Презентация "Поляризация света"

Поперечность световых волн. Поляризация света.

Ответим на вопросы:

1. На какие два типа делят все волны?

2. Какие волны называют продольными?

3. Какие волны называют поперечными?

4. Что колеблется в поперечной механической волне?

5. К какому типу волн относится звуковая волна?

6. Какому типу волн относится электромагнитная волна? Почему?

Виды волн

• продольные

• поперечные

основное свойство электромагнитных волн – поперечность колебаний векторов напряжённости электрического и магнитного полей  по отношению к направлению распространения волны (рис. 11.1).

Свет является электромагнитной волной. Но интерференция и дифракция не доказывают поперечность световых волн . Как же опытным путем можно доказать, что свет является поперечной волной?

Прохождение механической волны через взаимно

перпендикулярные щели

В 1865 году Максвелл, пришел к выводу, что

свет - электромагнитная волна . Одним из аргументов в пользу данного утверждения является совпадение скорости электромагнитных волн, теоретически вычисленных Максвеллом, со скоростью света, определенной экспериментально (в опытах Ремера и Фуко).

В 1669 г. датский учёный Эразм Бартолин сообщил о своих опытах с кристаллами известкового 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.

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 изменения света, прошедшего через него, не вызовет. На первый взгляд может показаться, что свет частично поглотился в кристалле и больше ничего не произошло. Однако световая волна приобрела новые свойства.

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.

Опыт Малюса 1810 г

СЛЕДСТВИЯ

Из описанных выше опытов следует два факта:

- Световая волна, идущая от источника света, полностью симметрична относительно направления распространения (при вращении кристалла вокруг луча в первом опыте не менялась)

- Волна, вышедшая из первого кристалла, не обладает осевой симметрией.

Вывод1 Источники света(Солнце , фонари) испус-

ют свет, в котором световые колебания происходят симметрично по всем направлениям.

Свет, в котором световые колебания происходят по всем направлениям,

называется естественным 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.

Световая волна с колебаниями по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения, называется естественной .

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

Световые волны с колебаниями, лежащими в одной определенной плоскости называются плоскополяризованными .

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.

Интенсивность света, прошедшего через пластинки, меняется в зависимости от угла φ между оптическими осями кристаллов по закону Малюса :

где I 1 и I - соответственно интенсивности света, падающего на второй кристалл и вышедшего из него, угол φ – угол между осями кристаллов.

Амплитуда Е световых колебаний, прошедших через вторую пластинку, будет меньше амплитуды световых колебаний E 1 , падающих на первую пластинку в cos φ раз.

Естественный свет

• Свет – поперечная волна. В падающем от обычного источника пучке волн присутствуют колебания всевозможных направлений, перпендикулярных направлению распространения волн.
• Световая волна с колебаниями по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения, называется естественной .

Поляризованный свет

• Кристалл турмалина обладает способностью пропускать световые волны с колебаниями, лежащими в одной определенной плоскости.
• Такой свет называется поляризованным или, точнее, плоскополяризованным в отличие от естественного света, который может быть назван также неполяризованным.

1 .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

Домашнее задание : Выяснить , почему металлы не поляризуют свет?

2.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.

Поляроид

• Представляет собой тонкую (0.1 мм) пленку кристаллов герапатита, нанесенную на целлулоид или стеклянную пластинку.
• Прозрачные пленки (полимерные, монокристаллические и др.), преобразующие неполяризованный свет в линейно поляризованный, т.к. пропускают свет только одного направления поляризации.
• Поляроиды изобретены американским ученым Э. Лэндом в 1932 .

• Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлектриков (например, воздуха и стекла), то часть его отражается, а часть преломляется и распространяется во второй среде. Устанавливая на пути отраженного и преломленного лучей анализатор (например, турмалин), можно убедиться в том, что отраженный и преломленный лучи частично поляризованы: при поворачивании анализатора вокруг лучей интенсивность света периодически усиливается и ослабевает (полного гашения не наблюдается!). Дальнейшие исследования показали, что в отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения (на рисунке они обозначены точками), в преломленном - колебания, параллельные плоскости падения (изображены стрелками).

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.

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. Например, сильно отражаются солнечные лучи от мокрого дорожного полотна, особенно когда солнце стоит низко над горизонтом. 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.

Технологии производства очков можно свести к двум. В первом случае кристаллы поляризующего вещества наносят на пленку, которую вклеивают между двух пластиковых пластин, образующих линзу очков. Эта технология наиболее дешевая.

Вторая технология состоит в размещении кристалов поляризующего вещества непосредственно в стекле линзы очков. Эта технология значительно дороже по стоимости, но и качество изготовления таких очков существенно выше.

Чем дешевле очки, тем тоньше в них  линзы и тоньше слой поляризующего вещества. Прямое следствие этого - плохой уровень поляризации.

Хорошие очки стоят довольно дорого, но всегда оправдывают потраченные на них средства. 

Если говорить о ценах, то вполне приличные очки стоят от 50 до 100 американских долларов.

Выбор цвета очков

Серый хорошо подходит для яркого солнечного дня. Цвета передаются практически без искажений, позволяя видеть вещи с их натуральными оттенками.

Если вы хотите найти компромисс между хорошим контрастом и натуральными оттенкам, выбирайте коричневый.

