V. MURAKHVERI

Fenomenul de polarizare a luminii, studiat atat la cursurile de fizica de la scoli cat si la institut, ramane in memoria multora dintre noi ca unul curios care isi gaseste aplicatie in tehnologie, dar nu este intalnit in Viata de zi cu zi fenomen optic. Fizicianul olandez G. Kennen, în articolul său publicat în revista Natuur en Techniek, arată că acest lucru este departe de a fi cazul - lumina polarizată ne înconjoară literalmente.

Ochiul uman este foarte sensibil la culoare (adică, lungimea de undă) și luminozitatea luminii, dar a treia caracteristică a luminii, polarizarea, îi este practic inaccesibilă. Suferim de orbire de polarizare.

În acest sens, unii reprezentanți ai lumii animale sunt mult mai perfecți decât noi. De exemplu, albinele disting polarizarea luminii aproape la fel de bine ca culoarea sau luminozitatea. Și din moment ce lumina polarizată se găsește adesea în natură, le este dat să vadă ceva în lumea din jurul lor, care este complet inaccesibil ochiului uman.

Este posibil să explicăm unei persoane ce este polarizarea, cu ajutorul unor filtre speciale de lumină, el poate vedea cum se schimbă lumina dacă polarizarea este „scăzută” din ea, dar se pare că nu ne putem imagina o imagine a lumii prin „ochii lui”. o albină” (mai ales că viziunea insectelor este diferită de cea umană și în multe alte privințe).

Orez. unu. Schema structurii receptorilor vizuali ai oamenilor (stânga) și artropodelor (dreapta). La om, moleculele de rodopsina sunt aranjate aleatoriu cu pliurile membranei intracelulare, la artropode - pe excrescentele celulei, in randuri ordonate.

Polarizarea este orientarea oscilațiilor unei unde luminoase în spațiu. Aceste oscilații sunt perpendiculare pe direcția de mișcare a fasciculului de lumină. O particulă de lumină elementară (cuantum de lumină) este o undă care poate fi comparată pentru claritate cu o undă care va rula de-a lungul unei frânghii dacă, după ce ați fixat un capăt al acesteia, scuturați celălalt cu mâna. Direcția vibrației frânghiei poate fi diferită, în funcție de direcția de scuturare a frânghiei. În același mod, direcția oscilațiilor undelor cuantice poate fi diferită. Un fascicul de lumină este format din multe cuante. Dacă vibrațiile lor sunt diferite, o astfel de lumină nu este polarizată, dar dacă toate cuantele au exact aceeași orientare, lumina se numește complet polarizată. Gradul de polarizare poate fi diferit în funcție de ce fracție de cuante din el are aceeași orientare a oscilațiilor.

Există filtre care trec doar acea parte a luminii, ale cărei valuri sunt orientate într-un anumit fel. Dacă priviți lumina polarizată printr-un astfel de filtru și întoarceți filtrul în același timp, luminozitatea luminii transmise se va schimba. Acesta va fi maxim atunci când direcția de transmisie a filtrului coincide cu polarizarea luminii și minim atunci când aceste direcții sunt complet (cu 90°) divergente. Un filtru poate detecta polarizări mai mari de aproximativ 10%, iar echipamentele speciale detectează polarizări de ordinul a 0,1%.

Filtrele polarizante sau Polaroid-urile sunt vândute la magazinele de articole foto. Dacă te uiți la un cer albastru senin printr-un astfel de filtru (când este înnorat, efectul este mult mai puțin pronunțat) la aproximativ 90 de grade din direcția către Soare, adică astfel încât Soarele să fie în lateral, și în același timp Întoarceți în timp filtrul, apoi este clar că la o anumită poziție a filtrului pe cer apare o linie întunecată. Aceasta indică polarizarea luminii care emană din această zonă a cerului.

Filtrul polaroid ne dezvăluie un fenomen pe care albinele îl văd cu „ochiul simplu”. Dar nu ar trebui să creadă că albinele văd aceeași dungă întunecată pe cer. Poziția noastră poate fi comparată cu cea a unui daltonist complet, o persoană care nu poate vedea culorile. Cel care poate distinge doar negru, alb și diverse nuanțe de gri ar putea, uitându-se la lumea alternativ prin filtre de culori diferite, observați că imaginea lumii se schimbă oarecum.

De exemplu, printr-un filtru roșu, un mac roșu ar arăta diferit pe un fundal de iarbă verde; printr-un filtru galben, norii albi pe un cer albastru ar ieși mai puternic în evidență. Dar filtrele nu ar ajuta o persoană daltonică să înțeleagă cum arată lumea pentru o persoană cu viziune a culorilor. La fel ca filtrele daltoniste, un filtru de polarizare ne poate spune doar că lumina are o anumită proprietate care nu este percepută de ochi.

Polarizarea luminii care vine de pe cerul albastru poate fi observată de unii cu ochiul liber. Potrivit celebrului fizician sovietic Academician S.I. Vavilov, 25 ... 30% dintre oameni au această abilitate, deși mulți dintre ei nu sunt conștienți de ea.

