Исследование поляризации света

Министерство образования Республики Беларусь

Отдел по образованию Новополоцкого горисполкома

Государственное учреждение образования

«Лицей г. Новополоцка»

Иcследование поляризации света

Учащийся 11 «А» класса

Шальский Артём Николаевич

Научный руководитель

Габрусёнок Светлана Владимировна

учитель физики первой категории

Новополоцк, 2020

С ОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..……………………….………………………………….…….…3

ГЛАВА 1.……………………………………………………………………... .4

1. Свет как электромагнитная волна……………………………….……..4

2. Видимый свет………………………………………………………………4

3. Поляризованный свет ……………………..….……………………….…4

4. Поляризация света в природе….…………………………..……………6

5. Поляризация света в быту и технике……………………….………….7

ГЛАВА 2.……………………………………………………….……………....9

2.1 Получение поляризованного света……………………….…….………9

2.2 Поляризация света при отражении …………………………………..10

2.3 Поляризация света при преломлении …………………….………….12

2.4 Поляризация света и механические напряжения…………………...12

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………...…………….…….…. 15

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………...….……. 16

ПРИЛОЖЕНИЯ……………………………………………………………..17

ВВЕДЕНИЕ

Повышенное внимание 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 света. В современной жизни человек всё чаще встречается с этим термином. Интерес к данному явлению обусловлен возможностями эффективного применения в ряде отраслей производственной деятельности. Все больше становится изобретений, основанных на поляризации света. Внедрение поляризационных материалов в нашу жизнь означает экономическую эффективность, простоту, удобство. Таким образом, предметом исследовательского интереса является поляризация света и её практическое применение.

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

Гипотеза: предполагается, что поляризация света достаточно распространенное явление, а на практике мы довольно часто сталкиваемся не с естественным, а с частично или полностью поляризованным светом.

Цель работы: исследовать явление поляризации света и его применение в производстве и в быту.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• изучить литературу по теме «Поляризация света»;

• выяснить, что представляет собой естественный и поляризованный свет и явление поляризации света;

• рассмотреть области применения изучаемого явления;

• провести ряд экспериментов по исследованию явления поляризации света и его применения;

• соотнести теоретические данные о поляризации света, взятые из различных источников, с результатами опытов по исследованию данного явления.

В данной работе использовались методы исследования: теоретический, аналитический, экспериментальный.

ГЛАВА 1

1. Свет как электромагнитная волна

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 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.), который экспериментально получил электромагнитные волны и измерил их скорость.

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. Электромагнитная волна – это распространяющееся в пространстве с конечной скоростью электромагнитное поле.

В электромагнитной волне векторы и перпендикулярны друг другу. В естественном свете колебания напряженности электрического поля и магнитной индукции происходят по направлениям, перпендикулярным направлению распространения волны (рисунок 1). Возникает естественный вопрос: если речь идет о направлении колебаний в световой волне, то колебания какого вектора — или — имеются в виду? Специальные опыты доказали, что на сетчатку глаза или фотоэмульсию действует электрическое поле световой волны. В связи с этим за направление колебаний в световой волне принято направление вектора напряженности электрического поля. Свет со всевозможными ориентациями вектора напряженности называется естественным светом.

1.3 Поляризованный свет

Поляризация (фр. polarisation; от лат. polus ← др.-греч. πόλος буквально — ось) — процессы и состояния, связанные с разделением каких-либо объектов, преимущественно в пространстве .

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

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.

Рисунок 1

Для выделения из неполяризованного света части, обладающей желаемой поляризацией, используют поляризаторы (например, исландский шпат или турмалин, а также искусственные поляризаторы).

Поляризатор пропускает колебания, параллельные плоскости, которая называется плоскостью поляризации, и полностью или частично задерживает колебания, перпендикулярные этой плоскости.

Разберём принцип действия поляризатора на простом примере. Мы создаём волну с помощью верёвки, а в качестве препятствия имеем решётку (рисунок 2).

Рисунок 2

Волны, бегущие по веревке, раскачиваемой в вертикальной плоскости, будут свободно проходить сквозь вертикальную щель решетки, но гасятся на горизонтальных щелях.

Таким образом, преграда в виде решётки служит поляризатором для бегущих по верёвке поперечных волн, пропуская лишь волны, поляризованные в узком диапазоне углов в вертикальной плоскости.

В случае световых колебаний оказывается возможным создавать подобие такой щели, пропускающей световые колебания, лежащие только в определенной плоскости (рисунок 4) . Если угол между этой «щелью» и плоскостью световых колебаний равен 90°, то она задержит свет полностью .

