V. MURAKHVERI

Il fenomeno della polarizzazione della luce, studiato sia nei corsi di fisica scolastici che universitari, rimane nella memoria di molti di noi come un fenomeno curioso che trova applicazione nella tecnologia, ma non si incontra in Vita di ogni giorno fenomeno ottico. Il fisico olandese G. Kennen, nel suo articolo pubblicato sulla rivista Natuur en Techniek, mostra che non è così: la luce polarizzata ci circonda letteralmente.

L'occhio umano è molto sensibile al colore (cioè alla lunghezza d'onda) e alla luminosità della luce, ma la terza caratteristica della luce, la polarizzazione, gli è praticamente inaccessibile. Soffriamo di cecità da polarizzazione.

A questo proposito, alcuni rappresentanti del mondo animale sono molto più perfetti di noi. Ad esempio, le api distinguono la polarizzazione della luce quasi così come il colore o la luminosità. E poiché la luce polarizzata si trova spesso in natura, viene loro data la possibilità di vedere qualcosa nel mondo che li circonda che è completamente inaccessibile all'occhio umano.

È possibile spiegare a una persona cos'è la polarizzazione, con l'aiuto di speciali filtri di luce, può vedere come cambia la luce se la polarizzazione viene "sottratta" da essa, ma a quanto pare non possiamo immaginare un'immagine del mondo attraverso gli "occhi di un'ape" (soprattutto perché la visione degli insetti è diversa da quella umana e per molti altri aspetti).

Riso. uno. Schema della struttura dei recettori visivi dell'uomo (a sinistra) e degli artropodi (a destra). Nell'uomo, le molecole di rodopsina sono disposte in modo casuale con le pieghe della membrana intracellulare, negli artropodi - sulle escrescenze della cellula, in file ordinate.

La polarizzazione è l'orientamento delle oscillazioni di un'onda luminosa nello spazio. Queste vibrazioni sono perpendicolari alla direzione del raggio di luce. Una particella di luce elementare (quanto di luce) è un'onda che può essere paragonata per chiarezza a un'onda che scorrerà lungo una corda se, dopo averne fissato un'estremità, scuotere l'altra con la mano. La direzione della vibrazione della fune può essere diversa, a seconda della direzione in cui scuotere la fune. Allo stesso modo, la direzione delle oscillazioni dell'onda quantistica può essere diversa. Un raggio di luce è composto da molti quanti. Se le loro vibrazioni sono diverse, tale luce non è polarizzata, ma se tutti i quanti hanno esattamente lo stesso orientamento, la luce è chiamata completamente polarizzata. Il grado di polarizzazione può essere diverso a seconda della frazione di quanti in essa contenuta ha lo stesso orientamento delle oscillazioni.

Ci sono filtri che fanno passare solo quella parte della luce, le cui onde sono orientate in un certo modo. Se guardi la luce polarizzata attraverso un tale filtro e giri il filtro, la luminosità della luce trasmessa cambierà. Sarà massima quando la direzione di trasmissione del filtro coincide con la polarizzazione della luce, e minima quando queste direzioni sono completamente (di 90°) divergenti. Un filtro può rilevare polarizzazioni superiori a circa il 10% e un'apparecchiatura speciale rileva polarizzazioni dell'ordine dello 0,1%.

I filtri polarizzanti, o Polaroid, sono venduti nei negozi di forniture fotografiche. Se guardi un cielo azzurro attraverso un tale filtro (quando nuvoloso, l'effetto è molto meno pronunciato) a circa 90 gradi dalla direzione del Sole, cioè in modo che il Sole sia di lato, e allo stesso girare il filtro, quindi è ben visibile che in una certa posizione del filtro nel cielo appare una linea scura. Questo indica la polarizzazione della luce che emana da questa zona del cielo.

Il filtro polaroid ci rivela un fenomeno che le api vedono con il "semplice occhio". Ma non bisogna pensare che le api vedano la stessa striscia scura nel cielo. La nostra posizione può essere paragonata a quella di una persona daltonica completa, una persona incapace di vedere i colori. Uno che può distinguere solo nero, bianco e varie sfumature di grigio potrebbe, guardando il mondo alternativamente attraverso filtri di diversi colori, nota che l'immagine del mondo sta leggermente cambiando.

Ad esempio, attraverso un filtro rosso, un papavero rosso sembrerebbe diverso su uno sfondo di erba verde; attraverso un filtro giallo, le nuvole bianche in un cielo blu risalteranno in modo più forte. Ma i filtri non aiuterebbero una persona daltonica a capire come appare il mondo per una persona con una visione dei colori. Proprio come i filtri daltonici, un filtro polarizzatore può solo dirci che la luce ha una proprietà che non viene percepita dall'occhio.

La polarizzazione della luce proveniente dal cielo azzurro può essere notata da alcuni ad occhio nudo. Secondo il famoso fisico sovietico Accademico S.I. Vavilov, 25 ... 30% delle persone ha questa capacità, anche se molti di loro non ne sono consapevoli.

Quando si osserva una superficie che emette luce polarizzata (ad esempio, lo stesso cielo blu), queste persone potrebbero notare una debole banda gialla con le estremità arrotondate al centro del campo visivo.

Riso. 2.

