V. MURAKHVERI

A fénypolarizáció jelensége, amelyet mind az iskolai, mind az intézeti fizikatanfolyamokon tanulmányoznak, sokunk emlékezetében olyan kíváncsiságként őrződik meg, amely a technológiában alkalmazható, de nem találkozunk vele. Mindennapi élet optikai jelenség. G. Kennen holland fizikus a Natuur en Techniek folyóiratban megjelent cikkében kimutatja, hogy ez messze nem így van – a polarizált fény szó szerint körülvesz bennünket.

Az emberi szem nagyon érzékeny a fény színére (azaz a hullámhosszára) és a fényességére, de a fény harmadik jellemzője, a polarizáció gyakorlatilag elérhetetlen számára. Polarizációs vakságban szenvedünk.

Ebből a szempontból az állatvilág egyes képviselői sokkal tökéletesebbek nálunk. Például a méhek a fény polarizációját majdnem olyan jól megkülönböztetik, mint a színt vagy a fényerőt. És mivel a polarizált fény gyakran megtalálható a természetben, megadatott nekik, hogy olyasmit lássanak a körülöttük lévő világban, ami az emberi szem számára teljesen hozzáférhetetlen.

El lehet magyarázni az embernek, hogy mi a polarizáció, speciális fényszűrők segítségével láthatja, hogyan változik a fény, ha „levonjuk” belőle a polarizációt, de láthatóan nem tudjuk elképzelni a világ „szemével” való képét. egy méh” (főleg, hogy a rovarok látása eltér az emberétől és sok más tekintetben is).

Rizs. egy. Az ember (balra) és az ízeltlábúak (jobbra) vizuális receptorainak szerkezeti vázlata. Emberben a rodopszin molekulák véletlenszerűen vannak elrendezve az intracelluláris membrán redőivel, ízeltlábúakban - a sejt kinövéseiben, tiszta sorokban.

A polarizáció a fényhullám oszcillációinak térbeli orientációja. Ezek a rezgések merőlegesek a fénysugár irányára. Az elemi fényrészecske (fénykvantum) olyan hullám, amely az áttekinthetőség kedvéért egy olyan hullámhoz hasonlítható, amely akkor fut végig egy kötélen, ha az egyik végének rögzítése után megrázza a másikat a kezével. A kötélrezgés iránya eltérő lehet, attól függően, hogy melyik irányba kell rázni a kötelet. Ugyanígy a kvantumhullám rezgésének iránya is eltérő lehet. Egy fénysugár sok kvantumból áll. Ha a rezgéseik eltérőek, az ilyen fény nem polarizált, de ha minden kvantum pontosan azonos orientációjú, akkor a fényt teljesen polarizáltnak nevezzük. A polarizáció mértéke eltérő lehet attól függően, hogy a benne lévő kvantumok mely hányadának azonos az oszcillációs orientációja.

Vannak olyan szűrők, amelyek a fénynek csak azt a részét engedik át, amelynek hullámai meghatározott módon irányulnak. Ha egy ilyen szűrőn keresztül nézi a polarizált fényt, és elfordítja a szűrőt, az áteresztett fény fényereje megváltozik. Maximum akkor lesz, ha a szűrő áteresztési iránya egybeesik a fény polarizációjával, és minimális, ha ezek az irányok teljesen (90°-kal) eltérnek. Egy szűrő képes kimutatni a 10%-ot meghaladó polarizációt, a speciális berendezések pedig a 0,1%-os nagyságrendű polarizációt.

A polarizáló szűrőket vagy polaroidokat a fotókereskedésekben árusítják. Ha egy ilyen szűrőn keresztül tiszta kék eget nézünk (felhős állapotban a hatás sokkal kevésbé kifejezett) a Nap irányától körülbelül 90 fokban, vagyis úgy, hogy a Nap oldalt legyen, és ugyanakkor idővel fordítsa el a szűrőt, akkor jól látható, hogy a szűrő bizonyos helyén az égen egy sötét vonal jelenik meg. Ez az égbolt ezen területéről származó fény polarizációját jelzi.

A polaroid szűrő egy olyan jelenséget tár elénk, amelyet a méhek „egyszerű szemmel” látnak. De nem szabad azt gondolni, hogy a méhek ugyanazt a sötét csíkot látják az égen. Helyzetünk egy teljes színvak, a színeket nem látó emberéhez hasonlítható. Aki csak a feketét, fehéret és a szürke különféle árnyalatait tudja megkülönböztetni, az csak ránézésre képes a világ váltakozva különböző színű szűrőkön keresztül figyelje meg, hogy a világ képe valamelyest változik.

Például egy piros szűrőn keresztül egy piros mák másképp nézne ki a zöld fű hátterében, míg a sárga szűrőn a kék égen a fehér felhők erősebben kiemelkednének. De a szűrők nem segítenek a színvaknak megérteni, hogyan néz ki a világ egy színlátó ember számára. Csakúgy, mint a színvak szűrők, a polarizáló szűrők csak azt mondhatják el nekünk, hogy a fénynek van olyan tulajdonsága, amelyet a szem nem érzékel.

A kék ég felől érkező fény polarizációját egyesek szabad szemmel is észrevehetik. A híres szovjet fizikus akadémikus, S.I. Vavilov, az emberek 25 ... 30%-a rendelkezik ezzel a képességgel, bár sokan közülük nincsenek tisztában ezzel.