Рисунок 3

1. Поляризация света в природе

Свет, испускаемый Солнцем, не имеет какой-либо определенной плоскости поляризации. Однако, проходя через земную атмосферу, солнечный свет претерпевает рассеяние на ее молекулах и других частицах, имеющих размеры меньше длины волны. Вследствие поперечности световых волн солнечные лучи, рассеянные изотропными молекулами в направлении, нормальном к первоначальному, должны быть линейно поляризованы. В результате каждая точка неба над нами превращается во вторичный источник света, который оказывается уже частично поляризованным.

Степень поляризации света голубого неба сильно различается в разных точках небосвода (от 0 примерно до 80%). При этом ось поляризации (преимущественное направление ) всегда перпендикулярна плоскости треугольника, в вершинах которого находится наблюдатель, Солнце и наблюдаемая точка неба. Зная оси поляризации для двух точек неба, можно найти направление на Солнце. Очевидно, что направлением на Солнце будет прямая, образованная пересечением двух плоскостей, каждая из которых переходит через наблюдателя и данную точку неба перпендикулярно оси поляризации в этой точке.

По-видимому, таким образом, и находят направление на Солнце насекомые, глаза которых чувствительны к направлению поляризации света. Различают поляризацию и муравьи, и мухи с пчелами. Не они одни его видят, и некоторые костистые рыбы, и головастики лягушек, кальмары, каракатицы и осьминоги. Зачем им видеть поляризованный свет?

Свет, идущий от синего неба, поляризован, и поляризация в любой точке неба зависит от ее положения относительно Солнца. Дело в том, что в глазе млекопитающих (и в том числе человека) молекулы светочувствительного пигмента родопсина расположены беспорядочно, а в глазе насекомого те же молекулы уложены аккуратными рядами, ориентированы в одном направлении, что и позволяет им сильнее реагировать на тот свет, колебания которого соответствуют плоскости размещения молекул. Поэтому пчела может ориентироваться по Солнцу, даже если оно закрыто облаками и виден лишь кусочек синего неба: поляризация укажет направление на Солнце.

Но представить себе кальмара или каракатицу, ориентирующуюся по солнцу, довольно трудно. Для чего же им нужна такая способность?

Ответ на этот вопрос дал зоолог Надав Шашар, работающий в Морской биологической лаборатории в Вудс-Холе (штат Массачусетс). Оказалось, что и кальмару, и каракатице, и осьминогу возможность видеть в поляризованном свете очень даже полезна! Для кальмара его поляризационное зрение — все равно, что радар, видящий «стелсы»!

Шашар с коллегами изучил в поляризационном микроскопе совершенно прозрачных (для человеческого глаза) планктонных животных, на которых охотятся мелкие или молодые кальмары. Оказалось, в поляризованном свете видны не только глаза, но и мускулатура, а также усики-антенны рачков. Не очень хорошо, но видны. И кальмары этим пользуются.

Поляризован свет некоторых астрономических объектов. Наиболее известный пример – Крабовидная туманность в созвездии Тельца.

Некоторые виды жуков, обладающие металлическим блеском, превращают свет, отраженный от их спинки, в поляризованный по кругу. Так называют поляризованный свет, плоскость поляризации которого закручена в пространстве винтообразно, налево или направо.

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

1.5 Поляризация света в быту и технике

Применения поляризации света в быту и технике очень разнообразны.

В дефектоскопии, когда конструкторы и архитекторы, разрабатывая проекты новых машин и сооружений и рассчитывая отдельные узлы, должны знать, как распределится нагрузка в данном узле, в каких частях она будет наибольшей. С этой целью изготавливается точная модель детали из целлулоида и просматривается в поляризованном свете. Подвергая модель различным нагрузкам, можно увидеть на целлулоиде все узлы напряжений и определить, где нужно усилить конструкцию или, наоборот, облегчить.

Геологи, исследуя в поляризованном свете различные минералы и изделия, могут безошибочно отличить природные от искусственных, поддельные от настоящих.

Фотографы, выполняя репродукции с картин в застекленных рамах, могут легко уничтожить мешающие им блики от стекла, надевая на объектив поляризационный фильтр.

Водителям автомашин в ночное время очень мешают слепящие фары встречных машин. Надев поляризационные очки, водитель избавляется от этих помех.

Поляризационные очки используют для разделения картинок предназначенных для левого и правого глаза в стереокино. Для получения эффекта объёма (стереоэффекта) необходимо показать каждому глазу свою картинку, так, как будто бы разные глаза смотрят на объект с разных ракурсов; всё остальное наш мозг достроит и рассчитает самостоятельно. В стереомониторе чётные и нечётные строки пикселей на экране должны иметь разное направление поляризации света. Линзы очков – поляризаторы, повёрнутые друг относительно друга на 90 градусов – через одну линзу очков видны только чётные строки, а через другую нечётные. Каждый глаз увидит только ту картинку, которая предназначена для него, поэтому изображение становится объёмным.