Le macchie bluastre al centro e lungo i bordi sono ancora meno visibili. Se il piano di polarizzazione della luce ruota, ruota anche la striscia gialla. È sempre perpendicolare alla direzione delle vibrazioni luminose. Questa è la cosiddetta figura di Heidinger, fu scoperta dal fisico tedesco Heidinger nel 1845.

La capacità di vedere questa figura può essere sviluppata se riesci a notarla almeno una volta. È interessante notare che, nel lontano 1855, non conoscendo l'articolo di Haidinger, pubblicato nove anni prima su una rivista di fisica tedesca, Leo Tolstoj scrisse (Gioventù, capitolo XXXII): “... lascio involontariamente il libro e sbircio nella porta aperta del balcone, nei rami ricciuti pendenti di alte betulle, su cui è già tramontata l'ombra della sera, e nel cielo terso, sul quale, mentre guardi attentamente, appare improvvisamente e scompare di nuovo un polveroso puntino giallastro ... ” Tale fu l'osservazione del grande scrittore.

Riso. 3.

In luce non polarizzata (1), le oscillazioni delle componenti elettriche e magnetiche avvengono su piani molto diversi, che possono essere ridotti ai due evidenziati in questa figura. Ma non ci sono oscillazioni lungo il percorso di propagazione del raggio (la luce, a differenza del suono, non lo è lancio). Nella luce polarizzata (2) si distingue un piano di oscillazione.

Nella luce polarizzata in un cerchio (in modo circolare), questo piano è attorcigliato nello spazio da una vite (3). Un diagramma semplificato spiega perché la luce riflessa è polarizzata (4). Come già accennato, tutti i piani di oscillazione esistenti nella trave possono essere ridotti a due, sono indicati da frecce. Una delle frecce ci guarda ed è convenzionalmente visibile a noi come un punto. Dopo la riflessione della luce, una delle direzioni di oscillazione in essa esistenti coincide con la nuova direzione di propagazione del raggio, e oscillazioni elettromagnetiche non possono essere diretti lungo il loro percorso di propagazione.

La figura di Haidinger può essere vista molto più chiaramente se osservata attraverso un filtro verde o blu.

La polarizzazione della luce da un cielo sereno è solo un esempio dei fenomeni di polarizzazione in natura. Un altro caso comune è la polarizzazione della luce riflessa, ad esempio l'abbagliamento, che giace sulla superficie dell'acqua o di vetrine.

In realtà, i filtri polaroid fotografici sono progettati in modo che il fotografo possa, se necessario, eliminare questi riflessi interferenti (ad esempio, quando si fotografa il fondo di un bacino poco profondo o si fotografano dipinti e reperti museali protetti da vetro). L'azione delle polaroid in questi casi si basa sul fatto che la luce riflessa è polarizzata in un grado o nell'altro (il grado di polarizzazione dipende dall'angolo di incidenza della luce e ad un certo angolo, che è diverso per le diverse sostanze, il cosiddetto angolo di Brewster, la luce riflessa è completamente polarizzata). Se ora osserviamo l'abbagliamento attraverso un filtro polaroid, non è difficile trovare una tale rotazione del filtro in cui l'abbagliamento è completamente o in larga misura soppresso.

L'uso di filtri polaroid negli occhiali da sole o nei parabrezza consente di rimuovere fastidiosi riflessi accecanti dalla superficie del mare o da un'autostrada bagnata.

Perché la luce riflessa e la luce del cielo diffusa sono polarizzate? Una risposta completa e matematicamente rigorosa a questa domanda va oltre lo scopo di una piccola pubblicazione di divulgazione scientifica (i lettori possono trovarla nella letteratura elencata alla fine dell'articolo). La polarizzazione in questi casi è dovuta al fatto che le vibrazioni anche in un fascio non polarizzato sono già "polarizzate" in un certo senso: la luce, a differenza del suono, non è vibrazioni longitudinali, ma trasversali. Non ci sono oscillazioni nel raggio lungo il percorso della sua propagazione (vedi diagramma). Le oscillazioni delle componenti magnetiche ed elettriche delle onde elettromagnetiche in un raggio non polarizzato sono dirette in tutte le direzioni dal suo asse, ma non lungo questo asse. Tutte le direzioni di queste oscillazioni possono essere ridotte a due, reciprocamente perpendicolari. Quando il raggio viene riflesso dal piano, cambia direzione e una delle due direzioni di oscillazione diventa "proibita", in quanto coincide con la nuova direzione di propagazione del raggio. Il raggio si polarizza. In una sostanza trasparente, parte della luce va in profondità, venendo rifratta, e anche la luce rifratta viene polarizzata, sebbene in misura minore rispetto a quella riflessa.

La luce diffusa del cielo non è altro che luce solare, che ha subito molteplici riflessioni da molecole d'aria, rifratta in goccioline d'acqua o cristalli di ghiaccio. Pertanto, in una certa direzione dal Sole, è polarizzato. La polarizzazione si verifica non solo con la riflessione direzionale (ad esempio dalla superficie dell'acqua), ma anche con la riflessione diffusa. Quindi, con l'ausilio di un filtro polaroid, è facile verificare che la luce riflessa dalla pavimentazione autostradale sia polarizzata. In questo caso, opera una dipendenza sorprendente: più scura è la superficie, più polarizzata è la luce riflessa da essa.

