Дифракция и интерференция света подтверждает волновую природу света. Но волны могут быть продольными и поперечными. Рассмотрим следующий опыт.
Поляризация света
Пропустим пучок света через прямоугольную пластину турмалина, одна из граней которой параллельна оси кристалла. Никаких видимых изменений не произошло. Свет лишь частично погасился в пластине и приобрел зеленоватую окраску.
картинка
Теперь после поместим еще одну пластину после первой. Если оси обоих пластин будут сонаправлены, ничего не произойдет. Но если второй кристалл начать вращать, то свет будет гаситься. Когда оси будут перпендикулярны, света вообще не будет. Он целиком поглотиться второй пластиной.
картинка
Сделаем два вывода:
1. волна света симметрична относительно направления распространения.
2. После прохождения первого кристалла волна перестает обладать осевой симметрией.
С точки зрения продольных волн объяснить это не удастся. Следовательно, свет – поперечная волна. Кристалл турмалина является поляроидом. Он пропускает световые волны, колебания которых происходят в одной плоскости. Это свойство хорошо проиллюстрировано на следующем рисунке.
картинка
Поперечность световых волн и электромагнитная теория света
Свет, который получается после прохождения поляроида, называется плоскополяризованным светом. В поляризованном свете, колебания происходят только в одном – поперечном направлении.
Электромагнитная теория света берет свое начало в работах Максвелла. Во второй половине 19 века Максвелл доказал теоретически существование электромагнитных волн, которые могут распространяться даже в вакууме.
И он предположил, что свет тоже является электромагнитной волной. В основе электромагнитной теории света лежит тот факт, что скорость света и скорость распространения электромагнитных волн совпадают.
К концу 19 века было окончательно установлено, что световые волны возникают из-за движения заряженных частиц в атомах. С признанием этой теории отпала необходимость в светоносном эфире, в котором распространяются световые волны. Световые волны - это не механические, а электромагнитные волны.
Колебания световой волны состоят из колебаний двух векторов: вектора напряженности и вектора магнитной индукции. За направление колебаний в световых волнах принято считать направление колебаний вектора напряженности электрического поля.
Поперечная волна - волна, распространяющаяся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой происходят колебания частиц среды (в случае упругой волны) или в которой лежат векторы электрического и магнитного поля (для электромагнитной волны).
К поперечным волнам относят, например, волны в струнах или упругих мембранах, когда смещения частиц в них происходят строго перпендикулярно направлению распространения волн, а также плоские однородные электромагнитные волны в изотропном диэлектрике или магнетике; в этом случае поперечные колебания совершают векторы электрического и магнитного полей.
Поперечная волна обладает поляризацией, т.е. вектор её амплитуды определённым образом ориентирован в поперечной плоскости. В частности, различают линейную, круговую и эллиптическую поляризации в зависимости от формы кривой, которую описывает конец вектора амплитуды. Понятие поперечной волны так же, как и продольной волны, до некоторой степени условно и связано со способом её описания. "Поперечность" и "продольность" волны определяются тем, какие величины реально наблюдаются. Так, плоская электромагнитная волна может описываться продольным Герца вектором. В ряде случаев разделение волн на продольные и поперечные вообще теряет смысл. Так, в гармонической волне на поверхности глубокой воды частицы среды совершают круговые движения в вертикальной плоскости, проходящей через волновой вектор , т.е. колебания частиц имеют как продольную, так и поперечную составляющие.
В 1809 году французский инженер Э. Малюс открыл закон, названный его именем. В опытах Малюса свет последовательно пропускался через две одинаковые пластинки из турмалина (прозрачное кристаллическое вещество зеленоватой окраски). Пластинки могли поворачиваться друг относительно друга на угол φ
Интенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной cos2 φ:
Явление Брюстера используется для создания поляризаторов света, а явление полного внутреннего отражения – для пространственной локализации световой волны внутри оптического волокна. Показатель преломления материала оптического волокна превышает показатель преломления окружающей среды (воздуха), поэтому световой луч внутри волокна испытывает на поверхности раздела волокно – среда полное внутреннее отражение и не может выйти за пределы волокна. С помощью оптического волокна можно послать луч света из одной точки пространства в другую по произвольной криволинейной траектории.