Poláros fényt kibocsátó felület (például ugyanaz a kék ég) megfigyelésekor az ilyen emberek a látómező közepén egy halvány sárga, lekerekített végű sávot észlelhetnek.

Rizs. 2.

A közepén és a szélein lévő kékes foltok még kevésbé észrevehetők. Ha a fény polarizációs síkja elfordul, akkor a sárga csík is forog. Mindig merőleges a fényrezgések irányára. Ez az úgynevezett Heidinger-figura, amelyet Heidinger német fizikus fedezett fel 1845-ben.

Az alak meglátásának képessége fejleszthető, ha legalább egyszer sikerül észrevenni. Érdekes módon Lev Tolsztoj 1855-ben, mivel nem ismerte Haidinger cikkét, amely kilenc évvel korábban jelent meg egy német fizikai folyóiratban, ezt írta (Ifjúság, XXXII. fejezet): „...akaratlanul is elhagyom a könyvet, és benézek a nyitott ajtón. az erkélyről, a magas nyírfák göndör lelógó ágaiba, amelyekre már lenyugszik az esti árnyék, és a tiszta égboltra, amelyen, ha figyelmesen nézel, hirtelen megjelenik és eltűnik egy poros sárgás folt...” Ilyen volt a nagy író megfigyelése.

Rizs. 3.

Polarizálatlan fényben (1) az elektromos és a mágneses komponensek rezgései nagyon eltérő síkban lépnek fel, ami az ábrán kiemelt kettőre redukálható. De a sugár terjedési útvonala mentén nincsenek rezgések (a fény a hanggal ellentétben nem dobás). Polarizált fényben (2) egy oszcillációs síkot különböztetünk meg.

Körben (körben) polarizált fényben ezt a síkot egy csavar (3) csavarja a térben. Egy egyszerűsített diagram megmagyarázza, hogy a visszavert fény miért polarizálódik (4). Mint már említettük, a nyalábban létező összes rezgéssík kettőre csökkenthető, ezeket nyilakkal jelöljük. Az egyik nyíl ránk néz, és hagyományosan pontként látható számunkra. A fény visszaverődése után a benne meglévő rezgések egyik iránya egybeesik a sugár új terjedési irányával, ill. elektromágneses rezgések nem irányíthatók a terjedési útjuk mentén.

A Haidinger figura sokkal tisztábban látható, ha zöld vagy kék szűrőn keresztül nézzük.

A tiszta égboltról érkező fény polarizációja csak egy példa a természetben előforduló polarizációs jelenségekre. Egy másik gyakori eset a visszavert fény polarizációja, a tükröződés, például a víz felszínén vagy az üvegvitrineken.

Valójában a fényképészeti polaroid szűrőket úgy tervezték, hogy a fotós szükség esetén kiküszöbölhesse ezeket a zavaró tükröződéseket (például egy sekély víztározó aljáról, vagy üveggel védett festmények és múzeumi kiállítások fényképezésekor). A polaroidok működése ezekben az esetekben azon alapul, hogy a visszavert fény ilyen vagy olyan mértékben polarizált (a polarizáció mértéke a fény beesési szögétől függ, és bizonyos szögben, amely különböző anyagoknál eltérő, a úgynevezett Brewster-szög, a visszavert fény teljesen polarizált). Ha most egy polaroid szűrőn keresztül nézzük a tükröződést, nem nehéz megtalálni a szűrőnek olyan fordulatát, amelynél a tükröződés teljesen vagy nagymértékben elnyomódik.

A polaroid szűrők használata a napszemüvegekben vagy szélvédőkben lehetővé teszi, hogy eltávolítsa a zavaró, vakító csillogást a tenger vagy a nedves autópálya felszínéről.

Miért polarizálódik a visszavert fény és a szórt égbolt fénye? A kérdésre adott teljes és matematikailag szigorú válasz egy kisebb tudományos ismeretterjesztő kiadvány keretein kívül esik (az olvasók a cikk végén felsorolt ​​szakirodalomban találhatják meg). A polarizáció ezekben az esetekben abból adódik, hogy a rezgések még a polarizálatlan nyalábban is bizonyos értelemben már „polarizáltak”: a fény a hanggal ellentétben nem longitudinális, hanem keresztirányú rezgések. A nyalábban nincs rezgés a terjedési útvonala mentén (lásd az ábrát). Az elektromágneses hullámok mágneses és elektromos összetevőinek rezgései egy polarizálatlan nyalábban a tengelyétől minden irányban irányulnak, de nem ezen a tengelyen. Ezen rezgések minden iránya kettőre csökkenthető, egymásra merőlegesen. Amikor a sugár visszaverődik a síkról, irányt változtat, és a két lengésirány egyike „tilos” lesz, mivel egybeesik a sugárterjedés új irányával. A sugár polarizálódik. Egy átlátszó anyagban a fény egy része mélyre megy, megtörik, és a megtört fény is polarizálódik, bár kisebb mértékben, mint a visszavert.

Az égbolt szórt fénye nem más, mint a napfény, amely többszörösen visszaverődött a levegőmolekulákról, vízcseppekben vagy jégkristályokban megtörve. Ezért a Naptól egy bizonyos irányban polarizált. A polarizáció nemcsak irányított visszaverődéssel (például a vízfelszínről), hanem diffúz visszaverődéssel is előfordul. Tehát egy polaroid szűrő segítségével könnyen ellenőrizhető, hogy az autópálya burkolatáról visszaverődő fény polarizált-e. Ebben az esetben elképesztő függőség működik: minél sötétebb a felület, annál polarizáltabb a róla visszaverődő fény.