Questa dipendenza è chiamata legge di Umov, dal fisico russo che la scoprì nel 1905. Un'autostrada asfaltata, secondo la legge di Umov, è più polarizzata di una in cemento, e una bagnata è più polarizzata di una asciutta. Una superficie bagnata non è solo più lucida, ma è anche più scura di una asciutta.

Si noti che la luce riflessa dalla superficie dei metalli (compresi gli specchi - dopotutto, ogni specchio è ricoperto da un sottile strato di metallo) non è polarizzata. Ciò è dovuto all'elevata conduttività dei metalli, dovuta al fatto che ne contengono molto elettroni liberi. La riflessione delle onde elettromagnetiche da tali superfici avviene in modo diverso rispetto alle superfici dielettriche non conduttive.

La polarizzazione della luce del cielo è stata scoperta nel 1871 (secondo altre fonti, anche nel 1809), ma una dettagliata spiegazione teorica di questo fenomeno è stata data solo a metà del nostro secolo. Tuttavia, come hanno scoperto gli storici che studiano le antiche saghe scandinave dei viaggi vichinghi, i coraggiosi marinai quasi mille anni fa usarono la polarizzazione del cielo per navigare. Di solito navigavano, guidati dal Sole, ma quando il sole era nascosto dietro nuvole continue, cosa non rara alle latitudini settentrionali, i Vichinghi guardavano il cielo attraverso una speciale “pietra del sole”, che permetteva di vedere una striscia scura nel cielo a 90° dalla direzione del Sole se le nuvole non sono troppo dense. Da questa fascia puoi giudicare dove si trova il Sole. "Sun Stone" è apparentemente uno dei minerali trasparenti con proprietà di polarizzazione (molto probabilmente lo spato islandese, comune nel nord Europa), e l'aspetto di una fascia più scura nel cielo è spiegato dal fatto che, sebbene il Sole non sia visibile dietro le nuvole, la luce del cielo che penetra attraverso le nuvole, rimane alquanto polarizzata. Diversi anni fa, testando questa ipotesi degli storici, un pilota fece volare un piccolo aereo dalla Norvegia alla Groenlandia, usando solo un cristallo del minerale di cordierite, che polarizza la luce, come dispositivo di navigazione.

È già stato detto che molti insetti, a differenza degli esseri umani, vedono la polarizzazione della luce. Api e formiche, non peggio dei Vichinghi, usano questa capacità per orientarsi quando il Sole è coperto dalle nuvole. Cosa dà all'occhio degli insetti questa capacità? Il fatto è che nell'occhio dei mammiferi (compreso l'uomo) le molecole del pigmento fotosensibile rodopsina sono disposte in modo casuale e nell'occhio di un insetto le stesse molecole sono impilate in file ordinate, orientate in una direzione, il che consente loro reagire più fortemente alla luce le cui vibrazioni corrispondono al piano di posizionamento delle molecole. La figura di Haidinger può essere vista perché parte della nostra retina è ricoperta da sottili fibre parallele che polarizzano parzialmente la luce.

Curiosi effetti di polarizzazione si osservano anche in rari fenomeni ottici celesti, come arcobaleni e aloni. Il fatto che la luce dell'arcobaleno sia altamente polarizzata fu scoperto nel 1811. Ruotando il filtro polaroid, puoi rendere l'arcobaleno quasi invisibile. Anche la luce dell'alone è polarizzata: cerchi o archi luminosi che a volte appaiono attorno al Sole e alla Luna. Nella formazione sia di un arcobaleno che di un alone, insieme alla rifrazione, è coinvolta la riflessione della luce ed entrambi questi processi, come già sappiamo, portano alla polarizzazione. Polarizzato e alcuni tipi di aurora.

Infine, va notato che anche la luce di alcuni oggetti astronomici è polarizzata. L'esempio più famoso è la Nebulosa del Granchio nella costellazione del Toro. La luce emessa da esso è la cosiddetta radiazione di sincrotrone, che si verifica quando gli elettroni in volo veloce vengono decelerati da un campo magnetico. La radiazione di sincrotrone è sempre polarizzata.

Tornando sulla Terra, notiamo che alcune specie di coleotteri, che hanno una lucentezza metallica, trasformano la luce riflessa dalla loro schiena in un cerchio polarizzato. Questo è il nome della luce polarizzata, il cui piano di polarizzazione è attorcigliato nello spazio in una direzione elicoidale, a sinistra oa destra. Il riflesso metallico del dorso di un tale coleottero, se visto attraverso uno speciale filtro che rivela la polarizzazione circolare, risulta essere mancino. Tutti questi coleotteri appartengono alla famiglia degli scarabei, quale sia il significato biologico del fenomeno descritto è ancora sconosciuto.

Mario Gliozzi

In precedenza si è parlato del fenomeno scoperto da Huygens, la cui spiegazione, come si dichiarava sinceramente, non poteva dare. Un raggio di luce che è passato attraverso un cristallo di spar islandese acquisisce alcune proprietà speciali, per cui, quando colpisce un secondo cristallo di spar islandese con una sezione trasversale principale parallela al primo, non sperimenta più una doppia rifrazione, ma ordinaria. Se questo secondo cristallo viene ruotato, si verificherà di nuovo una doppia rifrazione, ma l'intensità di entrambi i raggi rifratti dipenderà dall'angolo di rotazione.