В настоящее время созданы технологии изготовления кварцевых волокон диаметром , которые практически не имеют внутренних и внешних дефектов, а их прочность не меньше прочности стали. При этом удалось снизить потери электромагнитного излучения в волокне до величины менее , а также существенно уменьшить дисперсию. Это позволило в 1988г. ввести в эксплуатацию волоконно-оптическую линию связи, соединившую по дну Атлантического океана Америку с Европой. Современные ВОЛС способны обеспечить скорость передачи информации свыше .
При большой интенсивности электромагнитной волны оптические характеристики среды, включая показатель преломления, перестают быть постоянными и становятся функциями электромагнитного излучения. Принцип суперпозиции для электромагнитных полей перестаёт выполняться, и среда называется нелинейной . В классической физике для описания нелинейных оптических эффектов используется модель ангармонического осциллятора . В этой модели потенциальную энергию атомного электрона записывают в виде ряда по степеням смещения x электрона относительно его положения равновесия
Cтраница 1
Поперечность световых волн и существование поляризованных лучей были установлены еще до возникновения электромагнитной теории света. При этом длительное время шла дискуссия, в какой из этих двух плоскостей происходят поперечные деформации эфира.
Поперечность световых волн при экспериментах обнаруживается в виде явлений поляризации. Если направление колебаний электрического поля в световой волне сохраняет постоянное направление в пространстве, то такой свет называется линейно поляризованным. Вращение электрического вектора иожет сопровождаться изменением его величины. В этом случае свет называется Вллиптически поляризованным. Наконец в том случае, когда вектор электри-неской напряженности хаотически изменяет свою ориентацию в пространстве, то такой свет называется неполяризованным.
Поперечность световых волн экспериментально была доказана впервые Юнгом на основе опытов Френеля и Араго (1816 г.) по интерференции поляризованных световых волн.
Истолковать поперечность световых волн в рамках упругостной волновой теории весьма затруднительно. Появление электромагнитной теории сняло все противоречия, которые неизбежно возникали при попытках Френеля построить строгую, внутренне непротиворечивую теорию распространения световых волн.
После того как поперечность световых волн была обнаружена и подтверждена многочисленными экспериментами, в уме Френеля родилась идея будущей динамической теории света, которая должна была быть построена в полном соответствии с принципами механики и характером оптических явлений на основе свойств эфира и свойств действующих на него сил. Эфир с необходимостью представлялся упругим твердым телом, поскольку лишь в таких веществах могут существовать поперечные механические волны. Но во времена Френеля математическая теория упругости твердых тел еще была неизвестна. Френель, возможно, с самого начала считал, что аналогию между эфиром и материальными веществами не удастся провести особенно далеко. Так или иначе, он предпочел исследовать законы распространения света экспериментально и истолковывать их на основе идеи поперечных волн.
Данный опыт обнаруживает поперечность световых волн. Его можно легко объяснить, если исходить из представлений о свете как об электромагнитных волнах.
Важнейшей из них является допущение поперечности световых волн. С помощью представления о поперечных световых волнах удается также превосходно объяснить и многочисленные другие явления, связанные с поляризацией света.
Выше было показано, что благодаря поперечности световой волны при наблюдении под прямым углом к направлению первичного пучка естественного света (6л / 2 на рис. 2.14) рассеянный свет должен быть полностью линейно поляризован в перпендикулярной первичному пучку плоскости. Однако при рассеянии в газе или жидкости с анизотропными молекулами поляризация рассеянного света обычно не бывает полной. Объясняется это тем, что направление вектора индуцированного падающей волной дипольного момента анизотропной молекулы не совпадает, вообще говоря, с направлением электрического поля волны. Деполяризация рассеянного света будет выражена тем сильнее, чем больше анизотропия поляризуемости молекул среды.