Оранжевый (медный) цвет практически универсален, но наиболее хорош в облачную погоду. Наибольшее количество известных рыбаков , для которых успех рыбалки во многом состоит в способности увидеть рыбу, пользуются именно такими линзами

Если вы ловите рыбу ранним утром и ближе к вечеру, то желтый цвет линз наиболее предпочтителен так как позволяет пользоваться ими в условиях исключительно низкой освещенности. Только не стоит надевать такие очки в солнечную погоду потому, так как глазам требуется более серьезная защита.

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

ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ В НАУКЕ И ТЕХНИКЕ

• Выделение волн с заданной плоскостью колебаний вектора Е
• Гашение бликов отраженного света

Объектив фотоаппарата с поляроидом

Очки водителя

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

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

• - Вращение плоскости поляризации в напряженных элементах прозрачных тел

Например, при моделировании узлов машин.

Проверка на опытах поляризованности света, испускаемого различными источниками

• Жидкокристаллический монитор даёт поляризованный свет. При повороте поляризатора он ослабляется, при повороте на 90  полностью гасится.
• Поляризовано также излучение дисплея калькулятора.
• Поляризован свет дисплея мобильного телефона.
• Свет, отражённый от стекла, поляризован. Посмотрите на стекло через поляроид. Вращением поляроида добиваемся исчезновения бликов.

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.

• комета Хейла-Боппа обычный снимок через поляроид

Некоторые применения поляроидов

• Солнцезащитные и антибликовые очки;
• Поляроидные фильтры в фотоаппаратах;
• Обнаружение дефектов в изделиях из прозрачного материала;
• Жидкокристаллические мониторы;
• Стереомониторы и стереочки.

Солнцезащитные поляризационные и антибликовые очки

• Безопасное вождение ночью, днем, в сумерки, туман и зимой. Поляризованные линзы снимают блики от лобового стекла, от мокрой дороги, от снега, защищают от фар встречных машин, снимают усталось, улучшают видимость в любую погоду. Они незаменимы для полярников, которым постоянно приходится смотреть на ослепительное отражение солнечных лучей от заледеневшего снежного поля.

Обнаружение напряжений в прозрачных телах (дефектоскопия):

• Если в прозрачном материале появляются напряжения (вызванные внутренними напряжениями или внешней нагрузкой), то материал начинает неоднородно поворачивать угол поляризации. Данный эффект в полимерах проявляется сильнее, чем в стекле.

ОПЫТ: Зажмите прозрачную пластиковую коробку от CD -диска между двумя поляроидами. Свет испытывает неоднородную поляризацию, что проявляется в различной интенсивности проходящего через поляризаторы света, окрашиванием поля зрения в разные цвета в проходящем свете. При изгибе или сжатии коробки интенсивность проходящего света изменяется, изменяется и цвет прошедшего через поляроиды света. Так обнаруживают напряжения в прозрачных образцах.

Получение стереоизображения, стереомонитор

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.

Принцип действия ЖК-дисплеев

Работа ЖК-дисплеев основана на явлении поляризации светового потока. Жидкие кристаллы - это органические вещества, способные под действием напряжения поворачиваться в электрическом поле. Жидкие кристаллы обладают анизотропией свойств. В частности, в зависимости от ориентации по-разному отражают и пропускают свет, поворачивают его плоскость поляризации.

Панель на тонкопленочных транзисторах похожа на многослойный бутерброд. Слой жидких кристаллов находится между двумя поляризационными панелями. Напряжение заставляет кристаллы работать подобно затвору, блокируя или пропуская свет. Интенсивность света, прошедшего через поляризатор, зависит от напряжения.

Жидкокристаллические мониторы и дисплеи

Интересные факты , связанные с поляризацией света

Многие насекомые в отли-

чие от человека видят

поляризованный свет.

Пчелы и муравьи хорошо

ориентируются даже тогда,

когда Солнце скрыто за

облаками. В глазе человека

молекулы светочувстви-

тельного пигмента родоп-

сина расположены беспо-

рядочно , а в глазе насеко-

те же молекулы уложены

аккуратными рядами, ориентированы в одном

направлении, что и позво –

ляет им сильнее реагиро-

вать на тот свет, колебания

которого соответствуют

плоскости размещения

молекул .

Солнечный свет в определенном направлении от Солнца является поляризованным. Поляризация солнечных лучей происходит в результате отражения от молекул воздуха и преломления на капельках воды Поэтому с помощью поляроида можно полностью закрыть радугу

Вопросы:

• Чем отличается естественный свет от поляризованного?
• В чем заключается явление поляризации?
• Можно ли экспериментально доказать, что световые волны поперечные?
• Что называют поляроидом?

Выводы:

• Кристалл турмалина (поляроид) преобразует естественный свет в плоскополяризованный.
• Поляризация - одно из волновых свойств света.
• Различные источники света могут испускать как поляризованный, так и неполяризованный свет.
• При помощи поляроидов можно управлять интенсивностью света;
• Явление поляризации света встречается в природе, широко используется в современной технике.
• Свет – это поперечная волна.

Домашнее задание

• § 73-74
• Дополнительно: Найти материал о применение поляроидов и о поляризованном свете (представить в виде доклада в электронном виде)