V. MURAKHVERI

Fenomen polarizacije svjetlosti, proučavan i na školskim i na institutskim kursevima fizike, ostao je u sjećanju mnogih od nas kao znatiželjan koji nalazi primjenu u tehnologiji, ali se ne susreće u Svakodnevni život optički fenomen. Holandski fizičar G. Kennen, u svom članku objavljenom u časopisu Natuur en Techniek, pokazuje da je to daleko od slučaja – polarizirana svjetlost nas doslovno okružuje.

Ljudsko oko je veoma osetljivo na boju (tj. talasnu dužinu) i jačinu svetlosti, ali mu je treća karakteristika svetlosti, polarizacija, praktično nedostupna. Patimo od polarizacionog sljepila.

U tom pogledu, neki predstavnici životinjskog svijeta su mnogo savršeniji od nas. Na primjer, pčele razlikuju polarizaciju svjetlosti gotovo jednako kao i boju ili svjetlinu. A pošto se polarizovana svetlost često nalazi u prirodi, dato im je da vide nešto u okolnom svetu što je ljudskom oku potpuno nedostupno.

Čovjeku je moguće objasniti šta je polarizacija, uz pomoć specijalnih svjetlosnih filtera, on može vidjeti kako se svjetlost mijenja ako se od nje „oduzme” polarizacija, ali mi očigledno ne možemo zamisliti sliku svijeta kroz „oči pčela” (pogotovo što je vizija insekata drugačija od ljudskog i u mnogim drugim aspektima).

Rice. jedan.Šema strukture vidnih receptora ljudi (lijevo) i artropoda (desno). Kod ljudi, molekule rodopsina su raspoređene nasumično s naborima unutarćelijske membrane, kod artropoda - na izraslinama ćelije, u urednim redovima.

Polarizacija je orijentacija oscilacija svjetlosnog vala u prostoru. Ove vibracije su okomite na smjer svjetlosnog snopa. Elementarna svjetlosna čestica (kvant svjetlosti) je val koji se po jasnoći može uporediti s valom koji će teći duž užeta ako, nakon što pričvrstite jedan njegov kraj, rukom protresete drugi. Smjer vibracije užeta može biti različit, ovisno o tome u kojem smjeru tresti uže. Na isti način, smjer oscilacija kvantnih valova može biti različit. Snop svjetlosti se sastoji od mnogo kvanta. Ako su njihove vibracije različite, takva svjetlost nije polarizirana, ali ako svi kvanti imaju potpuno istu orijentaciju, svjetlost se naziva potpuno polarizirana. Stepen polarizacije može biti različit u zavisnosti od toga koji dio kvanta u njemu ima istu orijentaciju oscilacija.

Postoje filteri koji prolaze samo onaj dio svjetlosti čiji su valovi orijentirani na određeni način. Ako pogledate polariziranu svjetlost kroz takav filter i okrenete filter, promijenit će se svjetlina propuštene svjetlosti. Ona će biti maksimalna kada se smjer propuštanja filtera poklopi sa polarizacijom svjetlosti, a minimalna kada su ti pravci potpuno (za 90°) divergentni. Filter može detektovati polarizacije veće od oko 10%, a posebna oprema detektuje polarizacije od 0,1%.

Polarizacijski filteri, ili polaroidi, prodaju se u foto prodavnicama. Ako kroz takav filter pogledate vedro plavo nebo (kada je oblačno, efekat je mnogo manje izražen) na oko 90 stepeni od pravca prema Suncu, odnosno tako da je Sunce sa strane, a istovremeno kada okrenite filter, tada je jasno vidljivo da se na određenoj poziciji filtera na nebu pojavljuje tamna linija. Ovo ukazuje na polarizaciju svjetlosti koja izlazi iz ovog područja neba.

Polaroidni filter otkriva nam fenomen koji pčele vide "jednostavnim okom". Ali ne treba misliti da pčele vide istu tamnu prugu na nebu. Naš položaj se može uporediti sa onom potpune daltoniste, osobe koja ne vidi boje. Onaj koji može razlikovati samo crno, bijelo i razne nijanse sive, mogao bi, gledajući svijet naizmjenično kroz filtere različitih boja, primijetite da se slika svijeta donekle mijenja.

Na primjer, kroz crveni filter, crveni mak bi izgledao drugačije na pozadini zelene trave; kroz žuti filter bijeli oblaci na plavom nebu bi se jače isticali. Ali filteri ne bi pomogli daltonistima da shvate kako svijet izgleda za osobu s vidom boja. Baš kao i filteri za slijepe boje, polarizacijski filter nam može reći samo da svjetlost ima neku osobinu koju oko ne percipira.

Polarizaciju svjetlosti koja dolazi s plavog neba neki mogu primijetiti golim okom. Prema poznatom sovjetskom fizičaru akademiku S.I. Vavilov, 25 ... 30% ljudi ima ovu sposobnost, iako mnogi od njih toga nisu svjesni.

Kada promatraju površinu koja emituje polariziranu svjetlost (na primjer, isto plavo nebo), takvi ljudi mogu primijetiti blijedo žutu traku sa zaobljenim krajevima u sredini vidnog polja.

Rice. 2.