Поляризационный бинокль помогает капитанам кораблей 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.

Применяя поляризованный свет в стекольной промышленности, легко проверить правильность и равномерность закалки стекла.

Поляризованный свет используют также в жидкокристаллических дисплеях, принцип работы которого основан на вращении плоскости поляризации и изменении интенсивности световой волны.

В спектроскопии, астрофизике и светотехнике находят широкое применение поляризационные фильтры, позволяющие выделять из исследуемого спектра узкие полосы, а также изменять нужным образом насыщенность или оттенок цвета. Например, пара хроматических поляроидов, обладающих дихроизмом только в видимой области, в скрещенном положении будет пропускать красный свет, а в параллельном — белый. Это простейшее устройство удобно для освещения фотолабораторий .

ГЛАВА 2

2.1 Получение поляризованного света

Цель: определить источники поляризованного света с помощью поляроидов.

Оборудование: поляроидные пленки – 2 шт. (одна - поляризатор, вторая – анализатор), источник естественного света, ЖК – монитор, телевизор с электронно-лучевой трубкой, калькулятор, мобильный телефон, газовый лазер, лампа дневного света, свеча, газовая горелка.

Выполнение работы

Опыт 1

Для начала, определим, можно ли использовать плёнки в качестве поляроидов. 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.

Это происходит потому, что первая плёнка (неподвижная) пропускает свет с вертикальной поляризацией, а та, которую повернули, пропускает свет только с горизонтальной поляризацией. В результате тот свет, который смог пройти первую плёнку отсекается второй (ПРИЛОЖЕНИЕ 1).

Вывод: данные поляроидные пленки могут использоваться для определения поляризованных источников света как поляризатор и анализатор.

Опыт 2

Возьмём один поляроид (анализатор) и посмотрим через него на:

- источник естественного света (голубое небо);

- светящийся экран ЖК – монитора;

- светящийся экран телевизора с электронно-лучевой трубкой;

- экран калькулятора;

- экран мобильного телефона;

- луч лазера;

- лампу дневного света;

- свечу;

- газовую горелку (ПРИЛОЖЕНИЕ 2).

Вывод:

- источниками поляризованного света могут служить ЖК – монитор, калькулятор, мобильный телефон, лазер, т.к. изображение исчезало при повороте поляризатора на 90⁰;

- естественный свет (голубого неба) является частично поляризованным, т.к. изображение изменяло свой цвет при повороте поляризатора на 90⁰;

- свет от телевизора с электронно-лучевой трубкой, лампы дневного света, свечи и газовой горелки неполяризованный, т.к. изображение не изменялось при повороте поляризатора на 90⁰, «погасить» его можно лишь при помощи двух скрещенных поляроидов.

2.2 Поляризация света при отражении

Цель: установить поляризацию света при отражении от поверхности различных веществ.

Оборудование: поляроиды, зеркало, стекло, кювета с водой, металлическая пластинка, экран, штатив, источник естественного света.

Выполнение работы

Свет, отражаясь от диэлектрических поверхностей частично поляризуется. Угол, характеризующий полную поляризацию называют углом Брюстера .

tg α = , где α – угол падения, а n2 и n1 показатели преломления сред. Для зеркала и обычного стекла в воздухе угол Брюстера около 57 ⁰.

Источник света направили на зеркальную поверхность так, чтобы при отражении от него пучок света прошел через поляроид на экран. При повороте поляроида на 90⁰, свет на экране пропадает.

Схема опыта поляризации света при отражении от зеркала

Проведем аналогичный опыт с отражением от поверхности воды, стекла, металла (ПРИЛОЖЕНИЕ 3):

Схема опытов поляризации света при отражении от воды, стекла, металла

Вывод:

- cвет, отраженный от зеркальной поверхности, воды и стекла является поляризованным; данные поверхности могут служить в качестве поляризаторов; пользуясь поляроидом, можно ослабить или «погасить» свет, отраженный от данных поверхностей;

- cвет, отраженный от металлической поверхности является неполяризованным; для «гашения» света, отраженного от металлических поверхностей необходимо два поляроида.

2.3 Поляризация света при преломлении

Цель: показать, что свет поляризуется при преломлении на стеклянных поверхностях.

Оборудование: поляроиды, стопка стеклянных пластин (стопа Столетова), два экрана, штатив, источник света.

Выполнение работы

Свет от стеклянной поверхности частично отражается и частично преломляется. Поэтому для усиления эффекта возьмем несколько (15-20 шт.) стеклянных пластинок (стопа Столетова).

Источник света направим на стопу Столетова под углом примерно 57⁰.

Схема опыта поляризации света при преломлении

На пути преломленного луча поставим поляроид и будем его вращать. Освещенность пятна на экране изменяется (ПРИЛОЖЕНИЕ 4).

