Поляризация света

Поляризация света

Свет – это поперечная электромагнитная волна, которая лежит в диапазоне длин волн от 380 нм до 780 нм

Свет – это поперечная электромагнитная волна.

• Электромагнитная волна представляет собой взаимосвязанные колебания электрической и магнитной компонент поля. Эти колебания происходят с одной частотой и в одинаковой фазе, но во взаимно перпендикулярных плоскостях.
• Переменное электрическое поле на рисунке можно изобразить синусоидой, которая представляет собой огибающую концов вектора напряженности электрического поля (Е). Аналогично в перпендикулярной плоскости изображается переменное магнитное поле (В)

Но интерференция и дифракция не доказывают поперечность световых волн.

Как же опытным путем можно доказать, что свет является поперечной волной?

В 1669 г. датский учёный Эразм Бартолин сообщил о своих опытах с кристаллами исландского шпата (CaCO 3 ), чаще всего имеющими форму правильного ромбоэдра, которые привозили возвращающиеся из Исландии моряки. Он с удивлением обнаружил, что луч света при прохождении сквозь кристалл расщепляется на два луча.

Если на толстый кристалл исландского шпата направить узкий пучок света, то из кристалла выйдут два пространственно разделенных луча, параллельных друг другу и падающему лучу.

ДВОЙНОЕ ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ

Даже в том случае, когда первичный пучок падает на кристалл нормально, преломленный пучок разделяется на два, причем один из них является продолжением первичного, а второй отклоняется.

Второй из этих лучей получил название необыкновенного, а первый - обыкновенного.

В кристалле исландского шпата имеется единственное направление, вдоль которого двойное лучепреломление не наблюдается. Направление в оптически анизотропном кристалле, по которому луч света распространяется, не испытывая двойного лучепреломления, называется оптической осью кристалла.

Необыкновенный

Обыкновенный

Любая прямая, проходящая параллельно данному направлению, является оптической осью кристалла .

Кристаллы в зависимости от типа их симметрии бывают одноосные и двуосные.

В 1808 г. французский физик Этьен Луи Малюс

сформулировал смысл явления поляризации света - выделение из естественного света лучей, имеющих упорядоченную структуру.

В 1860—1865 Максвелл создал теорию электромагнитного поля, из которой следовало существование электромагнитных волн. Если считать естественный свет потоком огромного количества разных электромагнитных волн, то:

Поляризация - выделение из естественного света электромагнитных волн с ориентированными в одной плоскости колебаниями вектора напряженности электрического поля Е.

Если речь идет о направлении колебаний в световой волне, то колебания какого вектора –

(Е или В) имеются в виду?

• Специально поставленные опыты доказали, что на сетчатку глаза или фотоэмульсию действует электрическое поле световой волны.
• В связи с этим за направление колебаний в световой волне принято направление вектора напряженности электрического поля

ОПЫТЫ С ТУРМАЛИНОМ

Кристалл турмалина имеет ось симметрии и принадлежит к числу одноосных кристаллов. Возьмем прямоугольную пластину турмалина, вырезанную таким образом, чтобы одна из ее граней была параллельна оси кристалла.

Если направить нормально на такую пластину пучок света, то вращение пластины вокруг пучка никакого очень заметного изменения света, прошедшего через нее, не вызовет.

На первый взгляд может показаться, что свет частично поглотился в кристалле и приобрел зеленоватую окраску. И больше ничего не произошло.

Однако световая волна приобрела новые свойства.

ОПЫТЫ С ТУРМАЛИНОМ

Эти новые свойства обнаруживаются, если пучок заставить пройти через второй точно такой же кристалл турмалина, параллельный первому. При одинаково направленных осях кристалла ничего, кроме ослабления пучка не происходит.

Если второй кристалл вращать, оставляя первый неподвижным, то обнаружится явление гашения света.

По мере увеличения угла между осями интенсивность света уменьшается.

Когда оси перпендикулярны друг другу, свет не проходит совсем.

Из описанных выше опытов следует два факта:

1) Световая волна, идущая от источника света, полностью симметрична относительно направления распространения

(при вращении кристалла вокруг луча в первом опыте не менялась).

2) Волна, вышедшая из первого кристалла, не обладает осевой симметрией.