Plavkaste mrlje u njegovom središtu i po rubovima su još manje vidljive. Ako se ravan polarizacije svjetlosti okreće, onda se rotira i žuta traka. Ona je uvijek okomita na smjer svjetlosnih vibracija. Ovo je takozvana Heidingerova figura, otkrio ju je njemački fizičar Heidinger 1845. godine.

Sposobnost da vidite ovu figuru može se razviti ako je uspijete primijetiti barem jednom. Zanimljivo je da je Lav Tolstoj daleke 1855. godine, ne upoznat sa Haidingerovim člankom, objavljenim devet godina ranije u njemačkom časopisu za fiziku, napisao (Mladi, Poglavlje XXXII): „...Nevoljno ostavljam knjigu i virim u otvorena vrata balkona, u kovrdžave viseće grane visokih breza, na kojima se već spušta večernja sjena, i u vedro nebo, na kojem se, dok pažljivo gledaš, odjednom pojavljuje i opet nestaje prašnjava žućkasta mrlja...” bilo je zapažanje velikog pisca.

Rice. 3.

U nepolariziranoj svjetlosti (1), oscilacije električne i magnetske komponente se javljaju u vrlo različitim ravnima, koje se mogu svesti na dvije, istaknute na ovoj slici. Ali nema oscilacija duž putanje prostiranja zraka (svjetlost, za razliku od zvuka, nije bacanje). Kod polarizovane svetlosti (2) razlikuje se jedna ravan oscilovanja.

U svjetlosti polariziranoj u krug (kružno), ova ravan je uvijena u prostoru pomoću vijka (3). Pojednostavljeni dijagram objašnjava zašto je reflektovana svjetlost polarizirana (4). Kao što je već pomenuto, sve ravni oscilovanja koje postoje u gredi mogu se svesti na dve, prikazane su strelicama. Jedna od strelica gleda u nas i uobičajeno nam je vidljiva kao tačka. Nakon refleksije svjetlosti, jedan od pravaca oscilacije koji postoji u njemu poklapa se sa novim smjerom prostiranja zraka, a elektromagnetne oscilacije ne mogu se usmjeriti duž njihove putanje širenja.

Haidingerova figura se može vidjeti mnogo jasnije kada se gleda kroz zeleni ili plavi filter.

Polarizacija svjetlosti iz vedrog neba samo je jedan primjer pojava polarizacije u prirodi. Drugi čest slučaj je polarizacija reflektirane svjetlosti, odsjaj, na primjer, ležeći na površini vode ili staklenih vitrina.

Zapravo, fotografski polaroidni filteri su dizajnirani tako da fotograf može, ako je potrebno, eliminirati ove ometajuće odsjaje (na primjer, kada snima dno plitkog rezervoara ili fotografiše slike i muzejske eksponate zaštićene staklom). Djelovanje polaroida u ovim slučajevima zasniva se na činjenici da je reflektovana svjetlost polarizirana u jednom ili drugom stepenu (stepen polarizacije ovisi o kutu upada svjetlosti i pod određenim uglom, koji je različit za različite supstance, takozvani Brewsterov ugao, reflektovana svetlost je potpuno polarizovana). Ako sada pogledamo odsjaj kroz polaroidni filter, nije teško pronaći takav okret filtera pri kojem je odsjaj potpuno ili u velikoj mjeri potisnut.

Korištenje polaroid filtera u sunčanim naočalama ili vjetrobranskim staklima omogućava vam da uklonite dosadni, zasljepljujući odsjaj s površine mora ili mokrog autoputa.

Zašto je reflektovana svjetlost i raspršena svjetlost neba polarizirana? Potpun i matematički rigorozan odgovor na ovo pitanje je izvan okvira male naučno-popularne publikacije (čitaoci ga mogu pronaći u literaturi navedenoj na kraju članka). Polarizacija u ovim slučajevima nastaje zbog činjenice da su vibracije čak i u nepolarizovanom snopu već "polarizovane" u određenom smislu: svjetlost, za razliku od zvuka, nije longitudinalne, već poprečne vibracije. U snopu nema oscilacija duž putanje njegovog širenja (vidi dijagram). Oscilacije i magnetske i električne komponente elektromagnetnih valova u nepolariziranom snopu usmjerene su u svim smjerovima od njegove ose, ali ne i duž ove ose. Svi pravci ovih oscilacija mogu se svesti na dva, međusobno okomita. Kada se snop reflektuje od ravni, on mijenja smjer i jedan od dva smjera oscilacije postaje "zabranjen", jer se poklapa sa novim smjerom prostiranja zraka. Zraka postaje polarizovana. U prozirnoj materiji dio svjetlosti ide dublje, lomi se, a prelomljena svjetlost je također polarizirana, ali u manjoj mjeri od reflektovane.

Raspršena svjetlost neba nije ništa drugo nego sunčeva svjetlost, koja je podvrgnuta višestrukim refleksijama od molekula zraka, prelomljenih u kapljicama vode ili kristalima leda. Stoga je u određenom smjeru od Sunca polariziran. Polarizacija se događa ne samo s usmjerenom refleksijom (na primjer, s površine vode), već i s difuznom refleksijom. Dakle, uz pomoć polaroid filtera, lako je provjeriti da li je svjetlost koja se reflektira od trotoara autoputa polarizirana. U ovom slučaju djeluje nevjerojatna ovisnost: što je tamnija površina, to je polariziranija svjetlost koja se odbija od nje.