Ezt a függőséget Umov törvényének nevezik, az orosz fizikus után, aki 1905-ben felfedezte. Az aszfaltos autópálya Umov törvényének megfelelően polarizáltabb, mint a beton, a nedves pedig polarizáltabb, mint a száraz. A nedves felület nem csak fényesebb, de sötétebb is, mint a száraz.

Vegye figyelembe, hogy a fémek felületéről visszaverődő fény (beleértve a tükröket is - elvégre minden tükör vékony fémréteggel van borítva) nem polarizált. Ez a fémek nagy vezetőképességének köszönhető, annak köszönhetően, hogy sokat tartalmaznak szabad elektronok. Az elektromágneses hullámok visszaverődése az ilyen felületekről másképpen történik, mint a dielektromos, nem vezető felületekről.

Az égbolt fényének polarizációját 1871-ben fedezték fel (más források szerint még 1809-ben is), de ennek a jelenségnek részletes elméleti magyarázata csak századunk közepén született. A viking utazások ókori skandináv mondáit tanulmányozó történészek azonban felfedezték, a bátor tengerészek majdnem ezer évvel ezelőtt az égbolt polarizációját használták a navigációhoz. Általában a Nap vezérletével vitorláztak, de amikor a nap összefüggő felhők mögé bújt, ami nem ritka az északi szélességi körökben, a vikingek egy speciális „napkövön” keresztül nézték az eget, amely lehetővé tette egy sötét sáv megtekintését. az égen a Nap irányától 90°-ban, ha a felhők nem túl sűrűek. Ebből a sávból meg tudod ítélni, hogy hol van a Nap. A „Napkő” nyilvánvalóan az egyik átlátszó, polarizációs tulajdonságokkal rendelkező ásvány (valószínűleg izlandi szár, amely Észak-Európában elterjedt), és a sötétebb sáv megjelenését az égen az magyarázza, hogy bár a Nap nem látszik mögötte. a felhők, a felhőkön áthatoló égbolt fénye némileg polarizált marad. Néhány évvel ezelőtt a történészek eme feltevésének próbája során egy pilóta egy kis repülőgépet repült Norvégiából Grönlandra, és navigációs eszközként csak a fényt polarizáló kordierit ásvány kristályát használta.

Már elmondták, hogy sok rovar – az emberrel ellentétben – látja a fény polarizációját. A méhek és hangyák, nem rosszabbak, mint a vikingek, ezt a képességüket használják a tájékozódásra olyan esetekben, amikor a Napot felhők borítják. Mi adja a rovarok szemének ezt a képességét? Az a tény, hogy az emlősök szemében (beleértve az embert is) a rodopszin fényérzékeny pigment molekulái véletlenszerűen helyezkednek el, és egy rovar szemében ugyanazok a molekulák rendezett sorokban helyezkednek el, egy irányba orientálva, ami lehetővé teszi számukra. hogy erősebben reagáljon arra a fényre, amelynek rezgései megfelelnek a molekulák elhelyezkedési síkjának. A Haidinger figura azért látható, mert retinánk egy részét vékony, párhuzamos rostok borítják, amelyek részben polarizálják a fényt.

Különös polarizációs hatások figyelhetők meg olyan ritka égi optikai jelenségeknél is, mint a szivárvány és a fényudvar. Azt a tényt, hogy a szivárvány fénye erősen polarizált, 1811-ben fedezték fel. A polaroid szűrő elforgatásával szinte láthatatlanná teheti a szivárványt. A halo fénye is polarizált - világító körök vagy ívek, amelyek néha megjelennek a Nap és a Hold körül. Mind a szivárvány, mind a halo képződésében a fénytörés mellett a fényvisszaverődés is részt vesz, és mindkét folyamat, mint már tudjuk, polarizációhoz vezet. Polarizált és bizonyos típusú aurora.

Végül meg kell jegyezni, hogy egyes csillagászati ​​objektumok fénye is polarizált. A leghíresebb példa a Rák-köd a Bika csillagképben. Az általa kibocsátott fény az úgynevezett szinkrotronsugárzás, amely akkor keletkezik, amikor a gyorsan repülő elektronokat mágneses tér lassítja. A szinkrotron sugárzás mindig polarizált.

Visszatérve a Földre, megjegyezzük, hogy egyes bogárfajok, amelyek fémes fényűek, a hátukról visszaverődő fényt polarizált körré alakítják. Ez a neve a polarizált fénynek, amelynek polarizációs síkja csavarodik a térben spirális irányban, balra vagy jobbra. Az ilyen bogár hátoldalának fémes tükröződése, ha egy speciális szűrőn keresztül nézzük, amely körkörös polarizációt mutat, balkezesnek bizonyul. Mindezek a bogarak a szkarabeuszok családjába tartoznak, hogy mi a leírt jelenség biológiai jelentése, egyelőre nem ismert.