Вывод 1

Источники света(Солнце, фонари) испускают свет, в котором световые колебания происходят симметрично по всем направлениям.

Свет, в котором световые колебания происходят по всем направлениям,

называется естественным светом.

Вывод 2

Кристалл турмалина пропускает только те световые колебания, которые происходят параллельно оси симметрии кристалла

Свет, в котором колебания вектора происходят только в одной определенной плоскости, называется поляризованным светом или, точнее, плоскополяризованным светом.

ОБЪЯСНЕНИЯ

Свет – поперечная волна. Но в падающем от обычного источника пучке волн присутствуют колебания всевозможных направлений, перпендикулярных направлению распространения волн.

Согласно этому световая волна обладает осевой симметрией, являясь в то же время поперечной.

Кристалл турмалина обладает способностью пропускать световые волны с колебаниями, лежащими в одной определенной плоскости.

• Кристалл турмалина преобразует естественный свет в плоскополяризованный

Из первого кристалла выходит плоскополяризованная волна.

При скрещенных кристаллах (угол между осями 90°) она не проходит сквозь второй кристалл.

Если оси кристаллов составляют между собой некоторый угол, отличный от 90°, то проходят колебания, амплитуда которых равна проекции амплитуды волны, прошедшей через первый кристалл, на направление оси второго кристалла.

Аналогия поляризации света и колебания шнура изменяющиеся по направлению

2. Пропустим шнур через две параллельные друг другу щели, колебания будут проходить полностью

1.Пропустим шнур через щель, она выделит колебания в одной плоскости.

3. Если щели будут перпендикулярны друг другу, то после второй щели колебания полностью погасятся

Способы поляризации света

Поляризационные линзы

Поляризационный микроскоп

Поляризующие светофильтры

Поляризационные очки

Поляризующие очки

Поляроиды

Отражение света от границы двух диэлектриков

Прохождение света через поляризаторы (поляроиды)

Преломление света на границе двух диэлектриков

Поляризованный свет получают используя поляризаторы.

Что такое поляризатор?

Поляризатор, устройство для получения полностью или частично п оляризованного оптического излучения из излучения с произвольными поляризационными характеристиками.

• Если посмотреть через поляризатор на естественный свет и покрутить его вокруг своей оси, то свет станет менее интенсивным и приобретет характерную окраску

(Поляризатор - пластина по середине)

ПОЛЯРОИДЫ

Поляроид - один из типов оптических линейных  поляризаторов

Поляроиды представляют собой тонкую пленку ( 0,1 мм ) кристаллов герапатита, нанесенную на целлулоид или стеклянную пластину ( представляют собой стеклянные пластинки, в которые вкраплены большое количество одинаково ориентированных кристалликов турмалина).

Поляроиды изобретены американским ученым Э. Лэндом в 1932 .

• С поляроидом можно провести те же опыты, что и с кристаллом турмалина.
• Преимущество поляроидов в том, что можно получать большие поверхности, поляризующие свет.
• К недостатком поляроидов относится фиолетовый оттенок, который они придают белому свету.

Некоторые применения поляроидов

• Солнцезащитные и антибликовые очки.

На солнечные очки наносится поляризационная пленка для

избавления от бликов, которые получаются при отражении света.

• Поляроидные фильтры в фотоаппаратах. Используются для улучшения качества изображения.;
• Обнаружение дефектов в изделиях из прозрачного материала;
• Жидкокристаллические мониторы;
• Стереомониторы и стереочки.

• В трехмерном кинематографе поляризация используется для разделения изображения для левого и правого глаза.

Поляризационные микроскопы

В основе принципа действия поляризационных микроскопов лежит получение изображения исследуемого объекта при его облучении поляризационными лучами, которые в свою очередь должны быть сгенерированы из обычного света с помощью специального прибора — поляризатора.

Поляризация света

при отражении от границы двух диэлектриков

Степень поляризации зависит от угла падения световых лучей , при некотором угле падения (угол Брюстера) отраженный луч полностью поляризуется.

Хорошо поляризуют свет стекла, поверхность воды, асфальт.

Металлы свет не поляризуют!