Ova zavisnost se naziva Umovljev zakon, po ruskom fizičaru koji ju je otkrio 1905. godine. Asfaltni autoput je, u skladu sa Umovljevim zakonom, polarizovaniji od betonskog, a mokri put je polarizovaniji od suvog. Mokra površina ne samo da je sjajnija, već je i tamnija od suhe.

Imajte na umu da svjetlost koja se odbija od površine metala (uključujući i ogledala - uostalom, svako ogledalo je prekriveno tankim slojem metala) nije polarizirano. To je zbog visoke vodljivosti metala, zbog činjenice da sadrže mnogo slobodnih elektrona. Refleksija elektromagnetnih talasa od takvih površina se dešava drugačije nego od dielektričnih, neprovodnih površina.

Polarizacija nebeske svjetlosti otkrivena je 1871. godine (prema drugim izvorima čak i 1809. godine), ali je detaljno teorijsko objašnjenje ovog fenomena dato tek sredinom našeg stoljeća. Međutim, kako su otkrili istoričari koji proučavaju drevne skandinavske sage o vikinškim putovanjima, hrabri mornari prije gotovo tisuću godina koristili su polarizaciju neba za navigaciju. Obično su plovili, vođeni Suncem, ali kada je sunce bilo skriveno iza neprekidnih oblaka, što nije neuobičajeno u sjevernim geografskim širinama, Vikinzi su gledali u nebo kroz poseban "sunčev kamen", koji je omogućio da se vidi tamna traka na nebu na 90° od pravca Sunca ako oblaci nisu previše gusti. Iz ovog benda možete procijeniti gdje je Sunce. „Sunčev kamen“ je očigledno jedan od prozirnih minerala sa svojstvima polarizacije (najverovatnije islandski špart, uobičajen u severnoj Evropi), a pojava tamnije trake na nebu objašnjava se činjenicom da, iako se Sunce ne vidi iza oblaci, svjetlost neba koja prodire kroz oblake, ostaje donekle polarizirana. Prije nekoliko godina, testirajući ovu pretpostavku istoričara, pilot je malim avionom preletio od Norveške do Grenlanda, koristeći samo kristal minerala kordierita, koji polarizuje svjetlost, kao navigacijski uređaj.

Već je rečeno da mnogi insekti, za razliku od ljudi, vide polarizaciju svjetlosti. Pčele i mravi, ništa gore od Vikinga, koriste ovu sposobnost da se orijentišu u slučajevima kada je Sunce prekriveno oblacima. Šta oku insekata daje ovu sposobnost? Činjenica je da su u oku sisara (uključujući i čovjeka) molekuli pigmenta rodopsina osjetljivog na svjetlost raspoređeni nasumično, au oku insekta te iste molekule su složene u uredne redove, orijentirane u jednom smjeru, što im omogućava da jače reaguju na svetlost čije vibracije odgovaraju ravni postavljanja molekula. Haidingerova figura se može vidjeti jer je dio naše retine prekriven tankim, paralelnim vlaknima koja djelimično polarizuju svjetlost.

Zanimljivi efekti polarizacije također su uočeni u rijetkim nebeskim optičkim fenomenima, poput duge i oreola. Činjenica da je svjetlost duge visoko polarizirana otkrivena je 1811. Rotirajući polaroid filter, dugu možete učiniti gotovo nevidljivom. Svetlost oreola je takođe polarizovana - svetleći krugovi ili lukovi koji se ponekad pojavljuju oko Sunca i Meseca. U formiranju duge i oreola, uz refrakciju, uključena je i refleksija svjetlosti, a oba ova procesa, kao što već znamo, dovode do polarizacije. Polarizovane i neke vrste aurore.

Na kraju, treba napomenuti da je svjetlost nekih astronomskih objekata također polarizirana. Najpoznatiji primjer je Rakova maglina u sazviježđu Bika. Svjetlost koju emituje je takozvano sinhrotronsko zračenje, koje nastaje kada brzo leteće elektrone usporava magnetsko polje. Sinhrotronsko zračenje je uvijek polarizirano.

Vraćajući se na Zemlju, primjećujemo da neke vrste buba, koje imaju metalni sjaj, pretvaraju svjetlost koja se odbija od njihovih leđa u polarizirani krug. Ovo je naziv polarizirane svjetlosti, čija je ravan polarizacije uvijena u prostoru u spiralnom smjeru, lijevo ili desno. Metalni odsjaj leđa takve bube, kada se gleda kroz poseban filter koji otkriva kružnu polarizaciju, ispada da je ljevoruk. Sve ove bube pripadaju porodici skarabeja, a kakvo je biološko značenje opisane pojave još nije poznato.

Mario Gliozzi

Ranije se govorilo o fenomenu koji je otkrio Huygens, čije objašnjenje, kako je sam iskreno izjavio, nije mogao dati. Zraka svjetlosti koja je prošla kroz islandski špart kristal poprima neko posebno svojstvo, zbog čega, kada udari u drugi islandski špart kristal glavnog presjeka paralelnog s prvim, više ne doživljava dvostruko prelamanje, već obično. Ako se ovaj drugi spar kristal zarotira, tada će se ponovo dogoditi dvostruko prelamanje, ali intenzitet oba prelomljena zraka ovisit će o kutu rotacije.

