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков
- Поляризация света кристаллом
- Практическое применение поляризации света
Поляризованный свет отличается от стандартного своим распространением. Он был открыт достаточно давно и применяется как для физических опытов, так и в повседневной жизни для выполнения некоторых измерений. Разобраться в явлении поляризации несложно, это позволит понять принцип действия некоторых устройств и выяснить, почему при определенных условиях свет распространяется не так, как обычно.
Что такое поляризация света
Поляризация света доказывает, что свет это поперечная волна. То есть, речь идет о поляризации электромагнитных волн в целом, а свет – это одна из разновидностей, свойства которой подчиняются общим правилам.
Поляризацией называют свойство поперечных волн, вектор колебания которых всегда перпендикулярен направлению распространения света или чего-то еще. То есть, если выделить из света лучи с одинаковой поляризацией вектора, то это и будет явление поляризации.
Чаще всего мы видим вокруг себя неполяризованный свет, так как у него вектор напряженности двигается во всех возможных направлениях. Чтобы он стал поляризованным, его пропускают через анизотропную среду, она отсекает все колебания и оставляет только одно.
Сравнение обычного и поляризованного света.Кто открыл явление и что оно доказывает
Рассматриваемое понятие впервые в истории было использовано известным британским ученым И.
Ньютоном в 1706 году. Но объяснил его природу другой исследователь – Джеймс Максвелл. Тогда природа световых волн не была известна, но по мере накопления различных фактов и результатов различных экспериментов появлялось все больше доказательств поперечности электромагнитных волн.
Первым проводил эксперименты в этой области голландский исследователь Гюйгенс, это происходило в 1690 г. Он пропускал свет через пластину исландского шпата, в результате чего обнаружил поперечную анизотропию луча.
Первые доказательства поляризации света в физике были получены французским исследователем Э. Малюсом. Он использовал две пластины турмалина, и в итоге вывел закон, названный в его честь. Благодаря многочисленным экспериментом была доказана поперечность световых волн, что помогло объяснить их природу и особенности распространения.
Откуда берется поляризация света и как ее получить самостоятельно
Большая часть света, который мы видим, не поляризована.
Солнце, искусственное освещение – световой поток с вектором, колеблющимся в разных направлениях, распространяется во все стороны без каких-либо ограничений.
Поляризованный свет появляется после того, как он прошел через анизотропную среду, которая может иметь разные свойства. Эта среда убирает большую часть колебаний, оставляя единственное, что и обеспечивает нужный эффект.
Чаще всего в качестве поляризатора выступают кристаллы. Если раньше применялись в основном природные материалы (например, турмалин), то сейчас есть много вариантов искусственного происхождения.
Также поляризованный свет можно получить за счет отражения от любого диэлектрика. Суть заключается в том, что при попадании светового потока в место соединения двух сред он преломляется. Это несложно увидеть, поместив карандаш или трубочку в стакан с водой.
Этот принцип используется в поляризационных микроскопах.При явлении преломления света часть лучей поляризуется. Степень проявления этого эффекта зависит от расположения источника света и угла его падения относительно места преломления.
Что касается способов получения поляризованного света, то независимо от условий используется один из трех вариантов:
- Призма Николя. Названа в честь шотландского исследователя Николя Уильяма, который изобрел ее в 1828 году. Он проводил эксперименты длительное время и через 11 лет смог получить готовый прибор, который в неизменном виде применяется до сих пор.
- Отражение от диэлектрика. Тут очень важно подобрать оптимальный угол падения и учитывать степень преломления (чем больше разница в светопропускаемости двух сред, тем сильнее преломляются лучи).
- Использование анизотропной среды. Чаще всего для этого подбирают кристаллы с подходящими свойствами. Если направить на них световой поток, на выходе можно наблюдать его параллельное разделение.
Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков
Данное оптическое явление было открыто физиком из Шотландии Дэвидом Брюстером в 1815 году.
Выведенный им закон показал взаимосвязь показателей у двух диэлектриков при определенном угле падения света. Если подобрать условия, то отраженные от границы стыка двух сред лучи будут поляризованными в перпендикулярной углу падения плоскости.
Исследователь отметил, что преломленный луч частично поляризуется и в плоскости падения. При этом отражается не весь свет, часть его уходит в преломленный луч. Углом Брюстера называют такой угол, при котором отраженный свет полностью поляризуется. При этом отраженный и преломленный лучи перпендикулярны относительно друг друга.
Чтобы понять причину этого явления, надо знать следующее:
- В любой электромагнитной волне колебания электрического поля всегда перпендикулярны направлению ее движения.
- Процесс делится на две стадии. В первой падающая волна вызывает волнение молекул диэлектрика, во второй появляются преломленные и отраженные волны.