Primo XIX anni secolo, l'ingegnere militare francese Etienne Malus (1775-1812) si occupò dello studio di questo fenomeno, il quale nel 1808 scoprì che la luce riflessa dall'acqua con un angolo di 52° 45" ha le stesse proprietà della luce trasmessa attraverso un cristallo di spato islandese e la superficie riflettente è, per così dire, la sezione principale del cristallo.

Questo fenomeno è stato osservato anche se riflesso da qualsiasi altra sostanza, ma l'angolo di incidenza richiesto variava a seconda dell'indice di rifrazione della sostanza. Nel caso del riflesso da una superficie metallica, il quadro era più complesso.

A prossimo lavoro, scritto nello stesso anno, Malus, sperimentando un polariscopio, ancora descritto nei testi di fisica con il nome di "Bio polariscopio" e costituito da due specchi posti ad angolo, giunge alla formulazione della nota legge che sostiene il suo nome.

Proprio nel momento in cui Malus stava conducendo le sue ricerche, l'Accademia delle scienze di Parigi bandì un concorso (1808) per la migliore teoria matematica della birifrangenza, confermata dall'esperienza. Malus ha partecipato a questo concorso e ha ricevuto un premio per il suo significato storico opera "Theorie de la double refraction de la lumiere dans les diseases cristalisees" ("Teoria della doppia rifrazione della luce in sostanze cristalline"), pubblicato nel 1810. In essa Malus descrive la sua scoperta e la legge da lui trovata; per spiegarla accetta il punto di vista di Newton "non come una verità indiscutibile", ma solo come un'ipotesi che permette di calcolare il fenomeno Dichiarandosi, così, sostenitore della teoria corpuscolare della luce, Malus cerca di trovare una spiegazione nella polarità dei corpuscoli luminosi, che Newton cita brevemente nella domanda 26. Nella luce naturale, come viene ora chiamata, i corpuscoli luminosi sono orientati in tutte le direzioni, mentre passano attraverso un cristallo birifrangente o riflettente, sono orientati in un certo Malus chiamato luce in cui i corpuscoli hanno un certo orientamento polarizzato, una parola e i suoi derivati ​​che sono rimasti nella fisica fino ai giorni nostri.

Gli studi sulla polarizzazione della luce iniziati da Malus furono continuati in Francia da Biot e Arago, e in Inghilterra da Brewster, che un tempo era meglio conosciuto per la sua invenzione del caleidoscopio (1817) che per scoperte importanti nel campo della cristallo ottica. Nel 1811, Malus, Biot e Brewster scoprirono indipendentemente che anche il raggio riflesso è parzialmente polarizzato.

Nel 1815 David Brewster (1781-1868) completò questi studi con la scoperta della legge che porta il suo nome: un raggio riflesso è completamente polarizzato (e il corrispondente raggio rifratto ha la massima polarizzazione) quando il raggio riflesso e quello rifratto sono perpendicolari a ciascuno Altro.

Dominique Francois Arago (1786-1853) stabilì la polarizzazione della luce della falce di luna, delle comete, degli arcobaleni, confermando così ancora una volta che tutto questo è luce solare riflessa. Polarizzata è anche la luce emessa ad angoli obliqui dal liquido caldo e corpi solidi, che prova che questa luce proviene dagli strati interni della materia e viene rifratta, uscendo. Ma la scoperta più importante e famosa di Arago è la polarizzazione cromatica da lui scoperta nel 1811. Posizionando una lastra di cristallo di rocca di 6 mm di spessore nel percorso di un raggio polarizzato e osservando il raggio che l'attraversa attraverso un cristallo, Arago ha ottenuto due immagini dipinte con colori complementari. La colorazione di entrambe le immagini non cambiava quando veniva ruotata la lastra, ma cambiava quando veniva ruotato il cristallo del longherone, ed entrambi i colori rimanevano sempre complementari. Quindi, se una delle immagini era prima rossa in una certa posizione del cristallo, quando veniva ruotata diventava successivamente arancione, gialla, verde, ecc. Biot ripeté questo esperimento nel 1812 e mostrò che l'angolo di rotazione di lo spar crystal necessario per ottenere un certo colore dell'immagine, è proporzionale allo spessore della lastra. Inoltre, nel 1815, Biot scoprì il fenomeno della polarizzazione circolare e la presenza di sostanze destrogire e levogire.

Nello stesso anno, Biot scoprì che la tormalina ha una doppia rifrazione e la capacità di assorbire un raggio ordinario e trasmetterne solo uno straordinario. Questo fenomeno è stato la base per le famose "pinze per tormalina" progettate da Herschel nel 1820 - il più semplice dispositivo di polarizzazione che è rimasto invariato fino ad oggi. Il più grande inconveniente di questo dispositivo era la colorazione del raggio. Il prisma proposto nel 1820 dal fisico inglese William Nicol (1768-1851) non presenta questa mancanza. Il prisma Nicol permette anche il passaggio solo del raggio straordinario. La combinazione di due di questi "nicol", come vengono ora chiamati questi prismi birifrangenti, in un dispositivo, che ha ancora la più ampia applicazione, fu eseguita dallo stesso Nicol nel 1839.