Prvi put XIX godina stoljeća, francuski vojni inženjer Etienne Malus (1775-1812) počeo je proučavati ovaj fenomen, koji je 1808. otkrio da svjetlost reflektirana od vode pod uglom od 52 ° 45 "ima isto svojstvo kao i svjetlost koja se prenosi kroz islandski špart kristal , a reflektirajuća površina je, takoreći, glavni dio kristala.

Ova pojava je također uočena kada se reflektira od bilo koje druge tvari, ali je traženi upadni ugao varirao ovisno o indeksu prelamanja tvari. U slučaju refleksije od metalne površine, slika je bila složenija.

IN sljedeći rad, napisan iste godine, Malus, eksperimentišući sa polariskopom, koji se i danas opisuje u udžbenicima fizike pod nazivom "Bio polariskop" i koji se sastoji od dva zrcala postavljena pod uglom, dolazi do formulacije poznatog zakona koji nosi njegovo ime.

Upravo u vrijeme kada je Malus provodio svoja istraživanja, Pariška akademija nauka raspisala je konkurs (1808.) za najbolju matematičku teoriju dvoloma, potvrđenu iskustvom. Malus je učestvovao na ovom takmičenju i za svoje je dobio nagradu istorijsko značenje djelo "Theorie de la double refraction de la lumiere dans les substances cristalisees" ("Teorija dvostrukog prelamanja svjetlosti u kristalne supstance"), objavljen 1810. U njemu Malus opisuje svoje otkriće i zakon koji je pronašao; da bi ga objasnio, prihvata Newtonovu tačku gledišta "ne kao neospornu istinu", već samo kao hipotezu koja vam omogućava da izračunate fenomen Izjavljujući se, dakle, kao pristalica korpuskularne teorije svjetlosti, Malus pokušava pronaći objašnjenje u polarnosti svjetlosnih čestica, koje Newton ukratko pominje u pitanju 26. U prirodnom svjetlu, kako se sada naziva, svjetlosna tijela su orijentisani u svim pravcima, prolazeći kroz dvolomni kristal ili reflektujući, orijentisani su u određenom Malusu zvanom svetlost u kome su korpuskule određene orijentacije polarizovane, reč i njene izvedenice koje su ostale u fizici do danas.

Studije polarizacije svjetlosti koje je započeo Malus nastavili su u Francuskoj Biot i Arago, au Engleskoj Brewster, koji je svojedobno bio poznatiji po izumu kaleidoskopa (1817.) važna otkrića u oblasti kristalne optike. Godine 1811. Malus, Biot i Brewster su neovisno otkrili da je reflektirani snop također djelomično polariziran.

Godine 1815., David Brewster (1781-1868) dopunio je ove studije otkrićem zakona koji nosi njegovo ime: reflektirani snop je potpuno polariziran (a odgovarajući prelomljeni snop ima maksimalnu polarizaciju) kada su reflektirani i prelomljeni snop okomiti na svaki ostalo.

Dominique Francois Arago (1786-1853) ustanovio je polarizaciju svjetlosti polumjeseca, kometa, duga, čime je još jednom potvrdio da je sve to reflektovana sunčeva svjetlost. Polarizovana je i svetlost koju emituje pod kosim uglovima vruća tečnost i čvrsta tela, što dokazuje da ova svjetlost dolazi iz unutrašnjih slojeva materije i da se prelama, gaseći se. Ali najvažnije i najpoznatije Aragovo otkriće je kromatska polarizacija koju je otkrio 1811. Postavljanjem ploče od gorskog kristala debljine 6 mm na putanju polarizovanog snopa i posmatranjem snopa koji prolazi kroz nju kroz špart kristal, Arago je dobio dve slike obojene komplementarnim bojama. Boja obje slike se nije promijenila kada se ploča rotirala, ali se promijenila kada je rotirajući kristal spar, a obje boje su uvijek ostale komplementarne. Dakle, ako je jedna od slika prvo bila crvena na određenom položaju kristala spar, onda kada je rotirana, postala je sukcesivno narandžasta, žuta, zelena, itd. Biot je ponovio ovaj eksperiment 1812. i pokazao da je kut rotacije Spar kristal potreban da bi se dobila određena boja slike, proporcionalan je debljini ploče. Osim toga, 1815. godine Biot je otkrio fenomen kružne polarizacije i prisutnost desnorotirajućih i levorotacijskih supstanci.

Iste godine, Biot je otkrio da turmalin ima dvostruku refrakciju i sposobnost da apsorbuje običan snop i prenosi samo izvanredan. Na ovom fenomenu su se bazirale poznate "turmalinske klešta" koje je dizajnirao Herschel 1820. godine, najjednostavniji polarizacijski uređaj, koji je ostao nepromijenjen do danas. Najveća neugodnost ovog uređaja bila je bojanje zraka. Prizma koju je 1820. predložio engleski fizičar William Nicol (1768-1851) nema ovaj nedostatak. Nikolova prizma takođe propušta samo izvanrednu zraku. Kombinaciju dva takva "nikola", kako se danas zovu ove dvolomne prizme, u jedan uređaj, koji još uvijek ima najširu primjenu, izveo je sam Nicol 1839. godine.