Поляризация света

при преломлении от границы двух диэлектриков

Преломленный луч поляризуется только частично, но пропуская свет последовательно через несколько прозрачных плоскопараллельных пластин можно достичь значительной поляризации света.

Для видимой области спектра пластины делают из оптического стекла очень малой толщины, чтобы уменьшить потери света путем поглощения.

Полную поляризацию света дают 16 стеклянных пластин с показателем преломления n = 1,5.

ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ

• Выделение волн с заданной плоскостью колебаний вектора Е.

Гашение бликов отраженного света

.

• Вращение плоскости поляризации в напряженных элементах прозрачных тел

Например, определение концентрации раствора сахара при его производстве по углу поворота плоскости поляризации света, прошедшего через струю раствора .

• Вращение плоскости поляризации некоторыми веществами - при анализе состава растворов и расплавов

• Зависимость ориентации плоскости поляризации разного цвета волн от особенностей кристаллической структуры твердого тела .

По двойному лучепреломлению можно изучать структуру сложных кристаллов

Солнцезащитные поляризационные очки

Поляризационные очки защищают глаза от ослепляющих бликов, которые представляют собой отраженный от различных поверхностей свет. Световые лучи отражаются от дорожного полотна, лежащего на земле снега, от водной поверхности, от стен и крыш домов. Эти отраженные световые лучи образуют блики. Блики ухудшают качество зрения, мешают видеть детали, яркие блики ослепляют.

Отражение тем сильнее, чем выше отражающая способность поверхности. Ослепление водителя в этих ситуациях увеличивает риск возникновения аварийной ситуации на дороге.

Солнцезащитные поляризационные очки обладают способностью блокировать отраженные световые лучи и таким образом улучшают качество зрение, повышают контраст изображения, увеличивают зрительный комфорт в целом. 

Устройство поляризационных очков

В поляризационных очках установлены специальные поляризационные очковые линзы, обладающие способностью блокировать отраженный от горизонтальных поверхностей солнечный свет.

Поляризационные линзы обычно представляют собой многослойную конструкцию, внутри которой находится прозрачная поляризационная пленка. Поляризационная пленка установлена в линзы так, что она пропускает свет, имеющий только вертикальную поляризацию. Световые лучи, отраженные от горизонтальных поверхностей (заснеженного поля, водной поверхности и др.), имеют, наоборот, горизонтальную поляризацию и поэтому не проходят через поляризационные линзы.

В то же время лучи, исходящие от других объектов, неполяризованные и поэтому проходят через поляризационные линзы и формируют четкое изображение на сетчатке глаза.

Обычные солнцезащитные очки просто затемняют видимую среду, не защищают от бликов . Очки с поляризационными линзами препятствуют проникновению отраженного от различных предметов света, пропускают только свет , полезный для глаза человека.

Поляризационные светофильтры

Невозможно представить современную фотографию без поляризационных светофильтров. Он представляет собой пластинку из специального материала, укрепленную между двумя плоскими стеклами и поляризующую свет. Вся это система монтируется в специальной вращающейся оправе,

на которой наносится метка, показывающая положение плоскости поляризации. Поляризационный светофильтр увеличивает на фотографии резкость и чистоту цвета , помогает устранить блики. За счет этого на фотографии лучше проявляется собственный цвет предметов, увеличивается насыщенность цвета.

Поляризованный свет в природе

• Поляризован отраженный свет, блики, например, лежащие на поверхности воды,
• Рассеянный свет неба не что иное, как солнечный свет, претерпевший многократное отражение от молекул воздуха, преломившийся в капельках воды или ледяных кристаллах. Поэтому в определенном направлении от Солнца он поляризован.
• Многие насекомые в отличие от человека видят поляризацию света. Пчелы и муравьи не хуже викингов пользуются этой своей способностью для ориентировки в тех случаях, когда Солнце закрыто облаками.
• 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.

Электромагнитная теория света

• Опыты с поляризатором доказали поперечность электромагнитных волн и еще раз подтвердили теорию Максвелла.

• Поляризовать продольные волны невозможно, так как колебание продольных волн происходит вдоль направления распространения волны.

• Явление поляризации света в очередной раз доказывает волновую природу света.

Домашнее задание

• § 60

2. Стр. 228 А1, А2