Când observă o suprafață care emite lumină polarizată (de exemplu, același cer albastru), astfel de oameni pot observa o bandă galbenă slabă cu capete rotunjite în mijlocul câmpului vizual.

Orez. 2.

Pete albăstrui vizibile și mai slabe în centrul său, de-a lungul marginilor. Dacă planul de polarizare al luminii se rotește, atunci se rotește și banda galbenă. Este întotdeauna perpendicular pe direcția vibrațiilor luminii. Aceasta este așa-numita figură Heidinger, a fost descoperită de fizicianul german Heidinger în 1845.

Capacitatea de a vedea această cifră poate fi dezvoltată dacă reușiți să o observați măcar o dată. Interesant este că în 1855, nefiind familiarizat cu articolul lui Haidinger, publicat cu nouă ani mai devreme într-un jurnal german de fizică, Lev Tolstoi a scris (Tineretul, capitolul XXXII): „... Las involuntar cartea și mă uit la ușa deschisă. a balconului, în crengile încrețite agățate de mesteacăn înalți, pe care deja se așterne umbra serii, și în cerul senin, pe care, în timp ce privești cu atenție, o pată gălbuie și prăfuită apare și dispare din nou... ” a fost observația marelui scriitor.

Orez. 3.

În lumina nepolarizată (1), oscilațiile componentelor electrice și magnetice apar în planuri foarte diferite, care pot fi reduse la două, evidențiate în această figură. Dar nu există oscilații de-a lungul căii de propagare a fasciculului (lumina, spre deosebire de sunet, nu este cabrare). În lumina polarizată (2), se distinge un plan de oscilație.

În lumina polarizată în cerc (circular), acest plan este răsucit în spațiu de un șurub (3). O diagramă simplificată explică de ce lumina reflectată este polarizată (4). După cum sa menționat deja, toate planurile de oscilație existente în fascicul pot fi reduse la două, acestea fiind indicate prin săgeți. Una dintre săgeți se uită la noi și ne este vizibilă condiționat ca un punct. După reflectarea luminii, una dintre direcțiile de oscilație existente în ea coincide cu noua direcție de propagare a fasciculului și oscilații electromagnetice nu pot fi direcționate pe calea lor de propagare.

Figura Haidinger poate fi văzută mult mai clar atunci când este privită printr-un filtru verde sau albastru.

Polarizarea luminii dintr-un cer senin este doar un exemplu de fenomene de polarizare din natură. Un alt caz comun este polarizarea luminii reflectate, strălucirea, de exemplu, pe suprafața apei sau a vitrinelor din sticlă.

De fapt, filtrele fotografice polaroid sunt proiectate astfel încât fotograful să poată, dacă este necesar, să elimine aceste străluciri interferente (de exemplu, când fotografiați fundul unui rezervor de mică adâncime sau fotografiați picturi și exponate de muzeu protejate de sticlă). Acțiunea polaroidelor în aceste cazuri se bazează pe faptul că lumina reflectată este polarizată într-un grad sau altul (gradul de polarizare depinde de unghiul de incidență al luminii și la un anumit unghi, care este diferit pentru diferite substanțe, așa-numitul unghi Brewster, lumina reflectată este complet polarizată). Dacă privim acum strălucirea printr-un filtru polaroid, nu este greu să găsim o astfel de întorsătură a filtrului la care strălucirea este complet sau în mare măsură suprimată.

Utilizarea filtrelor polaroid în ochelari de soare sau parbrize vă permite să eliminați strălucirea orbitoare de la suprafața mării sau de pe o autostradă umedă.

De ce lumina reflectată și lumina împrăștiată din cer sunt polarizate? Un răspuns complet și riguros din punct de vedere matematic la această întrebare depășește scopul unei mici publicații de popularitate (cititorii îl pot găsi în literatura de specialitate enumerată la sfârșitul articolului). Polarizarea în aceste cazuri se datorează faptului că vibrațiile chiar și într-un fascicul nepolarizat sunt deja „polarizate” într-un anumit sens: lumina, spre deosebire de sunet, nu este vibrații longitudinale, ci transversale. Nu există oscilații în fascicul de-a lungul căii de propagare a acestuia (vezi diagrama). Oscilațiile componentelor magnetice și electrice ale undelor electromagnetice într-un fascicul nepolarizat sunt direcționate în toate direcțiile de la axa sa, dar nu de-a lungul acestei axe. Toate direcțiile acestor oscilații pot fi reduse la două, reciproc perpendiculare. Când fasciculul este reflectat din plan, acesta își schimbă direcția și una dintre cele două direcții de oscilație devine „interzisă”, deoarece coincide cu noua direcție de propagare a fasciculului. Fasciculul devine polarizat. Într-o substanță transparentă, o parte din lumină merge mai adânc, fiind refractată, iar lumina refractată este și ea polarizată, deși într-o măsură mai mică decât cea reflectată.

Lumina împrăștiată a cerului nu este altceva decât lumina soarelui, care a suferit multiple reflexii de la moleculele de aer, refractate în picături de apă sau cristale de gheață. Prin urmare, într-o anumită direcție de la Soare, este polarizat. Polarizarea are loc nu numai cu reflexia direcțională (de exemplu, de la suprafața apei), ci și cu reflexia difuză. Așadar, cu ajutorul unui filtru polaroid, este ușor de verificat dacă lumina reflectată de pavajul autostrăzii este polarizată. În acest caz, operează o dependență uimitoare: cu cât suprafața este mai întunecată, cu atât lumina reflectată de ea este mai polarizată.