Dakle, glavni fenomen polarizacije svjetlosti, koja je ogromna i zanimljiva grana fizike, sada uključena u sve udžbenike, otkrili su francuski fizičari za sedam godina, od 1808. do 1815. godine. zastavom korpuskularne teorije, činilo se da ona u ovim fenomenima dobija još jednu potvrdu.

Sada je vrijeme da razgovaramo o tome šta je suština polarizacija svetlosti .

U najopštijem smislu, ispravnije je govoriti o polarizaciji talasa. Polarizacija svjetlosti, kao pojava, poseban je slučaj polarizacije valova. Na kraju krajeva, svjetlost je elektromagnetno zračenje u opsegu koji percipira ljudsko oko.

Šta je polarizacija svjetlosti

Polarizacija je karakteristika poprečnih talasa. Opisuje položaj vektora oscilirajuće veličine u ravni koja je okomita na pravac širenja talasa.

Ako ova tema nije bila na predavanjima na fakultetu, onda ćete se vjerovatno pitati: koja je to oscilirajuća veličina i na koji smjer je okomita?

Kako izgleda širenje svjetlosti ako ovo pitanje pogledate iz ugla fizike? Kako, gdje i šta oscilira i kuda leti?

Svjetlost je elektromagnetski val koji karakteriziraju vektori intenziteta električno polje E i vektor napetosti magnetsko polje H . Između ostalog, Zanimljivosti o prirodi svjetlosti možete pronaći u našem članku.

Prema teoriji Maxwell , svjetlosni talasi su poprečni. To znači da su vektori E I H su međusobno okomite i osciliraju okomito na vektor brzine širenja talasa.

Polarizacija se opaža samo kod poprečnih talasa.

Za opis polarizacije svjetlosti dovoljno je znati položaj samo jednog od vektora. Obično se za to uzima u obzir vektor E .

Ako su pravci oscilacija vektora svetlosti nekako uređeni, kaže se da je svetlost polarizovana.

Uzmite svjetlo na gornjoj slici. Svakako je polarizovan, budući da je vektor E oscilira u istoj ravni.

Ako je vektor E oscilira u različitim ravnima sa istom vjerovatnoćom, onda se takva svjetlost naziva prirodnom.

Po definiciji, polarizacija svjetlosti je odvajanje zraka od prirodne svjetlosti uz određenu orijentaciju električnog vektora.

Između ostalog! Za naše čitaoce sada postoji popust od 10%. bilo kakvu vrstu posla

Odakle dolazi polarizirana svjetlost?

Svjetlost koju vidimo oko sebe najčešće je nepolarizirana. Svjetlost od sijalica, sunčeva svjetlost, je svjetlost u kojoj vektor intenziteta oscilira u svim mogućim smjerovima. Ali ako je vaš posao da cijeli dan buljite u LCD monitor, znate da vidite polarizirano svjetlo.

Da biste promatrali fenomen polarizacije svjetlosti, potrebno je proći prirodnu svjetlost kroz anizotropni medij, koji se naziva polarizator i "presijeca" nepotrebne smjerove vibracija, ostavljajući jedan.

Anizotropni medij je medij koji ima različita svojstva ovisno o smjeru unutar tog medija.

Kristali se koriste kao polarizatori. Jedan od prirodnih kristala, koji se često i dugo koristi u eksperimentima proučavanja polarizacije svjetlosti - turmalin.

Drugi način za dobivanje polarizirane svjetlosti je refleksija od dielektrika. Kada svjetlost padne na sučelje između dva medija, snop se dijeli na reflektiran i prelomljen. U ovom slučaju, zraci su djelimično polarizovani, a stepen njihove polarizacije zavisi od upadnog ugla.

Odnos između upadnog ugla i stepena polarizacije svetlosti izražava se sa Brewsterov zakon .

Kada svjetlost pada na sučelje pod uglom čiji je tangent jednak relativnom indeksu prelamanja dva medija, reflektirani snop je linearno polariziran, a prelomljeni zrak je djelomično polariziran, s vibracijama koje dominiraju u ravni upada zraka.

Linearno polarizirana svjetlost je svjetlost koja je polarizirana tako da je vektor E oscilira samo u jednoj specifičnoj ravni.

Praktična primjena fenomena polarizacije svjetlosti

Polarizacija svjetlosti nije samo fenomen koji je zanimljiv za proučavanje. Široko se koristi u praksi.

Primjer koji je skoro svima poznat je 3D bioskop. Drugi primjer su polarizirane naočale, u kojima se odsjaj sunca na vodi ne vidi, a farovi nadolazećih automobila ne zasljepljuju vozača. Polarizacijski filteri se koriste u fotografskoj tehnologiji, a polarizacija valova se koristi za prijenos signala između antena svemirskih letjelica.

Polarizaciju nije najteže razumjeti prirodni fenomen. Mada ako zakopate duboko i počnete se temeljno baviti fizički zakoni kojima se ona povinuje, mogu nastati poteškoće.

Kako ne biste gubili vrijeme i što brže savladali poteškoće, potražite savjet i pomoć od naših autora. Pomoći ćemo vam da dovršite sažetak laboratorijski rad, rješavati kontrolne zadatke na temu "polarizacija svjetlosti".