Così, i principali fenomeni di polarizzazione della luce, che è una vasta e interessante branca della fisica, ora inclusa in tutti i libri di testo, furono scoperti dai fisici francesi in sette anni, dal 1808 al 1815. E poiché la scoperta di tali interessanti fenomeni avvenne sotto bandiera della teoria corpuscolare, sembrava che ricevesse in questi fenomeni una conferma in più.

Ora è il momento di parlare di qual è l'essenza polarizzazione della luce .

In senso più generale, è più corretto parlare di polarizzazione delle onde. La polarizzazione della luce, come fenomeno, è un caso speciale di polarizzazione delle onde. Dopotutto, la luce è una radiazione elettromagnetica nella gamma percepita dall'occhio umano.

Cos'è la polarizzazione della luce

Polarizzazione è una caratteristica delle onde trasversali. Descrive la posizione del vettore di una grandezza oscillante su un piano perpendicolare alla direzione di propagazione dell'onda.

Se questo argomento non era nelle lezioni all'università, probabilmente ti chiederai: qual è questa quantità oscillante e in quale direzione è perpendicolare?

Che aspetto ha la propagazione della luce se si guarda a questa domanda dal punto di vista della fisica? Come, dove e cosa oscilla e dove vola?

La luce è un'onda elettromagnetica, caratterizzata da vettori di intensità campo elettrico e e vettore di tensione campo magnetico H . A proposito, Fatti interessanti sulla natura della luce può essere trovato nel nostro articolo.

Secondo la teoria Maxwell , le onde luminose sono trasversali. Ciò significa che i vettori e e H sono tra loro perpendicolari e oscillano perpendicolarmente al vettore di velocità di propagazione dell'onda.

La polarizzazione è osservata solo alle onde trasversali.

Per descrivere la polarizzazione della luce è sufficiente conoscere la posizione di uno solo dei vettori. Di solito, per questo, viene considerato il vettore e .

Se le direzioni di oscillazione del vettore di luce sono in qualche modo ordinate, la luce si dice polarizzata.

Prendi la luce nella figura sopra. È certamente polarizzato, poiché il vettore e oscilla sullo stesso piano.

Se il vettore e oscilla su piani diversi con la stessa probabilità, quindi tale luce è chiamata naturale.

Per definizione, la polarizzazione della luce è la separazione dei raggi dalla luce naturale con un certo orientamento del vettore elettrico.

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Da dove viene la luce polarizzata?

La luce che vediamo intorno a noi è spesso non polarizzata. La luce delle lampadine, la luce solare, è una luce in cui il vettore di tensione oscilla in tutte le direzioni possibili. Ma se il tuo lavoro è fissare un monitor LCD tutto il giorno, sai che stai vedendo una luce polarizzata.

Per osservare il fenomeno della polarizzazione della luce, è necessario far passare la luce naturale attraverso un mezzo anisotropo, che è chiamato polarizzatore e "taglia" le direzioni di vibrazione non necessarie, lasciandone una.

Un mezzo anisotropo è un mezzo che ha proprietà diverse a seconda della direzione all'interno di questo mezzo.

I cristalli sono usati come polarizzatori. Uno dei cristalli naturali, spesso e a lungo utilizzato negli esperimenti sullo studio della polarizzazione della luce - tormalina.

Un altro modo per ottenere la luce polarizzata è la riflessione da un dielettrico. Quando la luce cade sull'interfaccia tra due mezzi, il raggio viene diviso in riflesso e rifratto. In questo caso, i raggi sono parzialmente polarizzati e il grado della loro polarizzazione dipende dall'angolo di incidenza.

La relazione tra l'angolo di incidenza e il grado di polarizzazione della luce è espressa da Legge di Brewster .

Quando la luce è incidente su un'interfaccia ad un angolo la cui tangente è uguale all'indice di rifrazione relativo dei due mezzi, il fascio riflesso è polarizzato linearmente e il fascio rifratto è parzialmente polarizzato, con vibrazioni predominanti nel piano di incidenza del fascio.

La luce polarizzata linearmente è la luce che è polarizzata in modo che il vettore e oscilla solo su un piano specifico.

Applicazione pratica del fenomeno della polarizzazione della luce

La polarizzazione della luce non è solo un fenomeno interessante da studiare. È ampiamente utilizzato nella pratica.

Un esempio che quasi tutti conoscono è il cinema 3D. Un altro esempio sono gli occhiali polarizzati, in cui il bagliore del sole sull'acqua non è visibile e i fari delle auto in arrivo non accecano il conducente. I filtri polarizzatori vengono utilizzati nella tecnologia fotografica e la polarizzazione delle onde viene utilizzata per trasmettere segnali tra le antenne dei veicoli spaziali.

La polarizzazione non è la cosa più difficile da capire un fenomeno naturale. Anche se se scavi in ​​​​profondità e inizi a occuparti a fondo leggi fisiche a cui obbedisce, possono sorgere difficoltà.

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Obiettivi:

Educativo:

1. Espandi la tua comprensione della luce naturale.
2. Definire il fenomeno della polarizzazione della luce.
3. Mostra agli studenti l'importanza delle proprietà trasversali della luce per dimostrare la natura elettromagnetica della luce.

Educativo: Educazione al pensiero della visione del mondo.