Mario Gliozzi

Korábban szó esett a Huygens által felfedezett jelenségről, amelynek magyarázatát – őszintén kijelentette – nem tudta megadni. Egy izlandi sparkristályon áthaladó fénysugár olyan különleges tulajdonságra tesz szert, amelynek köszönhetően egy második, az elsővel párhuzamos főkeresztmetszetű izlandi sparkristályhoz érve már nem kettős törést tapasztal, hanem közönséges. Ha ezt a második sparkristályt elforgatjuk, akkor ismét kettős fénytörés következik be, de mindkét megtört sugár intenzitása a forgásszögtől függ.

Először XIX év században Etienne Malus (1775-1812) francia hadmérnök foglalkozott ezzel a jelenséggel, aki 1808-ban fedezte fel, hogy a vízről 52°45-ös szögben visszaverődő fénynek "ugyanaz a tulajdonsága, mint az izlandi sparkristályon áthaladó fény. , és a tükröző felület mintegy a kristály fő része.

Ez a jelenség bármely más anyagról visszaverve is megfigyelhető volt, de a szükséges beesési szög az anyag törésmutatójától függően változott. Fémfelületről való visszaverődés esetén a kép összetettebb volt.

BAN BEN következő munka Ugyanebben az évben írt Malus egy polariszkóppal kísérletezve, amelyet a fizika tankönyvek máig "Bio polariscope" néven írnak le, és két szögben elhelyezett tükörből áll, eljut a jól ismert törvény megfogalmazásához. neve.

Éppen abban az időben, amikor Malus kutatásait végezte, a Párizsi Tudományos Akadémia versenyt hirdetett (1808-ban) a kettős törés legjobb matematikai elméletére, amelyet tapasztalatok is alátámasztanak. Malus részt vett ezen a versenyen, és díjat kapott érte történelmi jelentése mű "Theorie de la double refraction de la lumiere dans les materials cristalisees" ("Theory of double refraction of light in kristályos anyagok"), 1810-ben jelent meg. Ebben Malus leírja felfedezését és az általa talált törvényt; ennek magyarázatára Newton álláspontját "nem vitathatatlan igazságként", hanem csak olyan hipotézisként fogadja el, amely lehetővé teszi a jelenség kiszámítását. Így vallván magát, Malus a fény korpuszkuláris elméletének támogatójaként a fénytestek polaritásában próbál magyarázatot találni, amit Newton a 26. kérdésben röviden megemlít. minden irányban orientálva, miközben áthaladnak egy kettős törő kristályon vagy visszaverődnek, egy bizonyos Malusban, az úgynevezett fényben tájolódnak, amelyben a testek bizonyos orientációja polarizálódik, egy szó és származékai a fizikában a mai napig megmaradtak.

A Malus által megkezdett fénypolarizációs vizsgálatokat Franciaországban Biot és Arago, Angliában pedig Brewster folytatta, aki egy időben a kaleidoszkóp feltalálásáról (1817) ismertebb volt, mint fontos felfedezések a kristályoptika területén. 1811-ben Malus, Biot és Brewster egymástól függetlenül felfedezték, hogy a visszavert sugár is részben polarizált.

1815-ben David Brewster (1781-1868) kiegészítette ezeket a tanulmányokat a nevét viselő törvény felfedezésével: a visszavert nyaláb teljesen polarizált (és a megfelelő megtört nyaláb maximális polarizációval rendelkezik), ha a visszavert és megtört nyaláb egymásra merőleges. Egyéb.

Dominique Francois Arago (1786-1853) megállapította a holdsarló, az üstökösök, a szivárvány fényének polarizációját, ezzel ismét megerősítve, hogy mindez visszavert napfény. Polarizált a forró folyadék által ferde szögben kibocsátott fény is szilárd testek, ami azt bizonyítja, hogy ez a fény az anyag belső rétegeiből jön, és megtörik, kialszik. De Arago legfontosabb és leghíresebb felfedezése az általa 1811-ben felfedezett kromatikus polarizáció. Egy 6 mm vastag hegyikristály lemezt egy polarizált sugár útjába helyezve és a rajta áthaladó sugarat egy sparkristályon keresztül megfigyelve Arago két egymást kiegészítő színekkel festett képet kapott. Mindkét kép színezése nem változott a lemez forgatásakor, de megváltozott a sparkristály forgatásakor, és mindkét szín mindig kiegészítette egymást. Tehát, ha az egyik kép először piros volt a sparkristály egy bizonyos pozíciójában, majd amikor elforgatták, egymás után narancssárga, sárga, zöld stb. lett. Biot megismételte ezt a kísérletet 1812-ben, és kimutatta, hogy a kristály forgásszöge a kép bizonyos színének eléréséhez szükséges sparkristály arányos a lemez vastagságával. Ezenkívül 1815-ben Biot felfedezte a cirkuláris polarizáció jelenségét, valamint a jobbra és balra forgató anyagok jelenlétét.

Ugyanebben az évben Biot megállapította, hogy a turmalin kettős fénytöréssel rendelkezik, és képes elnyelni egy közönséges sugarat és csak egy rendkívüli sugarat továbbítani. Ez a jelenség volt az alapja a jól ismert "turmalin fogónak", amelyet Herschel tervezett 1820-ban - a legegyszerűbb polarizáló eszközt, amely a mai napig változatlan. Ennek az eszköznek a legnagyobb kellemetlensége a sugár színezése volt. Az 1820-ban William Nicol (1768-1851) angol fizikus által javasolt prizma nem rendelkezik ezzel a hiányossággal. A Nicol prizma is csak a rendkívüli sugarat engedi át. Két ilyen „nikol”, ahogy ezeket a kettőstörő prizmákat ma is nevezik, egyetlen eszközbe, még mindig a legszélesebb körben történő kombinálását maga Nicol végezte el 1839-ben.