Ciljevi:

edukativni:

1. Proširite svoje razumijevanje prirodnog svjetla.
2. Definirajte fenomen polarizacije svjetlosti.
3. Pokazati učenicima važnost poprečnih svojstava svjetlosti za dokazivanje elektromagnetne prirode svjetlosti.

edukativni: Obrazovanje svjetonazorskog mišljenja.

u razvoju: Razvijanje samostalnog mišljenja, inteligencije, sposobnosti sistematizacije gradiva, formulisanja zaključaka o proučavanom materijalu.

Demo snimke:

Glavni sadržaj materijala: Definicija fenomena polarizacije. Koncept prirodnog i polariziranog svjetla. Poprečni svetlosni talasi. Dokaz elektromagnetne prirode svjetlosti. Polaroidi, njihova primjena, polarizator.

Plan.

1. Istorija otkrića polarizacije.
2. Koncept prirodne i linearno polarizovane svetlosti.
3. Vrijednost polarizacije za dokazivanje elektromagnetne prirode svjetlosti.
4. Analogija oscilacija svjetlosnog vala sa mehaničkim oscilacijama.
5. Polarizacija svjetlosti tokom refleksije i prelamanja.
6. Optička aktivnost materije i rotacija ravni polarizacije.
7. Primjena fenomena polarizacije.
8. Rezimirajući.

Tokom nastave

Tema predavanja ispisuje se na tabli, najavljuje se cilj, izgovara se struktura izlaganja gradiva. Na tabli su ispisana kontrolna pitanja na koja učenici moraju odgovoriti nakon prezentacije gradiva od strane nastavnika. Polarizacija - grčki "polos", lat. "polus" - kraj ose, pol.

Učitelj: Koncept polarizacije svjetlosti je u optiku uveo engleski naučnik Isaac Newton 1706. godine, a objasnio ga je James Clerk Maxwell. U fazi razvoja talasne prirode svetlosti, priroda svetlosnih talasa je bila nepoznata, iako su se eksperimentalne činjenice gomilale u prilog transverzalnoj prirodi elektromagnetnih talasa.

Učitelju. Radeći domaći zadatak, bilo je potrebno ponoviti pojmove: elektromagnetski talas, poprečni talas, Maksvelovu hipotezu o elektromagnetnim talasima, talasni niz, prirodna svetlost, kristalna anizotropija.

Šta je elektromagnetski talas?

Student. Elektromagnetski talas je međusobno povezano oscilovanje vektora električnog i magnetnog polja, okomito jedno na drugo i na pravac širenja talasa.

Šta je poprečni talas?

Poprečni val je val u kojem je smjer oscilacija čestica okomit na smjer širenja vala.

Šta su elektromagnetski talasi sa stanovišta Maksvelove hipoteze?

Prema Maxwellovoj hipotezi, elektromagnetski valovi se šire u prostoru konačnom brzinom - brzinom svjetlosti c=3 i poprečni su.

Šta je talasni voz?

Talasni niz je talas koji emituje pojedinačni atom za vreme u kome je atom u pobuđenom stanju: t=s.

Učitelju. Šta je prirodno svjetlo?

Student. Prirodna svjetlost je ukupno elektromagnetno zračenje mnogih atoma, tako da je svjetlosni val skup nizova valova sa nasumično promjenjivom fazom.

Svjetlost, u kojoj vektor svjetlosti nasumično simultano fluktuira u svim smjerovima okomitim na snop, naziva se prirodnom.

Šta je kristalna anizotropija?

Anizotropija je zavisnost fizička svojstva kristal iz pravca.

Učitelju.

Po prvi put eksperimente o polarizaciji svjetlosti sa islandskom špagom je napravio holandski naučnik H. Huygens 1690. Prolazeći svjetlosni snop kroz islandsku špagu, Huygens otkriva poprečnu anizotropiju svjetlosnog snopa, zbog anizotropije snopa svjetlosti. svojstva kristala. Ovaj fenomen se naziva dvolom. Ako se kristal rotira u odnosu na smjer početnog snopa, tada se oba snopa rotiraju nakon što napuste kristal. Godine 1809. francuski inženjer E. Malus otkrio je zakon nazvan po njemu. U Malusovim eksperimentima, svjetlost je sukcesivno prolazila kroz dvije identične turmalinske ploče. Svjetlost je usmjerena okomito na površinu kristala turmalina rezanog paralelno s optičkom osom. Kada se kristal rotira oko ose snopa, ne dolazi do promjene intenziteta svjetlosnog snopa. Ako se drugi, identičan prvom, kristal turmalina postavi na putanju snopa, tada intenzitet svjetlosti koja se prenosi kroz ove ploče varira ovisno o kutu α između osa kristala prema Malusovom zakonu:

Pokazalo se da je intenzitet propuštene svjetlosti direktno proporcionalan φ. IN longitudinalni talas svi pravci u ravni okomitoj na snop su jednaki, tako da ni Malusov zakon ni dvolomnost ne bi mogli objasniti ovu pojavu sa stanovišta longitudinalnih talasa.