Однако для интересующего нас вопроса о поперечности световых волн механические теории света дали очень много, и плодотворность их для того времени стоит вне сомнения.
Явление поляризации света доказывает волновую природу света и поперечность световых волн.
В направлении вдоль магнитного поля компонента с v излучаться не будет вследствие поперечности световых волн, две другие компоненты с v Az / HZ / - Az / представятся в виде циркулярно-поляризованного света правого и левого вращения. В случае положительного заряда е направление круговой поляризации у красной и фиолетовой компонент должно быть обратным. Мы видели в § 170, что опыт дает соотношение, соответствующее отрицательному знаку заряда.
Если проводить наблюдения рассеянного света в направлении Ох, то в силу поперечности световых волн в этом направлении пойдут волны, обусловленные лишь той составляющей электрического вектора, которая перпендикулярна к Ох.
ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА, направленность его действий в плоскостях, поперечных лучу, проявляющаяся при нек-рых условиях; связана с поперечностью световых волн. Последняя обнаруживается напр, в след, опыте. Если луч солнечного света проходит через рассеивающую среду, в которой взвешены частицы меньших размеров, чем длина световой волны, или через флуоресцирующую жидкость, то свет рассеивается (или излучается) неодинаково в различных направлениях несмотря на изотропность среды. Для любой плоскости, в к-рой лежит проходящий луч, получается следующая диаграмма интенсивностей света, рассеянного под разными углами (фиг.
Цель урока : Сформировать у школьников понятие «Поперечность световых волн. Поляризация света».
Задачи:
Сформировать у школьников понятие «естественный и поляризованный свет»; познакомить с экспериментальным доказательством поперечности световых волн;
изучить свойства поляризованного света,
показать аналогию между поляризацией механических, электромагнитных и световых волн;
сообщить о примерах использования поляроидов в технике.
Тип урока: изучение нового материала
Скачать:
Предварительный просмотр:
Урок физики в 11 классе по теме «Поперечность световых волн. Поляризация света»
Цель урока : Сформировать у школьников понятие «Поперечность световых волн. П оляризация света».
Задачи :
Сформировать у школьников понятие «естественный и поляризованный свет»; познакомить с экспериментальным доказательством поперечности световых волн;
изучить свойства поляризованного света,
показать аналогию между поляризацией механических, электромагнитных и световых волн;
сообщить о примерах использования поляроидов в технике.
Тип урока: изучение нового материала
Оборудование урока : компьютер, проектор, презентация к уроку, поляроиды на каждой парте, резиновый шнур и две линейки, пластиковый корпус от CD-диска.
Ход урока
План.
- Организационный момент. (1 мин)
- Фронтальное повторение изученного материала.(10 мин)
- Изучение нового материала.(24 мин)
- Подведение итогов изучения нового материала. Рефлексия.(4 мин)
- Домашнее задание.(1 мин)
Подписи к слайдам:
Поперечность световых волн. Поляризация света.
Ответим на вопросы: 1. На какие два типа делят все волны? 2. Какие волны называют продольными? 3. Какие волны называют поперечными? 4. Что колеблется в поперечной механической волне? 5. К какому типу волн относится звуковая волна? 6. Какому типу волн относится электромагнитная волна? Почему?
Виды волн поперечные продольные
В 1865 году Максвелл, пришел к выводу, что свет - электромагнитная волна. Одним из аргументов в пользу данного утверждения является совпадение скорости электромагнитных волн, теоретически вычисленных Максвеллом, со скоростью света, определенной экспериментально (в опытах Ремера и Фуко).
турмалин Кристалл имеет ось симметрии и принадлежит к числу одноосных кристаллов.