Így a fénypolarizáció fő jelenségeit, amely a fizika hatalmas és érdekes ága, és ma már minden tankönyvben megtalálható, francia fizikusok fedezték fel hét év alatt, 1808 és 1815 között. És mivel az ilyen érdekes jelenségek felfedezése a a korpuszkuláris elmélet zászlaja, úgy tűnt, hogy ezekben a jelenségekben még egy megerősítést kap.

Itt az ideje, hogy beszéljünk arról, mi a lényeg fénypolarizáció .

A legáltalánosabb értelemben helyesebb hullámpolarizációról beszélni. A fénypolarizáció, mint jelenség, a hullámpolarizáció speciális esete. Végül is a fény elektromágneses sugárzás az emberi szem által érzékelt tartományban.

Mi a fénypolarizáció

Polarizáció a keresztirányú hullámok jellemzője. Egy oszcilláló mennyiség vektorának helyzetét írja le a hullámterjedés irányára merőleges síkban.

Ha ez a téma nem volt az egyetemen előadásokon, akkor valószínűleg felteszi a kérdést: mi ez az oszcilláló mennyiség, és milyen irányba merőleges?

Hogyan néz ki a fény terjedése, ha a fizika szemszögéből nézzük ezt a kérdést? Hogyan, hol és mi oszcillál, és hova repül?

A fény egy elektromágneses hullám, amelyet intenzitásvektorok jellemeznek elektromos mező E és feszültség vektor mágneses mező H . Mellesleg, Érdekes tények a fény természetéről cikkünkben olvashat.

Az elmélet szerint Maxwell , a fényhullámok keresztirányúak. Ez azt jelenti, hogy a vektorok E És H egymásra merőlegesek és merőlegesen rezegnek a hullámterjedés sebességvektorára.

Polarizáció csak a keresztirányú hullámoknál figyelhető meg.

A fény polarizációjának leírásához elegendő csak az egyik vektor helyzetét ismerni. Általában ehhez a vektort veszik figyelembe E .

Ha a fényvektor rezgési irányai valamilyen módon rendezettek, akkor azt mondjuk, hogy a fény polarizált.

Vegye ki a fényt a fenti ábrán. Természetesen polarizált, mivel a vektor E ugyanabban a síkban oszcillál.

Ha a vektor E azonos valószínűséggel rezeg különböző síkban, akkor az ilyen fényt természetesnek nevezzük.

Definíció szerint a fény polarizációja a sugarak elválasztása a természetes fénytől az elektromos vektor bizonyos orientációjával.

Mellesleg! Olvasóink most 10% kedvezményt kapnak bármilyen munka

Honnan jön a polarizált fény?

A magunk körül látható fény legtöbbször polarizálatlan. Az izzók fénye, a napfény olyan fény, amelyben a feszültségvektor minden lehetséges irányban rezeg. De ha az a feladata, hogy egész nap az LCD monitort bámulja, akkor tudja, hogy polarizált fényt lát.

A fénypolarizáció jelenségének megfigyeléséhez a természetes fényt egy anizotróp közegen kell átengedni, amelyet polarizátornak neveznek, és "levágja" a szükségtelen rezgések irányait, így hagyva egyet.

Az anizotróp közeg olyan közeg, amely a közeg irányától függően eltérő tulajdonságokkal rendelkezik.

A kristályokat polarizátorként használják. Az egyik természetes kristály, amelyet gyakran és sokáig használnak a fénypolarizáció tanulmányozására irányuló kísérletekben - turmalin.

A polarizált fény másik módja a dielektrikumról való visszaverődés. Amikor fény esik a két közeg interfészére, a nyaláb visszavert és megtört részekre oszlik. Ebben az esetben a sugarak részben polarizáltak, és polarizációjuk mértéke a beesési szögtől függ.

A beesési szög és a fénypolarizáció mértéke közötti összefüggést a Brewster törvénye .

Ha a fény egy határfelületre olyan szögben esik, amelynek érintője megegyezik a két közeg relatív törésmutatójával, a visszavert sugár lineárisan polarizálódik, a megtört nyaláb pedig részben polarizálódik, és a rezgések dominálnak a sugár beesési síkjában.

A lineárisan polarizált fény olyan fény, amely úgy polarizált, hogy a vektor E csak egy meghatározott síkban oszcillál.

A fénypolarizáció jelenségének gyakorlati alkalmazása

A fény polarizációja nem csupán egy jelenség, amelyet érdekes tanulmányozni. A gyakorlatban széles körben alkalmazzák.

Szinte mindenki számára ismert példa a 3D mozi. Egy másik példa a polarizált szemüveg, amelyen nem látszik a vízen a nap csillogása, és a szembejövő autók fényszórói sem vakítják el a vezetőt. A fototechnikában polarizáló szűrőket, az űrhajók antennái közötti jelek továbbítására pedig hullámpolarizációt alkalmaznak.

A polarizációt nem a legnehezebb megérteni természeti jelenség. Bár ha mélyre ásol és elkezdesz alaposan foglalkozni vele fizikai törvények aminek engedelmeskedik, nehézségek adódhatnak.