Если использовать в эксперименте одну пластику кварца или другого подходящего минерала, интенсивность плоскополяризованного света будет маленькой (порядка 4% от общей интенсивности).
Поляризация света кристаллом
Обычные диэлектрики анизотропны и особенности света при попадании на них зависят главным образом от угла падения. Свойства кристаллов отличаются, при попадании на них света можно наблюдать эффект двойного преломления лучей. Это проявляется так: при прохождении через структуру образуется два преломленных луча, которые идут в разных направлениях, их скорости также различаются.
Чаще всего в экспериментах используют одноосные кристаллы. В них один из пучков преломления подчиняется стандартным законам и именуется обыкновенным. Второй образуется иначе, его называют необыкновенным, так как особенности его преломления не соответствуют обычным канонам.
Так выглядит двойное лучепреломление на схеме.Если вращать кристалл, то обыкновенный луч останется неизменным, а необыкновенный будет перемещаться по окружности. Чаще всего в экспериментах используют кальцит или исландский шпат, так как они хорошо подходят для исследований.
На основании экспериментов с кристаллами Этьен Луи Малюс сформулировал закон в 1810 году, который получил его имя. Он вывел четкую зависимость линейно-поляризованного света после его прохождения через поляризатор, сделанный на основе кристаллов. Интенсивность луча после прохождения кристалла уменьшается пропорционально квадрату косинуса угла, образованного между плоскостью поляризации входящего луча и фильтра.
Практическое применение поляризации света
Рассматриваемое явление используется в повседневной жизни намного чаще, чем кажется. Знание законов распространения электромагнитных волн помогло в создании различного оборудования.
Основные варианты таковы:
- Специальные поляризационные фильтры для фотоаппаратов позволяют избавиться от бликов при фотосъемке.
- Очки с таким эффектом часто используют водители, так как они убирают блики от фар встречного транспорта. В результате даже дальний свет не может ослепить водителя, что повышает безопасность.
- Оборудование, применяемое в геофизике позволяет изучить свойства облачных масс. Также с его помощью изучают особенности поляризации солнечного света при прохождении через облака.
- Специальные установки, фотографирующие космические туманности в поляризованном свете помогают изучать особенности возникающих там магнитных полей.
- В машиностроительной отрасли применяют так называемый фотоупругий метод. С его помощью можно четко определить параметры напряжения, возникающие в узлах и деталях.
- Оборудование используется при создании театральных декораций, а также в концертном оформлении.
- Приспособления, определяющие уровень сахара в крови человека. Работают за счет определения угла поворота плоскости поляризации.
- На многих предприятиях пищевой промышленности используют оборудование, способное определять концентрацию того или иного раствора. Также есть приспособления, способные за счет применения свойств поляризации контролировать содержание белков, сахаров и органических кислот.
- 3D-кинематография работает именно за счет использования рассматриваемого в статье явления.
Знание основных особенностей поляризации позволяет объяснить множество эффектов, которые встречаются вокруг. Также это явление широко используется в науке, технике, медицине, фотографии, кинематографе и многих других сферах.
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:
- Ярким примером, знакомым всем, является 3D-кинематограф.
- Еще одним распространенным примером являются поляризационные очки, скрывающие солнечные блики от воды и света фар на трассе.
- Так называемые поляризационные фильтры задействованы в фототехнике, а поляризация волн применяется с целью передачи сигналов между антеннами разных космических аппаратов.
- 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.
- 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.
- 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.
Поляризованные солнцезащитные очки: поляризация и наука о свете
Когда свет отражается от воды, асфальта или других неметаллических поверхностей, он поляризуется, то есть отраженный свет обычно вибрирует больше в одном направлении, чем в другом. Поляризационные солнцезащитные очки уменьшают это отражение, известное как блики, но только тогда, когда поляризующие линзы ориентированы правильно.
Тема:
Физика
Свет
Ключевые слова:
поляризованный свет
NGSS and EP&Cs:
PS
PS4
CCCs
Patterns
Cause and Effect
Scale, Proportion, and Quantity
Energy And Matter
Structure and Function
Tools and Materials
- Одна прозрачная лампочка с розеткой и шнуром
- Один кусок блестящего непрозрачного пластика, например, черная пластиковая тарелка для вечеринок.
- Один или два кусочка поляризационного материала (например, старые линзы от поляризующих солнцезащитных очков)
Сборка
Ни один не нужен.
Действия и уведомления
Поместите зажженную лампочку вертикально, а пластиковую тарелку на плоскую поверхность рядом (см. схему). Расположите лампочку и свой глаз так, чтобы вы могли видеть отражение лампочки в пластике.