Această dependență se numește legea lui Umov, după fizicianul rus care a descoperit-o în 1905. O autostradă asfaltată, conform legii lui Umov, este mai polarizată decât una din beton, iar una umedă este mai polarizată decât una uscată. O suprafață umedă nu este doar mai strălucitoare, dar este și mai întunecată decât una uscată.

Rețineți că lumina reflectată de suprafața metalelor (inclusiv din oglinzi - la urma urmei, fiecare oglindă este acoperită cu un strat subțire de metal) nu este polarizată. Acest lucru se datorează conductivității ridicate a metalelor, datorită faptului că acestea conțin o mulțime de electroni liberi. Reflexia undelor electromagnetice de pe astfel de suprafețe are loc diferit față de suprafețele dielectrice, neconductoare.

Polarizarea luminii cerului a fost descoperită în 1871 (după alte surse, chiar și în 1809), dar o explicație teoretică detaliată a acestui fenomen a fost dată abia la mijlocul secolului nostru. Cu toate acestea, după cum au descoperit istoricii care studiază vechile saga scandinave ale călătoriilor vikingilor, marinarii curajoși cu aproape o mie de ani în urmă au folosit polarizarea cerului pentru a naviga. De obicei navigau, ghidați de Soare, dar atunci când soarele era ascuns în spatele norilor continui, ceea ce nu este neobișnuit la latitudinile nordice, vikingii priveau cerul printr-o „piatră a soarelui” specială, care făcea posibil să se vadă o fâșie întunecată. pe cer la 90 ° față de direcția Soarelui dacă norii nu sunt prea denși. Din această bandă poți judeca unde este Soarele. „Piatra Soarelui” este aparent unul dintre mineralele transparente cu proprietăți de polarizare (cel mai probabil spatar islandez, comun în nordul Europei), iar apariția unei benzi mai întunecate pe cer se explică prin faptul că, deși Soarele nu este vizibil în spate norii, lumina cerului pătrunzând printre nori, rămâne oarecum polarizat. Cu câțiva ani în urmă, testând această presupunere a istoricilor, un pilot a zburat cu un avion mic din Norvegia până în Groenlanda, folosind doar un cristal din mineralul cordierit, care polarizează lumina, ca dispozitiv de navigație.

S-a spus deja că multe insecte, spre deosebire de oameni, văd polarizarea luminii. Albinele și furnicile, nu mai rele decât vikingii, folosesc această abilitate pentru a se orienta atunci când Soarele este acoperit de nori. Ce dă ochiului insectelor această capacitate? Cert este că în ochiul mamiferelor (inclusiv al oamenilor) moleculele pigmentului sensibil la lumină rodopsina sunt aranjate aleatoriu, iar în ochiul unei insecte aceleași molecule sunt stivuite în rânduri ordonate, orientate într-o singură direcție, ceea ce le permite. să reacţioneze mai puternic la lumina ale cărei vibraţii corespund planului de aşezare al moleculelor. Figura Haidinger poate fi văzută deoarece o parte a retinei noastre este acoperită cu fibre subțiri, paralele, care polarizează parțial lumina.

Efecte curioase de polarizare sunt observate și în fenomenele optice cerești rare, cum ar fi curcubeele și halourile. Faptul că lumina curcubeului este foarte polarizată a fost descoperit în 1811. Prin rotirea filtrului polaroid, puteți face curcubeul aproape invizibil. Lumina haloului este, de asemenea, polarizată - cercuri sau arcuri luminoase care apar uneori în jurul Soarelui și Lunii. În formarea atât a curcubeului, cât și a unui halou, împreună cu refracția, este implicată reflexia luminii și ambele procese, după cum știm deja, duc la polarizare. Polarizat și unele tipuri de aurore.

În sfârșit, trebuie menționat că lumina unor obiecte astronomice este și ea polarizată. Cel mai faimos exemplu este Nebuloasa Crabului din constelația Taur. Lumina emisă de acesta este așa-numita radiație sincrotron, care apare atunci când electronii care se mișcă rapid sunt decelerati de un câmp magnetic. Radiația sincrotron este întotdeauna polarizată.

Revenind pe Pământ, observăm că unele specii de gândaci, care au o strălucire metalică, transformă lumina reflectată din spate într-un cerc polarizat. Acesta este numele luminii polarizate, al cărei plan de polarizare este răsucit în spațiu în mod elicoidal, la stânga sau la dreapta. Reflexia metalică a spatelui unui astfel de gândac, atunci când este privită printr-un filtru special care dezvăluie polarizare circulară, se dovedește a fi stângacă. Toți acești gândaci aparțin familiei scarabeilor.Care este sensul biologic al fenomenului descris este încă necunoscut.