Annak érdekében, hogy ne vesztegesse az időt és a lehető leggyorsabban leküzdje a nehézségeket, kérjen tanácsot és segítséget szerzőinktől. Segítünk az absztrakt kitöltésében laboratóriumi munka, vezérlési feladatok megoldása a „fénypolarizáció” témában.

Célok:

Nevelési:

1. Bővítse ismereteit a természetes fényről.
2. Határozza meg a fénypolarizáció jelenségét!
3. Mutasd meg a tanulóknak a fény keresztirányú tulajdonságainak fontosságát a fény elektromágneses természetének bizonyításához.

Nevelési: A világnézeti gondolkodásra nevelés.

Fejlesztés: Az önálló gondolkodás, az intelligencia fejlesztése, az anyag rendszerezésére, következtetések megfogalmazására való képesség a tanult anyagról.

Demok:

Az anyag fő tartalma: A polarizáció jelenségének meghatározása. A természetes és polarizált fény fogalma. Keresztirányú fényhullámok. A fény elektromágneses természetének bizonyítása. Polaroidok, alkalmazásuk, polarizátor.

Terv.

1. A polarizáció felfedezésének története.
2. A természetes és lineárisan polarizált fény fogalma.
3. A polarizáció értéke a fény elektromágneses természetének bizonyítására.
4. Fényhullám rezgésének analógiája mechanikai rezgésekkel.
5. A fény polarizációja a visszaverődés és a fénytörés során.
6. Az anyag optikai aktivitása és a polarizációs sík forgása.
7. A polarizáció jelenségének alkalmazása.
8. Összegzés.

Az órák alatt

A táblára felírják az előadás témáját, kihirdetik a célt, kimondják az anyag bemutatásának szerkezetét. A táblán írott ellenőrző kérdések találhatók, amelyekre a tanulóknak az anyag tanári bemutatása után kell válaszolniuk. Polarizáció - görög "polos", lat. "pólus" - a tengely vége, a pólus.

Tanár: A fénypolarizáció fogalmát Isaac Newton angol tudós vezette be 1706-ban az optikába, és James Clerk Maxwell magyarázta. A fény hullámtermészetének fejlődési szakaszában a fényhullámok természete ismeretlen volt, bár a kísérleti tények felhalmozódtak az elektromágneses hullámok keresztirányú természete mellett.

Tanár. A házi feladat elvégzése során meg kellett ismételni a fogalmakat: elektromágneses hullám, keresztirányú hullám, Maxwell hipotézise az elektromágneses hullámokról, hullámsor, természetes fény, kristály anizotrópia.

Mi az elektromágneses hullám?

Diák. Az elektromágneses hullám az elektromos és a mágneses mező vektorainak egymással összefüggő, egymásra és a hullámterjedés irányára merőleges oszcillációja.

Mi az a keresztirányú hullám?

A keresztirányú hullám olyan hullám, amelyben a részecskék rezgésének iránya merőleges a hullámterjedés irányára.

Mik az elektromágneses hullámok Maxwell hipotézise szempontjából?

Maxwell hipotézise szerint az elektromágneses hullámok véges sebességgel terjednek a térben - a fénysebesség c=3 és keresztirányúak.

Mi az a hullámvonat?

A hullámsorozat egy egyedi atom által kibocsátott hullám az alatt az idő alatt, amikor az atom gerjesztett állapotban van: t=s.

Tanár. Mi a természetes fény?

Diák. A természetes fény sok atom teljes elektromágneses sugárzása, így a fényhullám véletlenszerűen változó fázisú hullámsorok halmaza.

Természetesnek nevezzük a fényt, amelyben a fényvektor véletlenszerűen, egyidejűleg ingadozik a nyalábra merőleges minden irányban.

Mi a kristály anizotrópia?

Az anizotrópia egy függőség fizikai tulajdonságok kristály irányból.

Tanár.

H. Huygens holland tudós végzett 1690-ben először kísérleteket a fény polarizációjával az izlandi spárgával. Fénysugarat átengedve az izlandi száron Huygens felfedezi a fénysugár keresztirányú anizotrópiáját, ami a fénysugár anizotrópiájának köszönhető. a kristály tulajdonságai. Ezt a jelenséget kettős törésnek nevezik. Ha a kristályt a kezdeti sugár irányához képest elforgatjuk, akkor mindkét nyaláb elfordul a kristály elhagyása után. 1809-ben E. Malus francia mérnök felfedezett egy róla elnevezett törvényt. Malus kísérletei során a fényt egymás után két egyforma turmalinlemezen vezették át. A fény az optikai tengellyel párhuzamosan vágott turmalinkristály felületére merőlegesen irányul. Amikor a kristály a sugár tengelye körül forog, a fénysugár intenzitása nem változik. Ha egy második, az elsővel azonos turmalin kristályt helyezünk a sugár útjára, akkor az ezeken a lemezeken áthaladó fény intenzitása a kristályok tengelyei közötti α szögtől függően változik a Malus törvény szerint:

Kiderült, hogy az áteresztett fény intenzitása egyenesen arányos φ-vel. BAN BEN hosszanti hullám a nyalábra merőleges síkban minden irány egyenlő, így sem a Malus-törvény, sem a kettős törés nem magyarázhatja ezt a jelenséget a longitudinális hullámok szempontjából.