Učitelju. Na putu sunčeve svjetlosti možete staviti poseban uređaj - polarizator, koji odabire jedan od svih smjerova vektorskih oscilacija. Svjetlost, u kojoj je smjer vektorskih oscilacija striktno fiksiran, naziva se linearno polarizirana ili ravninsko polarizirana.

Pod polarizacijom svjetlosti podrazumijeva se odvajanje svjetlosnih vibracija od prirodne svjetlosti sa određenim smjerom električnog vektora.

Eksperiment sa dva polaroida, lampom, ekranom.

Napravimo eksperiment s dvije identične pravokutne turmalinske ploče isječene od kristala paralelno njegovoj optičkoj osi. Optička osa kristala je pravac paralelan sa ravninom u kojoj oscilira vektor svjetlosti.

Stavimo jednu ploču na drugu tako da im se osi poklapaju u smjeru. Propustimo uski snop svjetlosti kroz presavijeni par.

Rotiraćemo jednu od ploča, pri čemu napominjemo da jačina svetlosnog toka slabi i da se svetlost gasi kada se ploča rotira za 90°, tj. ugao između optičkih osa kristala će biti 90°. Daljnjom rotacijom ploče, propušteni svjetlosni tok će ponovo početi rasti, a kada se ploča okrene za 180 °, intenzitet svjetlosnog toka će ponovo postati isti. Vraćajući se u prvobitni položaj, snop ponovo slabi, prolazi kroz minimum i dostiže svoj prethodni intenzitet kada se ploča vrati u prvobitni položaj. Dakle, kada se ploča zarotira za 360 °, svjetlina svjetlosnog toka koji prolazi kroz obje ploče dostiže "max" dva puta i "min" dva puta.

Učitelj: Koji je razlog za promjenu svjetline svjetlosnog toka? Imajte na umu da rezultat ne ovisi o tome koji od kristala rotira i koliko su udaljeni jedan od drugog. Hajde da ponovimo eksperiment.

Rotiraćemo prvi kristal oko grede.

Postoji li promjena u svjetlini?

student: br.

Učitelj: Drugi kristal ćemo rotirati u odnosu na snop. šta vidimo?

student: Vidimo da se jačina svetlosnog toka menja.

Učitelj:Šta se može reći o svetlosnom talasu koji dolazi iz izvora svetlosti? Koja je njegova razlika od vala koji je prošao kroz prvi kristal?

student: Kristal turmalina je sposoban da prenosi svjetlosne vibracije samo kada su usmjerene na određeni način u odnosu na njegovu os.

Svjetlosni val koji dolazi iz izvora svjetlosti je poprečan, a prvi kristal, budući da je anizotropan, prenosi svjetlosne vibracije koje leže u jednoj specifičnoj ravni paralelnoj s optičkom osi, dakle, kada se drugi kristal rotira za 90°, kada je kut između optičkih ose je 90°, svjetlo se gasi.

Učitelj: Djelovanje turmalinske ploče je da prenosi vibracije čiji je električni vektor paralelan optičkoj osi. Oscilacije čiji je vektor okomit na optičku osu apsorbuje ploča. Fenomen polarizacije dokazuje da je svjetlost poprečni val. Zaključujemo da je svjetlosni val poseban slučaj elektromagnetnog vala.

Ravan u kojoj se javljaju svjetlosne vibracije nakon napuštanja kristala je ravan vibracija.

Ravan polarizacije je ravan u kojoj oscilira vektor indukcije.

Svjetlosni val koji je prošao kroz prvi kristal je linearno polariziran ili ravno polariziran.

Unos u bilježnicu: 1)Maxwellova hipoteza:

a) c= je brzina svjetlosti.

Radi boljeg razumijevanja, napravimo analogiju između oscilacija svjetlosnog vala i mehaničkih oscilacija.

Iskustvo. Ako je gumeni kabel pričvršćen na rotor generatora elektromotora, tada će kabel oscilirati u svim smjerovima, slično oscilaciji vektora intenziteta. Na stazi kabela stavite okomiti utor.

šta vidimo?

student: Proći će samo one vibracije čiji su smjerovi okomiti i paralelni s utorom.

Polarizacija svjetlosti se uočava tokom fenomena refleksije i prelamanja, tj. kada svjetlosni val padne na sučelje između medija. U reflektiranom snopu preovlađuju oscilacije okomite na upadnu ravan, a u prelomljenom - paralelne ravni pada.

Ako se svjetlosni val širi u homogenom mediju, onda ne dolazi do polarizacije svjetlosti. Svjetlost je djelomično polarizirana nakon refleksije od dielektrične površine.

Svjetlosni val koji prolazi kroz otopine šećera, glukoze, niza kiselina ima rotaciju ravnine polarizacije. Ugao rotacije proporcionalan je koncentraciji tvari u otopini. Takva rješenja su optički aktivna. Stupanj optičke aktivnosti u različitim supstancama je različit. Polarimetri se koriste za mjerenje ugla rotacije. Za sve aktivne supstance, ugao rotacije ravni oscilovanja je proporcionalan debljini sloja i koncentraciji rastvora.

Unos u bilježnicu:

Optički aktivne supstance: šećer, glukoza, neke kiseline.

Ugao rotacije ravni oscilovanja: ,

TO– specifična rotacija;
od- koncentracija,
l je debljina sloja.