Mario Gliozzi

Mai devreme s-a spus despre fenomenul descoperit de Huygens, a cărui explicație, așa cum s-a declarat sincer, nu a putut-o da. O rază de lumină care a trecut printr-un cristal spatar islandez capătă o proprietate specială, datorită căreia, atunci când lovește un al doilea cristal spatar islandez cu o secțiune transversală principală paralelă cu primul, nu mai experimentează o dublă refracție, ci obișnuită. Dacă acest al doilea cristal spart este rotit, atunci va apărea din nou refracția dublă, dar intensitatea ambelor raze refractate va depinde de unghiul de rotație.

Pentru prima dată ani XIX secolului, inginerul militar francez Etienne Malus (1775-1812) s-a ocupat de studiul acestui fenomen, care în 1808 a descoperit că lumina reflectată din apă la un unghi de 52° 45 "are aceeași proprietate ca și lumina transmisă printr-un cristal spart islandez. , iar suprafața reflectorizantă este, parcă, secțiunea principală a cristalului.

Acest fenomen a fost observat și atunci când este reflectat de orice altă substanță, dar unghiul de incidență necesar a variat în funcție de indicele de refracție al substanței. În cazul reflexiei de pe o suprafață metalică, imaginea era mai complexă.

ÎN urmatoarea lucrare, scrisă în același an, Malus, experimentând cu un polariscop, care este încă descris în manualele de fizică sub denumirea de „Bio polariscope” și format din două oglinzi amplasate în unghi, ajunge la formularea cunoscutei legi care poartă numele lui.

Chiar în momentul în care Malus își desfășura cercetările, Academia de Științe din Paris a anunțat un concurs (1808) pentru cea mai bună teorie matematică a birefringenței, confirmată de experiență. Malus a luat parte la această competiție și a primit un premiu pentru a lui sens istoric lucrarea „Theorie de la double refraction de la lumiere dans les substances cristalisees” („Teoria dublei refracții a luminii în substanțe cristaline"), publicată în 1810. În ea, Malus descrie descoperirea sa și legea pe care a găsit-o; pentru a o explica, acceptă punctul de vedere al lui Newton „nu ca un adevăr incontestabil”, ci doar ca o ipoteză care vă permite să calculați fenomenul. Declarându-se, astfel, Ca susținător al teoriei corpusculare a luminii, Malus încearcă să găsească o explicație în polaritatea corpusculilor de lumină, pe care Newton o menționează pe scurt la întrebarea 26. În lumina naturală, așa cum se numește acum, corpusculii de lumină sunt orientate in toate directiile, in timp ce trec printr-un cristal birefringent sau reflectand, ele sunt orientate intr-un anume Malus numit lumina in care corpusculii au o anumita orientare polarizata, cuvant si derivatele lui care au ramas in fizica pana in zilele noastre.

Studiile de polarizare a luminii începute de Malus au fost continuate în Franța de Biot și Arago, iar în Anglia de Brewster, care la un moment dat era mai cunoscut pentru invenția sa a caleidoscopului (1817) decât descoperiri importanteîn domeniul opticii cristalului. În 1811, Malus, Biot și Brewster au descoperit în mod independent că fasciculul reflectat este, de asemenea, parțial polarizat.

În 1815, David Brewster (1781-1868) a completat aceste studii cu descoperirea legii care îi poartă numele: un fascicul reflectat este complet polarizat (iar fasciculul refractat corespunzător are polarizare maximă) când fasciculul reflectat și cel refractat sunt perpendiculare pe fiecare. alte.

Dominique Francois Arago (1786-1853) a stabilit polarizarea luminii semilunii, cometelor, curcubeului, confirmând astfel încă o dată că toate acestea sunt lumina reflectată de soare. Polarizată este și lumina emisă în unghiuri oblice de lichidul fierbinte și corpuri solide, ceea ce demonstrează că această lumină provine din straturile interioare ale materiei și se refractă, stingându-se. Dar cea mai importantă și mai faimoasă descoperire a lui Arago este polarizarea cromatică descoperită de el în 1811. Prin plasarea unei plăci de cristal de stâncă de 6 mm grosime pe calea unui fascicul polarizat și observând fasciculul care trece printr-un cristal spart, Arago a obținut două imagini pictate în culori complementare. Colorarea ambelor imagini nu s-a schimbat atunci când placa a fost rotită, ci s-a schimbat atunci când cristalul spart a fost rotit și ambele culori au rămas întotdeauna complementare. Deci, dacă una dintre imagini a fost mai întâi roșie la o anumită poziție a cristalului spart, atunci când a fost rotită, a devenit succesiv portocaliu, galben, verde etc. Biot a repetat acest experiment în 1812 și a arătat că unghiul de rotație al cristalul spart necesar pentru a obține o anumită culoare a imaginii, este proporțional cu grosimea plăcii. În plus, în 1815, Biot a descoperit fenomenul de polarizare circulară și prezența substanțelor dextrogirare și levogitoare.