Sviluppando: Sviluppo del pensiero indipendente, intelligenza, capacità di sistematizzare il materiale, formulare conclusioni sul materiale studiato.

Demo:

Contenuto principale del materiale: Definizione del fenomeno della polarizzazione. Il concetto di luce naturale e polarizzata. Onde luminose trasversali. Prova della natura elettromagnetica della luce. Polaroid, loro applicazione, polarizzatore.

Piano.

1. La storia della scoperta della polarizzazione.
2. Il concetto di luce naturale e linearmente polarizzata.
3. Il valore della polarizzazione per dimostrare la natura elettromagnetica della luce.
4. Analogia delle oscillazioni di un'onda luminosa con oscillazioni meccaniche.
5. Polarizzazione della luce durante la riflessione e la rifrazione.
6. Attività ottica della materia e rotazione del piano di polarizzazione.
7. Applicazione del fenomeno della polarizzazione.
8. Riassumendo.

Durante le lezioni

L'argomento della lezione è scritto alla lavagna, l'obiettivo è annunciato, la struttura della presentazione del materiale è espressa. Alla lavagna sono scritte domande di controllo a cui gli studenti devono rispondere dopo la presentazione del materiale da parte del docente. Polarizzazione - "polos" greci, lat. "polo" - la fine dell'asse, il polo.

Insegnante: Il concetto di polarizzazione della luce fu introdotto in ottica dallo scienziato inglese Isaac Newton nel 1706 e spiegato da James Clerk Maxwell. Nella fase di sviluppo della natura ondulatoria della luce, la natura delle onde luminose era sconosciuta, sebbene i fatti sperimentali si stessero accumulando a favore della natura trasversale delle onde elettromagnetiche.

Insegnante. Facendo i compiti, è stato necessario ripetere i concetti: onda elettromagnetica, onda trasversale, ipotesi di Maxwell sulle onde elettromagnetiche, treno d'onda, luce naturale, anisotropia del cristallo.

Cos'è un'onda elettromagnetica?

Alunno. Un'onda elettromagnetica è un'oscillazione interconnessa dei vettori dei campi elettrico e magnetico, perpendicolari tra loro e alla direzione di propagazione dell'onda.

Cos'è un'onda trasversale?

Un'onda trasversale è un'onda in cui la direzione delle oscillazioni delle particelle è perpendicolare alla direzione di propagazione dell'onda.

Cosa sono le onde elettromagnetiche dal punto di vista dell'ipotesi di Maxwell?

Secondo l'ipotesi di Maxwell, le onde elettromagnetiche si propagano nello spazio con una velocità finita - la velocità della luce c=3 e sono trasversali.

Cos'è un treno d'onde?

Un treno d'onda è un'onda emessa da un singolo atomo durante il tempo in cui l'atomo è in uno stato eccitato: t=s.

Insegnante. Cos'è la luce naturale?

Alunno. La luce naturale è la radiazione elettromagnetica totale di molti atomi, quindi un'onda luminosa è un insieme di treni d'onda con una fase che cambia casualmente.

La luce, in cui il vettore luminoso fluttua casualmente simultaneamente in tutte le direzioni perpendicolari al raggio, è chiamata naturale.

Cos'è l'anisotropia dei cristalli?

L'anisotropia è una dipendenza Proprietà fisiche cristallo dalla direzione.

Insegnante.

Per la prima volta, lo scienziato olandese H. Huygens fece esperimenti sulla polarizzazione della luce con il longherone islandese nel 1690. Passando un raggio di luce attraverso il longherone islandese, Huygens scopre l'anisotropia trasversale del raggio di luce, dovuta all'anisotropia del proprietà del cristallo. Questo fenomeno è stato chiamato birifrangenza. Se il cristallo viene ruotato rispetto alla direzione del raggio iniziale, entrambi i raggi vengono ruotati dopo aver lasciato il cristallo. Nel 1809, l'ingegnere francese E. Malus scoprì una legge a lui intitolata. Negli esperimenti di Malus, la luce fu fatta passare successivamente attraverso due lastre identiche di tormalina. La luce è diretta perpendicolarmente alla superficie di un cristallo di tormalina tagliato parallelamente all'asse ottico. Quando il cristallo ruota attorno all'asse del raggio, non si verifica la variazione dell'intensità del raggio di luce. Se un secondo cristallo di tormalina, identico al primo, viene posizionato sul percorso del raggio, l'intensità della luce trasmessa attraverso queste lastre varia a seconda dell'angolo α tra gli assi dei cristalli secondo la legge di Malus:

L'intensità della luce trasmessa è risultata direttamente proporzionale a φ. A onda longitudinale tutte le direzioni nel piano perpendicolare al raggio sono uguali, quindi né la legge di Malus né la birifrangenza potrebbero spiegare questo fenomeno dal punto di vista delle onde longitudinali.

Insegnante. Nel percorso della luce solare, puoi mettere un dispositivo speciale: un polarizzatore, che seleziona una di tutte le direzioni delle oscillazioni del vettore. La luce, in cui la direzione delle oscillazioni del vettore è strettamente fissa, è chiamata polarizzata linearmente o polarizzata piana.

Per polarizzazione della luce si intende la separazione delle vibrazioni luminose dalla luce naturale con una certa direzione del vettore elettrico.