Polarimetar– uređaj za mjerenje ugla rotacije ravni polarizacije u optički aktivnim supstancama.

Primjena polarizacije.

Upotreba polarimetara:

1. in Prehrambena industrija određivanje koncentracije otopine, šećera (saharimetara), proteina, raznih organskih kiselina;
2. u medicini za određivanje koncentracije šećera u krvi po kutu rotacije ravnine polarizacije;

Korištenje polaroida:

1. kod registracije izloga, pozorišne kulise;
2. kada fotografirate kako biste uklonili odsjaj pomoću polarizacijskih filtera;
3. u geofizici - u proučavanju svojstava oblaka u određivanju karakteristika polarizacije svjetlosti raspršene oblacima.
4. U svemirskim istraživanjima, kada fotografišu magline u polarizovanom svetlu, proučavaju strukturu magnetnih polja.
5. U motornom transportu - za zaštitu vozača od zasljepljujućeg efekta farova nadolazećih vozila.
6. U inženjerskoj upotrebi fotoelastična metoda a - proučavanje napona koji nastaju u dijelovima mašina.

Ukratko sumiramo odgovarajući na pitanja (slajd)

1. Koje se svojstvo svjetlosnih valova dokazuje fenomenom polarizacije?
2. Šta se zove polarizacija?
3. Šta je zračenje pojedinačnog atoma?
4. Šta je prirodno svjetlo?
5. Zašto fenomen polarizacije svjetlosti dokazuje da je svjetlost poseban slučaj elektromagnetnog talasa?
6. Svetlost reflektovana od površine vode delimično je polarizovana. Kako to provjeriti pomoću polaroida?

Zaključak.

Učitelju: Koje ste osobine svetlosnih talasa upoznali na lekciji?

Na lekciji smo se upoznali sa svojstvom svetlosnih talasa – polarizacijom. Polarizacija svetlosnih talasa tokom prolaska svetlosti kroz anizotropne medije - kristale eksperimentalno dokazuje poprečnost svetlosnih talasa.

Svjetlosni val u kojem se oscilacije svjetlosnog vektora javljaju u određenoj ravni naziva se polarizirani. Svjetlost koju proizvodi prirodni izvor nije polarizirana.

književnost:

1. N.M. Godzhaev "Optics", - Moskva: " srednja škola“, 1977.
2. Myakishev, A.Z. Sinyakov, B.A. Slobodskov. Fizika, Optika, - Moskva: "Viša škola", 2003.
3. AA. Pinski fizika, 11. razred, - Moskva: "Prosvjeta", 2002.

polarizacija svetlosti. Osnovne teorijske informacije

Fenomen polarizacije svetlosti je fenomen pojave određene orijentacije vektora svetlosnog talasa u prostoru [glavna literatura 1, 2, 3] .

Iz Maksvelove teorije je poznato da je elektromagnetski talas poprečan, tj., gde je pravac širenja talasa. Orijentacija vektora u ravni može se odrediti sljedećim razmišljanjima i zapažanjima.

Pretpostavimo prvo da je vektor(sl. 1) fiksno, tj. ne mijenja svoj položaj u ravni okomitoj na smjer širenja talasa. U ovom slučaju, projekcije vektora na različite ravnine koje prolaze x, biće drugačije.

Rice. 1. i - dvije proizvoljne ravni koje prolaze kroz pravac prostiranja talasa x

Na primjer, na sl. 1 u kv. , i u kv. , gdje je ugao između ravnina i .

Razlika u projekcijama vektora na ravan i treba da dovede do činjenice da će talas pokazati različita svojstva u odnosu na ravni i .

iskustvo: u opštem slučaju, talasi koji se šire direktno iz izvora ne pokazuju takva svojstva. Dobivena eksperimentalna činjenica znači da gornja pretpostavka o fiksnom položaju vektora u ravni okomitoj na pravac širenja talasa ne odgovara stvarnosti.

Takav zaključak je u skladu sa prirodom zračenja. Svjetlosni val iz prirodnog izvora sastoji se od mnogih nizova valova koje emituju pojedinačni atomi. Ravan oscilovanja (tj. ravnina povučena kroz smjer valnog vektora i smjer snopa) za svaki niz je nasumično orijentirana. Stoga su u prirodnom svjetlu, u ravni okomitoj na snop, istovremeno prisutne oscilacije svih mogućih smjerova vektora (slika 2). Vjerovatnoće njihove realizacije su iste.

Rice. 2. Vektorski snimak prirodno svjetlo u ravni okomitoj na smjer širenja talasa

Stoga će vrijednost vektora , usrednjena tokom vremena posmatranja, biti ista u bilo kojoj ravni koja prolazi kroz smjer zraka. To bi trebalo rezultirati da val pokazuje ista svojstva u odnosu na bilo koju od ovih ravnina. To je upravo ono što se uočava u iskustvu.

Radi lakše analize nekih procesa manifestacije svjetlosti, prirodno svjetlo se može smatrati poprečnim valom koji proizlazi iz svih vlakova, koji se može smatrati monokromatskim, u kojem se smjer vektora u ravnini okomitoj na smjer širenja brzo i nasumično kreće zamjenjuju jedno drugo [Dopunska literatura 2, 3]