În același an, Biot a descoperit că turmalina are dublă refracție și capacitatea de a absorbi un fascicul obișnuit și de a transmite doar unul extraordinar. Pe acest fenomen s-au bazat cunoscutele „clești de turmalină” proiectate de Herschel în 1820, cel mai simplu dispozitiv de polarizare, care a rămas neschimbat până în zilele noastre. Cel mai mare inconvenient al acestui dispozitiv a fost colorarea fasciculului. Prisma propusă în 1820 de fizicianul englez William Nicol (1768-1851) nu prezintă acest dezavantaj. Prisma Nicol permite de asemenea să treacă doar razele extraordinare. Combinația a două astfel de „nicoli”, așa cum sunt numite acum aceste prisme birefringente, într-un singur dispozitiv, care are încă cea mai largă aplicație, a fost realizată de însuși Nicol în 1839.

Astfel, principalele fenomene de polarizare a luminii, care este o ramură vastă și interesantă a fizicii, acum inclusă în toate manualele, au fost descoperite de fizicienii francezi în șapte ani, din 1808 până în 1815. Și din moment ce descoperirea unor astfel de fenomene interesante a avut loc sub steagul teoriei corpusculare, părea că ea primește în aceste fenomene încă o confirmare.

Acum este timpul să vorbim despre care este esența polarizarea luminii .

În sensul cel mai general, este mai corect să vorbim despre polarizarea undelor. Polarizarea luminii, ca fenomen, este un caz special de polarizare a undelor. La urma urmei, lumina este radiație electromagnetică în intervalul perceput de ochiul uman.

Ce este polarizarea luminii

Polarizare este o caracteristică a undelor transversale. Descrie poziția vectorului unei mărimi oscilante într-un plan perpendicular pe direcția de propagare a undei.

Dacă acest subiect nu a fost la cursurile de la universitate, atunci probabil vă veți întreba: care este această mărime oscilantă și pe ce direcție este perpendiculară?

Cum arată propagarea luminii dacă priviți această întrebare din punct de vedere al fizicii? Cum, unde și ce oscilează și unde zboară?

Lumina este o undă electromagnetică, care este caracterizată de vectori de intensitate câmp electric E și vector de tensiune camp magnetic H . Apropo, Fapte interesante despre natura luminii pot fi găsite în articolul nostru.

Conform teoriei Maxwell , undele luminoase sunt transversale. Aceasta înseamnă că vectorii E Și H sunt reciproc perpendiculare și oscilează perpendicular pe vectorul viteză de propagare a undei.

Polarizarea se observă numai la undele transversale.

Pentru a descrie polarizarea luminii, este suficient să cunoaștem poziția doar a unuia dintre vectori. De obicei, pentru aceasta, se ia în considerare vectorul E .

Dacă direcțiile oscilațiilor vectorului luminos sunt cumva ordonate, se spune că lumina este polarizată.

Luați lumina din figura de mai sus. Este cu siguranță polarizat, deoarece vectorul E oscileaza in acelasi plan.

Dacă vectorul E oscilează în planuri diferite cu aceeași probabilitate, atunci o astfel de lumină se numește naturală.

Prin definiție, polarizarea luminii este separarea razelor de lumina naturală cu o anumită orientare a vectorului electric.

Apropo! Pentru cititorii noștri există acum o reducere de 10% la orice fel de muncă

De unde vine lumina polarizată?

Lumina pe care o vedem în jurul nostru este cel mai adesea nepolarizată. Lumina de la becuri, lumina soarelui, este lumina in care vectorul de intensitate oscileaza in toate directiile posibile. Dar dacă treaba ta este să te uiți la un monitor LCD toată ziua, știi că vezi lumină polarizată.

Pentru a observa fenomenul de polarizare a luminii, trebuie să treceți lumina naturală printr-un mediu anizotrop, care se numește polarizator și „taie” direcțiile inutile ale vibrațiilor, lăsând una.

Un mediu anizotrop este un mediu care are proprietăți diferite în funcție de direcția în interiorul acestui mediu.

Cristalele sunt folosite ca polarizatori. Unul dintre cristalele naturale, adesea și mult timp folosit în experimente privind studiul polarizării luminii - turmalina.

O altă modalitate de a obține lumină polarizată este reflexia de la un dielectric. Când lumina cade pe interfața dintre două medii, fasciculul este împărțit în reflectat și refractat. În acest caz, razele sunt parțial polarizate, iar gradul de polarizare a acestora depinde de unghiul de incidență.

Relația dintre unghiul de incidență și gradul de polarizare a luminii se exprimă prin legea lui Brewster .

Când lumina incide pe o interfață la un unghi a cărui tangentă este egală cu indicele de refracție relativ al celor două medii, fasciculul reflectat este polarizat liniar, iar fasciculul refractat este polarizat parțial, predominând vibrațiile în planul de incidență al fasciculului.

Lumina polarizată liniar este lumina care este polarizată astfel încât vectorul E oscilează doar într-un anumit plan.

Aplicarea practică a fenomenului de polarizare a luminii

Polarizarea luminii nu este doar un fenomen interesant de studiat. Este utilizat pe scară largă în practică.

Un exemplu cu care aproape toată lumea este familiarizată este cinematografia 3D. Un alt exemplu sunt ochelarii polarizați, în care strălucirea soarelui pe apă nu este vizibilă, iar farurile mașinilor care se apropie nu orbesc șoferul. Filtrele polarizante sunt folosite în tehnologia fotografică, iar polarizarea undelor este folosită pentru a transmite semnale între antenele navelor spațiale.