Посмотрите на отражение через кусочек поляризатора. Вращайте поляризатор и меняйте угол, под которым вы смотрите на пластик, пока не получите самое тусклое отражение. Вы, вероятно, получите наилучшие результаты, когда угол между вашими глазами и куском пластика составляет около 35 градусов (щелкните, чтобы увеличить рисунок ниже). Поверните поляризатор 90 градусов, когда вы смотрите на отражение. Отражение должно стать заметно ярче.
Наблюдайте за отражениями в других местах вокруг вас. Поверните поляризатор и измените угол обзора, чтобы изменить яркость.
Попробуйте посмотреть на отражение от металлической поверхности, например от обычного зеркала. Не должно быть разницы в яркости изображения, отраженного в зеркале, при повороте поляризатора или изменении угла обзора.
В солнечный день посмотрите на небо через поляризационную линзу. Обратите внимание, что в некоторых местах яркость голубого неба меняется при вращении поляризатора. Это потому, что свет в небе поляризован.
Посмотрите через поляризатор на поверхность пруда в яркий солнечный день. Поверните поляризатор и обратите внимание, что при одной ориентации поляризатора поверхностные отражения значительно уменьшаются, и вы можете видеть под поверхностью воды. Поверните поляризатор на 90 градусов от этой ориентации, и отражения от поверхности перекроют вам взгляд на подводный мир. Вот почему люди носят солнцезащитные очки с поляризацией, когда идут на рыбалку.
Что происходит?
Лампочка излучает неполяризованный свет — каждый фотон вибрирует в своем собственном направлении.
Неметаллические поверхности, такие как черный пластик, склонны отражать свет, вибрирующий параллельно поверхности, и передавать или поглощать свет, вибрирующий во всех других направлениях. Если черный пластик расположен горизонтально, то он отражает свет, который вибрирует горизонтально, создавая горизонтально поляризованный свет. Горизонтальный черный пластик отражает меньше света, который вибрирует по вертикали.
Поляризатор пропускает свет, колеблющийся в одном направлении, и поглощает свет, колеблющийся во всех других направлениях. Когда черная поверхность расположена горизонтально, отражение выглядит самым тусклым, когда вы держите фильтр так, чтобы он пропускал только вертикально вибрирующий свет. Отражение выглядит наиболее ярким, когда вы держите фильтр так, чтобы он пропускал только горизонтально вибрирующий свет.
Горизонтальные поверхности в окружающей среде, такие как асфальт улицы или поверхность озера, отражают свет, который вибрирует горизонтально.
Поляризационные солнцезащитные очки поглощают эти горизонтально ориентированные блики. Если наклонить голову вбок, этот горизонтально ориентированный блик проходит сквозь очки, делая поверхность более яркой. (Нажмите, чтобы увеличить диаграмму ниже.)
Идем дальше
Свет становится полностью поляризованным параллельно поверхности под одним определенным углом отражения, называемым углом Брюстера . Угол Брюстера для воды равен 53 градусам; для стекла это 56 градусов; для пластика угол варьируется, но в целом будет где-то между этими двумя числами. Угол Брюстера традиционно измеряется от линии, перпендикулярной поверхности. Чтобы найти угол, измеренный непосредственно от поверхности, вы должны вычесть угол Брюстера из 9.0 градусов.
Похожие закуски
Мозаика с поляризованным светом
С поляризованным светом можно сделать витраж без стекла.
Напряжение костей
Поляризованный свет выявляет узоры напряжений в прозрачном пластике.
Вращающийся фонарь
Поляризованный свет, проходящий через сахарную воду, раскрывает красивые цвета.
Эта работа находится под лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.
Атрибуция: Педагогический институт Exploratorium
Поляризация | Определение и типы
- Развлечения и поп-культура
- География и путешествия
- Здоровье и медицина
- Образ жизни и социальные вопросы
- Литература
- Философия и религия
- Политика, право и правительство
- Наука
- Спорт и отдых
- Технология
- Изобразительное искусство
- Всемирная история
- В этот день в истории
- Викторины
- Подкасты
- Словарь
- Биографии
- Резюме
- Популярные вопросы
- Обзор за неделю
- Инфографика
- Демистификация
- Списки
- #WTFact
- Товарищи
- Галереи изображений
- Прожектор
- Форум
- Один хороший факт
- Развлечения и поп-культура
- География и путешествия
- Здоровье и медицина
- Образ жизни и социальные вопросы
- Литература
- Философия и религия
- Политика, право и правительство
- Наука
- Спорт и отдых
- Технология
- Изобразительное искусство
- Всемирная история
- Britannica Classics
Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica. - Demystified Videos
В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы. - #WTFact Videos
В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти. - На этот раз в истории
В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории. - Britannica объясняет
В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
- Студенческий портал
Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д. - Портал COVID-19
Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня. - 100 женщин
Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.