Опыт Малюса 1810 г
Выводы: во-первых, что световая волна, идущая от источника света, полностью симметрична относительно направления распространения во-вторых, что волна, вышедшая из первого кристалла, не обладает осевой симметрией
Естественный свет Свет – поперечная волна. В падающем от обычного источника пучке волн присутствуют колебания всевозможных направлений, перпендикулярных направлению распространения волн. Световая волна с колебаниями по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения, называется естественной.
Поляризованный свет Кристалл турмалина обладает способностью пропускать световые волны с колебаниями, лежащими в одной определенной плоскости. Такой свет называется поляризованным или, точнее, плоскополяризованным в отличие от естественного света, который может быть назван также неполяризованным.
Поляроид Представляет собой тонкую (0.1 мм) пленку кристаллов герапатита, нанесенную на целлулоид или стеклянную пластинку. Прозрачные пленки (полимерные, монокристаллические и др.), преобразующие неполяризованный свет в линейно поляризованный, т.к. пропускают свет только одного направления поляризации. Поляроиды изобретены американским ученым Э. Лэндом в 1932 .
Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлектриков (например, воздуха и стекла), то часть его отражается, а часть преломляется и распространяется во второй среде. Устанавливая на пути отраженного и преломленного лучей анализатор (например, турмалин), можно убедиться в том, что отраженный и преломленный лучи частично поляризованы: при поворачивании анализатора вокруг лучей интенсивность света периодически усиливается и ослабевает (полного гашения не наблюдается!). Дальнейшие исследования показали, что в отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения (на рисунке они обозначены точками), в преломленном - колебания, параллельные плоскости падения (изображены стрелками).
Проверка на опытах поляризованности света, испускаемого различными источниками Жидкокристаллический монитор даёт поляризованный свет. При повороте поляризатора он ослабляется, при повороте на 90 полностью гасится. Поляризовано также излучение дисплея калькулятора. Поляризован свет дисплея мобильного телефона. Свет, отражённый от стекла, поляризован. Посмотрите на стекло через поляроид. Вращением поляроида добиваемся исчезновения бликов.
Поляризованный свет в природе Поляризован отраженный свет, блики, например, лежащие на поверхности воды, Рассеянный свет неба не что иное, как солнечный свет, претерпевший многократное отражение от молекул воздуха, преломившийся в капельках воды или ледяных кристаллах. Поэтому в определенном направлении от Солнца он поляризован. Многие насекомые в отличие от человека видят поляризацию света. Пчелы и муравьи не хуже викингов пользуются этой своей способностью для ориентировки в тех случаях, когда Солнце закрыто облаками. Поляризован свет некоторых астрономических объектов. Наиболее известный пример – Крабовидная туманность в созвездии Тельца. Некоторые виды жуков, обладающие металлическим блеском, превращают свет, отраженный от их спинки, в поляризованный по кругу. Так называют поляризованный свет, плоскость поляризации которого закручена в пространстве винтообразно, налево или направо.
комета Хейла-Боппа обычный снимок через поляроид
Некоторые применения поляроидов Солнцезащитные и антибликовые очки; Поляроидные фильтры в фотоаппаратах; Обнаружение дефектов в изделиях из прозрачного материала; Жидкокристаллические мониторы; Стереомониторы и стереочки.
Солнцезащитные поляризационные и антибликовые очки Безопасное вождение ночью, днем, в сумерки, туман и зимой. Поляризованные линзы снимают блики от лобового стекла, от мокрой дороги, от снега, защищают от фар встречных машин, снимают усталось, улучшают видимость в любую погоду. Они незаменимы для полярников, которым постоянно приходится смотреть на ослепительное отражение солнечных лучей от заледеневшего снежного поля.
Обнаружение напряжений в прозрачных телах (дефектоскопия): Если в прозрачном материале появляются напряжения (вызванные внутренними напряжениями или внешней нагрузкой), то материал начинает неоднородно поворачивать угол поляризации. Данный эффект в полимерах проявляется сильнее, чем в стекле. ОПЫТ: Зажмите прозрачную пластиковую коробку от CD -диска между двумя поляроидами. Свет испытывает неоднородную поляризацию, что проявляется в различной интенсивности проходящего через поляризаторы света, окрашиванием поля зрения в разные цвета в проходящем свете. При изгибе или сжатии коробки интенсивность проходящего света изменяется, изменяется и цвет прошедшего через поляроиды света. Так обнаруживают напряжения в прозрачных образцах.