Polarizarea nu este cel mai greu de înțeles un fenomen natural. Deși dacă sapi adânc și începi să te ocupi bine de legi fizice față de care se supune, pot apărea dificultăți.

Pentru a nu pierde timpul și a depăși dificultățile cât mai repede posibil, cereți sfaturi și ajutor de la autorii noștri. Vă vom ajuta să completați rezumatul munca de laborator, rezolva sarcini de control pe tema „polarizarea luminii”.

Obiective:

Educational:

1. Extindeți-vă înțelegerea despre lumina naturală.
2. Definiți fenomenul de polarizare a luminii.
3. Arătați elevilor importanța proprietăților transversale ale luminii pentru a demonstra natura electromagnetică a luminii.

Educational: Educația gândirii viziunii asupra lumii.

În curs de dezvoltare: Dezvoltarea gândirii independente, a inteligenței, a capacității de sistematizare a materialului, de a formula concluzii asupra materialului studiat.

Demonstrații:

Conținutul principal al materialului: Definirea fenomenului de polarizare. Conceptul de lumină naturală și polarizată. Unde luminoase transversale. Dovada naturii electromagnetice a luminii. Polaroid, aplicarea lor, polarizator.

Plan.

1. Istoria descoperirii polarizării.
2. Conceptul de lumină naturală și polarizată liniar.
3. Valoarea polarizării pentru a dovedi natura electromagnetică a luminii.
4. Analogia oscilațiilor unei unde luminoase cu oscilațiile mecanice.
5. Polarizarea luminii în timpul reflexiei și refracției.
6. Activitatea optică a materiei și rotația planului de polarizare.
7. Aplicarea fenomenului de polarizare.
8. Rezumând.

În timpul orelor

Tema prelegerii este scrisă pe tablă, se anunță scopul, se rostește structura de prezentare a materialului. Pe tablă sunt scrise întrebări de control la care elevii trebuie să răspundă după prezentarea materialului de către profesor. Polarizare - „polos” grecesc, lat. „polus” - capătul axei, polul.

Profesor: Conceptul de polarizare a luminii a fost introdus în optică de omul de știință englez Isaac Newton în 1706 și explicat de James Clerk Maxwell. În stadiul de dezvoltare a naturii ondulatorii a luminii, natura undelor luminoase era necunoscută, deși faptele experimentale se acumulau în favoarea naturii transversale a undelor electromagnetice.

Profesor. Făcând temele, a fost necesar să se repete conceptele: undă electromagnetică, undă transversală, ipoteza lui Maxwell despre unde electromagnetice, tren de unde, lumină naturală, anizotropie cristalină.

Ce este o undă electromagnetică?

Student. O undă electromagnetică este o oscilație interconectată a vectorilor câmpurilor electrice și magnetice, perpendiculare între ele și pe direcția de propagare a undei.

Ce este o undă transversală?

O undă transversală este o undă în care direcția oscilațiilor particulelor este perpendiculară pe direcția de propagare a undei.

Ce sunt undele electromagnetice din punctul de vedere al ipotezei lui Maxwell?

Conform ipotezei lui Maxwell, undele electromagnetice se propagă în spațiu cu o viteză finită - viteza luminii c=3 și sunt transversale.

Ce este un tren cu valuri?

Tren de unde - o undă emisă de un atom individual în timpul în care atomul se află într-o stare excitată: t=s.

Profesor. Ce este lumina naturală?

Student. Lumina naturală este radiația electromagnetică totală a multor atomi, deci o undă de lumină este un set de trenuri de unde cu o fază care se schimbă aleatoriu.

Lumina, în care vectorul luminos fluctuează aleatoriu simultan în toate direcțiile perpendiculare pe fascicul, se numește naturală.

Ce este anizotropia cristalină?

Anizotropia este o dependență proprietăți fizice cristal din direcție.

Profesor.

Pentru prima dată, experimentele privind polarizarea luminii cu spatul islandez au fost făcute de omul de știință olandez H. Huygens în 1690. Trecând un fascicul de lumină prin spatele islandez, Huygens descoperă anizotropia transversală a fasciculului de lumină, datorită anizotropiei proprietățile cristalului. Acest fenomen a fost numit birefringență. Dacă cristalul este rotit în raport cu direcția fasciculului inițial, atunci ambele fascicule se rotesc după ieșirea din cristal. În 1809, inginerul francez E. Malus a descoperit o lege care poartă numele lui. În experimentele lui Malus, lumina a fost trecută succesiv prin două plăci identice de turmalină. Lumina este direcționată perpendicular pe suprafața unui cristal de turmalină tăiat paralel cu axa optică. Când cristalul se rotește în jurul axei fasciculului, nu are loc modificarea intensității fasciculului de lumină. Dacă pe traseul fasciculului este plasat un al doilea cristal de turmalină, identic cu primul, atunci intensitatea luminii transmise prin aceste plăci variază în funcție de unghiul α dintre axele cristalelor conform legii Malus:

Intensitatea luminii transmise s-a dovedit a fi direct proporțională cu φ. ÎN undă longitudinală toate direcțiile din planul perpendicular pe fascicul sunt egale, așa că nici legea lui Malus și nici birefringența nu ar putea explica acest fenomen din punctul de vedere al undelor longitudinale.