Un esperimento con due polaroid, una lampada, uno schermo.

Facciamo un esperimento con due lastre di tormalina rettangolari identiche tagliate da un cristallo parallelo al suo asse ottico. L'asse ottico del cristallo è la direzione parallela al piano in cui oscilla il vettore di luce.

Mettiamo un piatto su un altro in modo che i loro assi coincidano nella direzione. Facciamo passare uno stretto raggio di luce attraverso la coppia piegata.

Ruoteremo una delle piastre, mentre notiamo che la luminosità del flusso luminoso si indebolisce e la luce si spegne quando la piastra ruota di 90°, cioè l'angolo tra gli assi ottici dei cristalli sarà di 90°. Con un'ulteriore rotazione della lastra, il flusso luminoso trasmesso comincerà ad aumentare e quando la lastra ruota di 180°, l'intensità del flusso luminoso tornerà ad essere la stessa. Ritornando alla sua posizione originaria, il raggio si indebolisce nuovamente, attraversa un minimo e raggiunge la sua precedente intensità quando la lastra ritorna nella sua posizione originaria. Pertanto, quando la piastra viene ruotata di 360°, la luminosità del flusso luminoso che passa attraverso entrambe le piastre raggiunge "max" due volte e "min" due volte.

Insegnante: Qual è il motivo del cambiamento nella luminosità del flusso luminoso? Nota che il risultato non dipende da quale dei cristalli ruota e da quanto sono distanti. Ripetiamo l'esperimento.

Ruotare il primo cristallo attorno al raggio.

C'è un cambiamento di luminosità?

Alunno: No.

Insegnante: Ruotare il secondo cristallo rispetto al raggio. Cosa stiamo vedendo?

Alunno: Vediamo che la luminosità del flusso luminoso cambia.

Insegnante: Cosa si può dire di un'onda luminosa proveniente da una sorgente luminosa? Qual è la sua differenza dall'onda che è passata attraverso il primo cristallo?

Alunno: Un cristallo di tormalina è in grado di trasmettere vibrazioni luminose solo quando sono dirette in un certo modo rispetto al suo asse.

L'onda luminosa proveniente dalla sorgente luminosa è trasversale, il primo cristallo, essendo anisotropo, trasmette vibrazioni luminose giacenti in un piano specifico parallelo all'asse ottico, quindi, quando il secondo cristallo viene ruotato di 90°, quando l'angolo tra l'ottica assi è 90°, la luce il flusso si spegne.

Insegnante: L'azione di una lastra di tormalina è quella di trasmettere vibrazioni il cui vettore elettrico è parallelo all'asse ottico. Le oscillazioni il cui vettore è perpendicolare all'asse ottico vengono assorbite dalla lastra. Il fenomeno della polarizzazione dimostra che la luce è un'onda trasversale. Concludiamo che un'onda luminosa è un caso speciale di un'onda elettromagnetica.

Il piano in cui si verificano le vibrazioni luminose dopo aver lasciato il cristallo è il piano delle vibrazioni.

Il piano di polarizzazione è il piano in cui oscilla il vettore di induzione.

L'onda luminosa che è passata attraverso il primo cristallo è polarizzata linearmente o polarizzata piana.

Voce del taccuino: 1)L'ipotesi di Maxwell:

a) c= è la velocità della luce.

Per una migliore comprensione, tracciamo un'analogia tra le oscillazioni di un'onda luminosa e le oscillazioni meccaniche.

Un'esperienza. Se un cavo di gomma è collegato al rotore di un generatore di motori elettrici, il cavo oscillerà in tutte le direzioni, in modo simile all'oscillazione del vettore di intensità. Sul percorso del cavo metti una fessura verticale.

Cosa stiamo vedendo?

Alunno: Passeranno solo quelle vibrazioni, le cui direzioni sono verticali e parallele alla fessura.

La polarizzazione della luce si osserva durante i fenomeni di riflessioni e rifrazioni, cioè quando un'onda luminosa cade sull'interfaccia tra i media. Nel raggio riflesso prevalgono le oscillazioni perpendicolari al piano di incidenza, e in quello rifratto - piani paralleli autunno.

Se un'onda luminosa si propaga in un mezzo omogeneo, la polarizzazione della luce non si verifica. La luce è parzialmente polarizzata per riflessione da una superficie dielettrica.

Un'onda luminosa che passa attraverso soluzioni di zucchero, glucosio, un certo numero di acidi ha una rotazione del piano di polarizzazione. L'angolo di rotazione è proporzionale alla concentrazione della sostanza nella soluzione. Tali soluzioni sono otticamente attive. Il grado di attività ottica in diverse sostanze è diverso. I polarimetri vengono utilizzati per misurare l'angolo di rotazione. Per tutte le sostanze attive, l'angolo di rotazione del piano di oscillazione è proporzionale allo spessore dello strato e alla concentrazione della soluzione.

Voce del taccuino:

Sostanze otticamente attive: zucchero, glucosio, alcuni acidi.

Angolo di rotazione del piano di oscillazione: ,

Per- rotazione specifica;
Insieme a- concentrazione,
lè lo spessore dello strato.

Polarimetro– un dispositivo per misurare l'angolo di rotazione del piano di polarizzazione nelle sostanze otticamente attive.