Tanár. A napfény útjába egy speciális eszközt helyezhet el - egy polarizátort, amely kiválasztja a vektoroszcilláció összes irányának egyikét. A fényt, amelyben a vektor rezgésének iránya szigorúan rögzített, lineárisan polarizáltnak vagy síkpolarizáltnak nevezzük.

A fény polarizációja alatt a fény rezgésének a természetes fénytől való elválasztását értjük az elektromos vektor bizonyos irányával.

Kísérlet két polaroiddal, lámpával, képernyővel.

Végezzünk egy kísérletet két egyforma téglalap alakú turmalinlappal, amelyeket egy kristályból vágunk ki az optikai tengelyével párhuzamosan. A kristály optikai tengelye az az irány, amely párhuzamos azzal a síkkal, amelyben a fényvektor oszcillál.

Tegyünk egyik lemezt a másikra úgy, hogy a tengelyük egybeessen. Vezessünk át egy keskeny fénysugarat az összehajtott páron.

Elforgatjuk az egyik lemezt, miközben megjegyezzük, hogy a fényáram fényereje gyengül, és a fény kialszik, ha a lemez 90 ° -kal elfordul, azaz. a kristályok optikai tengelyei közötti szög 90° lesz. A lemez további forgatásával az áteresztett fényáram ismét növekedni kezd, és amikor a lemez 180 ° -kal elfordul, a fényáram intenzitása ismét azonos lesz. Az eredeti helyzetébe visszatérve a nyaláb ismét gyengül, áthalad egy minimumon, és a lemez eredeti helyzetébe való visszatérésekor éri el korábbi intenzitását. Így a lemez 360°-os elforgatásakor a mindkét lemezen áthaladó fényáram fényereje kétszer eléri a „max”-ot és kétszer a „min”-t.

Tanár: Mi az oka a fényáram fényerejének változásának? Vegye figyelembe, hogy az eredmény nem függ attól, hogy a kristályok közül melyik forog, és milyen messze vannak egymástól. Végezzük el újra a kísérletet.

Az első kristályt megforgatjuk a sugár körül.

Van változás a fényerőben?

Diák: Nem.

Tanár: A második kristályt elforgatjuk a sugárhoz képest. Mit látunk?

Diák: Látjuk, hogy a fényáram fényereje megváltozik.

Tanár: Mit mondhatunk a fényforrásból érkező fényhullámról? Mi a különbség az első kristályon áthaladó hullámtól?

Diák: A turmalin kristály csak akkor képes fényrezgések továbbítására, ha azok a tengelyéhez képest meghatározott módon irányulnak.

A fényforrásból érkező fényhullám keresztirányú, az első kristály anizotróp lévén az optikai tengellyel egy meghatározott síkban párhuzamos fényrezgéseket ad át, ezért a második kristály 90°-os elforgatásakor, ha az optikai tengely közötti szög bezárul. tengelye 90 °, a fény az áramlás kialszik.

Tanár: A turmalinlemez működése az, hogy olyan rezgéseket ad át, amelyek elektromos vektora párhuzamos az optikai tengellyel. Azokat az oszcillációkat, amelyek vektora merőleges az optikai tengelyre, a lemez elnyeli. A polarizáció jelensége bizonyítja, hogy a fény keresztirányú hullám. Arra a következtetésre jutunk, hogy a fényhullám az elektromágneses hullám speciális esete.

Az a sík, amelyben a fényrezgések a kristály elhagyása után fellépnek, a rezgések síkja.

A polarizáció síkja az a sík, amelyben az indukciós vektor oszcillál.

Az első kristályon áthaladó fényhullám lineárisan polarizált vagy síkpolarizált.

Notebook bejegyzés: 1)Maxwell hipotézise:

a) c= a fénysebesség.

A jobb megértés érdekében vonjunk analógiát a fényhullám rezgései és a mechanikai rezgések között.

Egy élmény. Ha egy villanymotor-generátor forgórészére gumizsinórt erősítenek, akkor a zsinór minden irányban rezeg, hasonlóan az intenzitásvektor oszcillációjához. A vezeték útjába tegyen egy függőleges nyílást.

Mit látunk?

Diák: Csak azok a rezgések fognak áthaladni, amelyek iránya függőleges és párhuzamos a résszel.

A fény polarizációja a visszaverődés és a fénytörés jelensége során figyelhető meg, i.e. amikor fényhullám esik a közegek közötti határfelületre. A visszavert sugárban a beesési síkra merőleges oszcillációk, a megtörtben pedig - párhuzamos síkok esik.

Ha egy fényhullám homogén közegben terjed, akkor a fény nem polarizálódik. A dielektromos felületről visszaverődő fény részlegesen polarizálódik.

A cukor, glükóz és számos sav oldatán áthaladó fényhullám polarizációs síkja elfordul. A forgásszög arányos az oldatban lévő anyag koncentrációjával. Az ilyen megoldások optikailag aktívak. Az optikai aktivitás mértéke a különböző anyagokban eltérő. A polariméterek a forgásszög mérésére szolgálnak. Az oszcillációs sík elfordulási szöge minden hatóanyag esetében arányos a rétegvastagsággal és az oldatkoncentrációval.

Notebook bejegyzés:

Optikailag aktív anyagok: cukor, glükóz, egyes savak.

Az oszcillációs sík elfordulási szöge: ,

NAK NEK– fajlagos forgás;
tól től- koncentráció,
l a rétegvastagság.