Profesor. Pe calea luminii soarelui, puteți pune un dispozitiv special - un polarizator, care selectează una dintre toate direcțiile oscilațiilor vectoriale. Lumina, în care direcția oscilațiilor vectoriale este strict fixă, se numește polarizat liniar sau polarizat în plan.

Sub polarizarea luminii se înțelege separarea vibrațiilor luminii de lumina naturală cu o anumită direcție a vectorului electric.

Un experiment cu două polaroid, o lampă, un ecran.

Să facem un experiment cu două plăci de turmalină dreptunghiulare identice tăiate dintr-un cristal paralel cu axa sa optică. Axa optică a cristalului este direcția paralelă cu planul în care oscilează vectorul luminos.

Să punem o farfurie pe alta, astfel încât axele lor să coincidă în direcție. Să trecem un fascicul îngust de lumină prin perechea pliată.

Vom roti una dintre plăci, în timp ce observăm că luminozitatea fluxului luminos scade și lumina se stinge atunci când placa se rotește la 90 °, adică. unghiul dintre axele optice ale cristalelor va fi de 90°. Odată cu rotirea ulterioară a plăcii, fluxul de lumină transmis va începe din nou să crească, iar când placa se întoarce la 180 °, intensitatea fluxului de lumină va deveni din nou aceeași. Revenind la poziția inițială, fasciculul slăbește din nou, trece printr-un minim și atinge intensitatea anterioară atunci când placa revine în poziția inițială. Astfel, atunci când placa este rotită la 360 °, luminozitatea fluxului de lumină care trece prin ambele plăci atinge „max” de două ori și „min” de două ori.

Profesor: Care este motivul modificării luminozității fluxului de lumină? Rețineți că rezultatul nu depinde de care dintre cristale se rotește și de distanța dintre ele. Să facem din nou experimentul.

Vom roti primul cristal în jurul fasciculului.

Există o schimbare a luminozității?

Student: Nu.

Profesor: Vom roti al doilea cristal în raport cu fasciculul. Ce observăm?

Student: Vedem că luminozitatea fluxului luminos se modifică.

Profesor: Ce se poate spune despre o undă de lumină care vine de la o sursă de lumină? Care este diferența sa față de valul care a trecut prin primul cristal?

Student: Un cristal de turmalină este capabil să transmită vibrații luminoase numai atunci când acestea sunt direcționate într-un anumit mod în raport cu axa sa.

Unda luminoasă care vine de la sursa de lumină este transversală, primul cristal, fiind anizotrop, transmite vibrații luminoase situate într-un plan specific paralel cu axa optică, prin urmare, atunci când al doilea cristal este rotit cu 90°, când unghiul dintre optic. axele este de 90 °, lumina fluxului este stins.

Profesor: Acțiunea unei plăci de turmalină este aceea de a transmite vibrații al căror vector electric este paralel cu axa optică. Oscilațiile al căror vector este perpendicular pe axa optică sunt absorbite de placă. Fenomenul de polarizare demonstrează că lumina este o undă transversală. Concluzionăm că o undă luminoasă este un caz special de undă electromagnetică.

Planul în care au loc vibrațiile luminii după părăsirea cristalului este planul vibrațiilor.

Planul de polarizare este planul în care oscilează vectorul de inducție.

Unda de lumină care a trecut prin primul cristal este polarizată liniar sau polarizată în plan.

Intrare caiet: 1)Ipoteza lui Maxwell:

a) c= este viteza luminii.

Pentru o mai bună înțelegere, să facem o analogie între oscilațiile unei unde luminoase și oscilațiile mecanice.

O experienta. Dacă un cablu de cauciuc este atașat la rotorul unui generator de motor electric, atunci cablul va oscila în toate direcțiile, similar cu oscilația vectorului de intensitate. Pe traseul cablului puneți o fantă verticală.

Ce observăm?

Student: Vor trece doar acele vibrații, ale căror direcții sunt verticale și paralele cu fanta.

Polarizarea luminii se observa in timpul fenomenelor de reflexii si refractii, i.e. când o undă luminoasă cade pe interfața dintre medii. În fasciculul reflectat predomină oscilațiile perpendiculare pe planul de incidență, iar în cel refractat - plane paralele toamna.

Dacă o undă luminoasă se propagă într-un mediu omogen, atunci nu are loc polarizarea luminii. Lumina este parțial polarizată la reflectarea de la o suprafață dielectrică.

O undă luminoasă care trece prin soluții de zahăr, glucoză, un număr de acizi are o rotație a planului de polarizare. Unghiul de rotație este proporțional cu concentrația substanței din soluție. Astfel de soluții sunt optic active. Gradul de activitate optică în diferite substanțe este diferit. Polarimetrele sunt folosite pentru a măsura unghiul de rotație. Pentru toate substanțele active, unghiul de rotație al planului de oscilație este proporțional cu grosimea stratului și concentrația soluției.

Intrare caiet:

Substante optic active: zahar, glucoza, unii acizi.