Applicazione della polarizzazione.

Uso dei polarimetri:

1. in Industria alimentare per determinare la concentrazione di una soluzione, zucchero (saccarimetri), proteine, vari acidi organici;
2. in medicina per determinare la concentrazione di zucchero nel sangue dall'angolo di rotazione del piano di polarizzazione;

Usando le Polaroid:

1. all'iscrizione di vetrine, scenografie teatrali;
2. quando si fotografa per eliminare l'abbagliamento utilizzando filtri polarizzatori;
3. in geofisica - nello studio delle proprietà delle nuvole nel determinare le caratteristiche della polarizzazione della luce diffusa dalle nuvole.
4. Nella ricerca spaziale, fotografando le nebulose in luce polarizzata, studiano la struttura dei campi magnetici.
5. Nel trasporto a motore - per proteggere i conducenti dall'effetto accecante dei fari dei veicoli in arrivo.
6. Nell'uso ingegneristico metodo fotoelastico a - studio delle sollecitazioni che si verificano nelle parti della macchina.

Riassumiamo brevemente rispondendo alle domande (slide)

1. Quale proprietà delle onde luminose è dimostrata dal fenomeno della polarizzazione?
2. Cosa si chiama polarizzazione?
3. Qual è la radiazione di un singolo atomo?
4. Cos'è la luce naturale?
5. Perché il fenomeno della polarizzazione della luce dimostra che la luce è un caso speciale di un'onda elettromagnetica?
6. La luce riflessa dalla superficie dell'acqua è parzialmente polarizzata. Come verificarlo usando una polaroid?

Conclusione.

Insegnante: Quale proprietà delle onde luminose hai incontrato durante la lezione?

Nella lezione, abbiamo familiarizzato con la proprietà delle onde luminose: la polarizzazione. La polarizzazione delle onde luminose durante il passaggio della luce attraverso mezzi anisotropi - cristalli dimostra sperimentalmente la trasversalità delle onde luminose.

Un'onda luminosa in cui le oscillazioni del vettore luminoso si verificano in un determinato piano è chiamata polarizzata. La luce prodotta da una sorgente naturale non è polarizzata.

Letteratura:

1. NM Godzhaev "Ottica", - Mosca: " scuola di Specializzazione", 1977.
2. Myakishev, AZ Sinyakov, BA Slobodskov. Fisica, Ottica, - Mosca: Scuola Superiore, 2003.
3. AA. Fisica Pinsky, 11a elementare, - Mosca: "Illuminismo", 2002.

polarizzazione della luce. Informazioni teoriche di base

Il fenomeno della polarizzazione della luce è il fenomeno del verificarsi di un certo orientamento del vettore d'onda luminosa nello spazio [letteratura principale 1, 2, 3] .

È noto dalla teoria di Maxwell che un'onda elettromagnetica è trasversale, cioè dove è la direzione di propagazione dell'onda. L'orientamento di un vettore in un piano può essere determinato dal ragionamento e dalle osservazioni seguenti.

Supponiamo prima che il vettore(Fig. 1) fisso, cioè, non cambia la sua posizione nel piano perpendicolare alla direzione di propagazione dell'onda. In questo caso, le proiezioni del vettore su vari piani passanti X, sarà diverso.

Riso. 1. e - due piani arbitrari che passano per la direzione di propagazione dell'onda X

Ad esempio, in fig. 1 a mq. , e in mq. , dove è l'angolo tra i piani e .

La differenza nelle proiezioni del vettore sul piano e dovrebbe portare al fatto che l'onda mostrerà proprietà diverse rispetto ai piani e .

Un'esperienza: nel caso generale, le onde che si propagano direttamente dalla sorgente non presentano tali proprietà. Il fatto sperimentale ottenuto significa che l'ipotesi di cui sopra circa la posizione fissa del vettore nel piano perpendicolare alla direzione di propagazione dell'onda non corrisponde alla realtà.

Tale conclusione è conforme alla natura della radiazione. Un'onda di luce proveniente da una sorgente naturale è costituita da molti treni di onde emesse da singoli atomi. Il piano di oscillazione (cioè il piano disegnato attraverso la direzione del vettore d'onda e la direzione del raggio) per ciascun treno è orientato in modo casuale. Pertanto, alla luce naturale, in un piano perpendicolare al raggio, sono presenti simultaneamente le oscillazioni di tutte le possibili direzioni del vettore (Fig. 2). Le probabilità della loro realizzazione sono le stesse.

Riso. 2. Istantanea vettoriale luce naturale su un piano perpendicolare alla direzione di propagazione dell'onda

Pertanto, il valore del vettore, mediato nel tempo di osservazione, sarà lo stesso in qualsiasi piano passante per la direzione del raggio. Ciò dovrebbe comportare che l'onda esibisca le stesse proprietà rispetto a uno qualsiasi di questi piani. Questo è esattamente ciò che si osserva nell'esperienza.

Per facilità di analisi di alcuni processi di manifestazione della luce, la luce naturale può essere considerata come un'onda trasversale risultante da tutti i treni, che può essere considerata monocromatica, in cui la direzione del vettore in un piano perpendicolare alla direzione di propagazione in modo rapido e casuale sostituirsi a vicenda [Letteratura supplementare 2, 3]