Polariméter– optikailag aktív anyagokban a polarizációs sík elfordulási szögének mérésére szolgáló eszköz.

A polarizáció alkalmazása.

A polariméterek használata:

1. ban ben Élelmiszeripar oldat, cukor (szachariméter), fehérjék, különféle szerves savak koncentrációjának meghatározására;
2. az orvostudományban a vér cukorkoncentrációjának meghatározására a polarizációs sík elfordulási szögével;

Polaroidok használata:

1. kirakatok, színházi díszletek regisztrációjakor;
2. fényképezéskor a tükröződés kiküszöbölésére polarizáló szűrők segítségével;
3. a geofizikában - a felhők tulajdonságainak vizsgálatában a felhők által szórt fény polarizációjának jellemzőinek meghatározásában.
4. Az űrkutatásban, amikor ködöket polarizált fényben fényképeznek, a mágneses mezők szerkezetét vizsgálják.
5. Motoros közlekedésben - a vezetők védelme a szembejövő járművek fényszóróinak vakító hatásától.
6. Mérnöki felhasználásban fotoelasztikus módszer a - a gépalkatrészekben keletkező feszültségek vizsgálata.

Röviden összefoglaljuk a kérdések megválaszolásával (dia)

1. A fényhullámok milyen tulajdonságát bizonyítja a polarizáció jelensége?
2. Mit nevezünk polarizációnak?
3. Mekkora az egyes atomok sugárzása?
4. Mi a természetes fény?
5. Miért bizonyítja a fénypolarizáció jelensége, hogy a fény az elektromágneses hullám speciális esete?
6. A víz felszínéről visszaverődő fény részben polarizált. Hogyan lehet ezt ellenőrizni polaroid segítségével?

Következtetés.

Tanár: A fényhullámok milyen tulajdonságával találkoztál az órán?

Az órán megismerkedtünk a fényhullámok tulajdonságával - a polarizációval. A fényhullámok polarizációja a fény anizotróp közegen - kristályokon - keresztül történő áthaladása során kísérletileg bizonyítja a fényhullámok keresztirányúságát.

Polarizáltnak nevezzük azt a fényhullámot, amelyben a fényvektor oszcillációi egy bizonyos síkban jelentkeznek. A természetes forrásból származó fény nem polarizált.

Irodalom:

1. N.M. Godzhaev "Optika", - Moszkva: " Gimnázium", 1977.
2. Myakishev, A.Z. Sinyakov, B.A. Slobodskov. Fizika, optika, - Moszkva: "Felsőiskola", 2003.
3. A.A. Pinsky fizika, 11. osztály, - Moszkva: "Felvilágosodás", 2002.

a fény polarizációja. Alapvető elméleti információk

A fénypolarizáció jelensége a fényhullámvektor bizonyos orientációjának a térben történő előfordulásának jelensége [főirodalom 1, 2, 3] .

Maxwell elméletéből ismert, hogy az elektromágneses hullám keresztirányú, azaz ahol a hullámterjedés iránya. Egy vektor síkban való tájolása a következő érveléssel és megfigyelésekkel határozható meg.

Tegyük fel először, hogy a vektor(1. ábra) rögzített, azaz nem változtatja meg helyzetét a hullámterjedés irányára merőleges síkban. Ebben az esetben a vektor vetületei különböző áthaladó síkokra x, más lesz.

Rizs. 1. és - a hullámterjedés irányán áthaladó két tetszőleges sík x

Például a 2. ábrán. 1 négyzetméterben , és négyzetméteren , ahol a síkok és a szög közötti szög.

A vektor vetületeinek különbsége a síkon és ahhoz kell vezetnie, hogy a hullám eltérő tulajdonságokat fog mutatni a síkokhoz és a .

Egy élmény:általános esetben a forrásból közvetlenül terjedő hullámok nem mutatnak ilyen tulajdonságokat. A kapott kísérleti tény azt jelenti, hogy a vektor fix helyzetére vonatkozó fenti feltételezés a hullámterjedés irányára merőleges síkban nem felel meg a valóságnak.

Ez a következtetés összhangban van a sugárzás természetével. A természetes forrásból származó fényhullám az egyes atomok által kibocsátott sok hullámsorból áll. Az oszcillációs sík (azaz a hullámvektor irányán és a nyaláb irányán keresztül húzott sík) minden egyes vonat esetében véletlenszerűen orientált. Ezért természetes fényben, a nyalábra merőleges síkban a vektor minden lehetséges irányú rezgése egyszerre van jelen (2. ábra). Megvalósulásuk valószínűsége azonos.

Rizs. 2. Vektoros pillanatkép természetes fény a hullámterjedés irányára merőleges síkban

Ezért a vektor értéke a megfigyelési időre átlagolva ugyanaz lesz a sugár irányán áthaladó bármely síkban. Ennek azt kell eredményeznie, hogy a hullám ugyanazokat a tulajdonságokat mutassa e síkok bármelyikéhez képest. Pontosan ez az, amit tapasztalunk.

Egyes fénymegnyilvánulási folyamatok elemzésének megkönnyítése érdekében a természetes fényt úgy tekinthetjük, mint egy minden sorozatból eredő keresztirányú hullámot, amely monokromatikusnak tekinthető, amelyben a vektor iránya a terjedési irányra merőleges síkban gyorsan és véletlenszerűen történik. helyettesítik egymást [Kiegészítő irodalom 2, 3]