Вывод: преломленный луч является поляризованным; стопка стеклянных пластин может использоваться в качестве поляризатора естественного света.

2.4 Поляризация света и механические напряжения

Цель: исследовать механические напряжения в прозрачных телах.

Оборудование: поляроиды, коробка от СD-диска, кусок целлофана, модель рельса из оргстекла с винтовым прессом, ЖК – монитор, грузы, штатив.

Выполнение работы

Опыт 1

В качестве источника поляризованного света будем использовать ЖК – монитор. Поместим коробку от СD-диска перед белым экраном монитора и посмотрим на неё через поляроид - анализатор. Коробочка окрасилась радужными цветами. Узоры сгущаются вблизи углов и кромок, швов и отверстий (ПРИЛОЖЕНИЕ 5). Это явление называется фотоупругостью. Цветные полосы, появляющиеся при наблюдении через поляризационный фильтр, позволяют увидеть внутренние напряжения материала, возникшие при застывании пластика из расплавленного состояния.

Опыт 2

В куске целлофана проделаем дырку и будем нагружать его грузами. Пронаблюдаем через поляризационный фильтр, как в нём будет меняться распределение напряжений (ПРИЛОЖЕНИЕ 6).

Схема опыта для исследования распределения напряжений

Разноцветные полосы, возникающие в поляризованном свете, указывают на слабые места детали. Там, где цвета ярче, там самые уязвимые места — в них концентрируются напряжения.

Опыт 3

Возьмем модель рельса из оргстекла, вставим в винтовой пресс. Посмотрим на модель через поляроид.

Схема опыта для исследования деформаций с помощью поляризованного света

Модель выглядит однородной и тёмной по цвету (ПРИЛОЖЕНИЕ 7).

Будем сжимать модель. Картина в поляризованном свете меняется. Возникают светлые полосы. Просветления, возникающие в поляризованном свете, указывают на слабые места детали – в них концентрируются большие механические напряжения.

При ослаблении винта картинка возвращается в исходное состояние .

Вывод:

- с помощью поляризации света можно исследовать механические напряжения в прозрачных телах, деталях машин и механизмов, строительных конструкциях;

- поляризованный свет позволяет проверять детали на факт повреждения, контролировать их качественное производство, искать оптимальное строение детали для большей надежности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе изучения литературы и интернет - источников мы узнали особенности естественного и поляризованного света, что поляризация света широко встречается в природе. Муравьи, мухи, пчелы, некоторые костистые рыбы, кальмары, каракатицы и осьминоги способны видеть поляризованный свет. А вот человеческому глазу поляризация света практически недоступна. Поляризация света нашла применение в технике и быту: дефектоскопии, геологии, стереофотографии и стереокино, поляризационных фильтрах (поляризационные пленки и очки).

Нами были проведены опыты по определению источников поляризованного света с помощью поляризационных плёнок, исследована поляризация света при отражении, преломлении и деформации.

На основании результатов опытов можно сделать вывод о том, что мы довольно часто сталкиваемся не с естественным, а с частично или полностью поляризованным светом:

- источниками поляризованного света могут служить ЖК – монитор, калькулятор, мобильный телефон;

- естественный свет (голубого неба) является частично поляризованным;

- свет от телевизора с электронно-лучевой трубкой, лампы дневного света, свечи и газовой горелки неполяризованный, «погасить» его можно лишь при помощи двух скрещенных поляроидов;

- поляризованными являются отраженный и преломленный лучи;

- данное явление можно использовать для защиты водителя от слепящего света фар встречного автомобиля, а также гашения бликов на поверхности воды;

- с помощью поляризации света можно исследовать механические напряжения в прозрачных телах, деталях машин и механизмов, строительных конструкциях;

- поляризованный свет позволяет проверять детали на факт повреждения, контролировать их качественное производство, искать оптимальное строение детали для большей надежности.

Все вышесказанное подтверждает нашу гипотезу, а теоретические данные о поляризации света, взятые из различных источников, согласуются с результатами опытов по исследованию данного явления.

В перспективе было бы интересно рассмотреть зависимость степени поляризации света от угла падения при отражении и преломлении света.

На данный момент результаты исследования могут быть использованы на уроке по теме «Поляризация света».

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Буров В.А. и др.Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе. – М.: Просвещение, 1979.

2. Митрофанов А. Поляризация света. Простейшие опыты. - Журнал «Квант», 1999 год №4.

3. https://ru.wikipedia.org/wiki/

4. https://www.nkj.ru/archive/articles/13930/

5. https://litresp.ru/chitat/ru/%D0%9D/nesis-kir-nazimovich/golovonogie-umnie-i-stremiteljnie/4

6. https://poznayka.org/s79377t1.html

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

ПРИЛОЖЕНИЕ 6

ПРИЛОЖЕНИЕ 7

18