Unghiul de rotație al planului de oscilație: ,

LA– rotatie specifica;
din- concentrare,
l este grosimea stratului.

Polarimetru– un dispozitiv pentru măsurarea unghiului de rotație al planului de polarizare în substanțe optic active.

Aplicarea polarizării.

Utilizarea polarimetrelor:

1. în Industria alimentară pentru a determina concentrația unei soluții, zahăr (zaharimetre), proteine, diverși acizi organici;
2. în medicină pentru a determina concentrația de zahăr din sânge prin unghiul de rotație al planului de polarizare;

Folosind Polaroid:

1. la înregistrarea vitrinelor, decorurilor de teatru;
2. atunci când fotografiați pentru a elimina strălucirea folosind filtre polarizante;
3. în geofizică - în studiul proprietăților norilor în determinarea caracteristicilor polarizării luminii împrăștiate de nori.
4. În cercetarea spațială - atunci când fotografiază nebuloase în lumină polarizată, ei studiază structura câmpurilor magnetice.
5. În transportul cu motor - pentru a proteja șoferii de efectul orbitor al farurilor vehiculelor care se apropie.
6. În utilizare inginerească metoda fotoelastică a - studiul tensiunilor apărute în piesele mașinii.

Rezumăm pe scurt răspunzând la întrebări (diapozitiv)

1. Ce proprietate a undelor luminoase este dovedită de fenomenul de polarizare?
2. Ce se numește polarizare?
3. Care este radiația unui atom individual?
4. Ce este lumina naturală?
5. De ce fenomenul de polarizare a luminii demonstrează că lumina este un caz special de unde electromagnetică?
6. Lumina reflectată de la suprafața apei este parțial polarizată. Cum să verific asta folosind un polaroid?

Concluzie.

Profesor: Ce proprietate a undelor luminoase ați întâlnit la lecție?

În lecție, ne-am familiarizat cu proprietatea undelor luminoase - polarizarea. Polarizarea undelor luminoase în timpul trecerii luminii prin medii anizotrope - cristale demonstrează experimental transversalitatea undelor luminoase.

O undă luminoasă în care oscilațiile vectorului luminos apar într-un anumit plan se numește polarizată. Lumina produsă de o sursă naturală nu este polarizată.

Literatură:

1. N.M. Godzhaev "Optics", - Moscova: " liceu", 1977.
2. Myakishev, A.Z. Sinyakov, B.A. Slobodskov. Fizică, optică, - Moscova: „Școala superioară”, 2003.
3. A.A. Pinsky Physics, clasa a XI-a, - Moscova: „Iluminismul”, 2002.

polarizarea luminii. Informații teoretice de bază

Fenomenul de polarizare a luminii este fenomenul de apariție a unei anumite orientări a vectorului undei luminoase în spațiu [literatura principală 1, 2, 3] .

Din teoria lui Maxwell se știe că o undă electromagnetică este transversală, adică , unde este direcția de propagare a undei. Orientarea unui vector într-un plan poate fi determinată prin următoarele raționamente și observații.

Să presupunem mai întâi că vectorul(Fig. 1) fix, adică nu își schimbă poziția în plan perpendicular pe direcția de propagare a undei. În acest caz, proiecțiile vectorului pe diferite planuri care trec prin X, va fi diferit.

Orez. 1. şi - două plane arbitrare care trec prin direcţia de propagare a undei X

De exemplu, în fig. 1 în mp. , iar în mp. , unde este unghiul dintre plane și .

Diferența în proiecțiile vectorului pe plan și ar trebui să conducă la faptul că unda va prezenta proprietăți diferite în raport cu planurile și .

O experienta:în cazul general, undele care se propagă direct de la sursă nu prezintă asemenea proprietăți. Faptul experimental obţinut înseamnă că ipoteza de mai sus despre poziţia fixă ​​a vectorului în planul perpendicular pe direcţia de propagare a undei nu corespunde realităţii.

O astfel de concluzie este în conformitate cu natura radiației. O undă de lumină dintr-o sursă naturală constă din multe trenuri de valuri emise de atomi individuali. Planul de oscilație (adică planul trasat prin direcția vectorului de undă și direcția fasciculului) pentru fiecare tren este orientat aleatoriu. Prin urmare, în lumină naturală, într-un plan perpendicular pe fascicul, sunt prezente simultan oscilații în toate direcțiile posibile ale vectorului (Fig. 2). Probabilitățile realizării lor sunt aceleași.

Orez. 2. Instantaneu vectorial lumina naturala intr-un plan perpendicular pe directia de propagare a undei

Prin urmare, valoarea vectorului, mediată pe timpul de observare, va fi aceeași în orice plan care trece prin direcția fasciculului. Acest lucru ar trebui ca unda să prezinte aceleași proprietăți în raport cu oricare dintre aceste planuri. Este exact ceea ce se observă în experiență.

Pentru ușurința analizei unor procese de manifestare a luminii, lumina naturală poate fi considerată ca o undă transversală rezultată din toate trenurile, care poate fi considerată monocromatică, în care direcția vectorului într-un plan perpendicular pe direcția de propagare rapidă și aleatorie. înlocuiți-vă reciproc [literatura suplimentară 2, 3]