Получение стереоизображения, стереомонитор Для получения эффекта объёма (стереоэффекта) необходимо показать каждому глазу свою картинку, так, как будто бы разные глаза смотрят на объект с разных ракурсов; всё остальное наш мозг достроит и рассчитает самостоятельно. В стереомониторе чётные и нечётные строки пикселей на экране должны иметь разное направление поляризации света. Линзы очков – поляризаторы, повёрнутые друг относительно друга на 90 градусов – через одну линзу очков видны только чётные строки, а через другую нечётные. Каждый глаз увидит только ту картинку, которая предназначена для него, поэтому изображение становится объёмным.
Принцип действия ЖК-дисплеев Работа ЖК-дисплеев основана на явлении поляризации светового потока. Жидкие кристаллы - это органические вещества, способные под действием напряжения поворачиваться в электрическом поле. Жидкие кристаллы обладают анизотропией свойств. В частности, в зависимости от ориентации по-разному отражают и пропускают свет, поворачивают его плоскость поляризации. Панель на тонкопленочных транзисторах похожа на многослойный бутерброд. Слой жидких кристаллов находится между двумя поляризационными панелями. Напряжение заставляет кристаллы работать подобно затвору, блокируя или пропуская свет. Интенсивность света, прошедшего через поляризатор, зависит от напряжения.
Жидкокристаллические мониторы и дисплеи
Вопросы: Чем отличается естественный свет от поляризованного? В чем заключается явление поляризации? Можно ли экспериментально доказать, что световые волны поперечные? Что называют поляроидом?
Выводы: Кристалл турмалина (поляроид) преобразует естественный свет в плоскополяризованный. Поляризация - одно из волновых свойств света. Различные источники света могут испускать как поляризованный, так и неполяризованный свет. При помощи поляроидов можно управлять интенсивностью света; Явление поляризации света встречается в природе, широко используется в современной технике. Свет – это поперечная волна.
Домашнее задание § 2.14, 2.15 Дополнительно: Найти материал о применение поляроидов и о поляризованном свете (представить в виде доклада в электронном виде)
http://course-crystal.narod.ru/p31aa1.html http://pda.ferra.ru/online/video/s4934/print/ http://3dliga.ru/3d-aboutus-technology.html http://www.fcenter.ru/online.shtml?articles/hardware/monitors/24761 http://physics.nad.ru/Physics/Cyrillic/ell_txt.htm
Дата публикации 16.02.2013 04:07
Долгое время родоначальники волновой оптики Т. Юнг и О. Френель знали, что световые волны являются продольными, то есть они подобны волнам звуковым. В то время световые волны воспринимались как упругие волны в эфире, которые заполняют все пространство и проникают внутрь каждого тела. Казалось, что такие волны не могут называться поперечными.
Но все же понемногу набиралось все больше экспериментальных доказательств и фактов, которые не удавалось объяснить, предполагая, что световые волны – продольные. Ведь поперечные волны могли существовать исключительно в твердых телах. Но как может тело двигаться в твердом эфире без сопротивления? Эфир же никак не должен тормозить движение тел. Ведь в противном случае закон инерции не выполнялся бы.
Можно рассмотреть один простой и полезный эксперимент с кристаллом турмалина. Он прозрачен и имеет зеленую окраску.
У кристалла турмалина имеется ось симметрии. Этот кристалл причисляют к одноосным кристаллам. Берется прямоугольная пластина турмалина, вырезается так, чтобы одна ее грань находилась параллельно к оси самого кристалла. Если пучок электрического или солнечного света направлять нормально на эту пластину, то вращение пластины вокруг него не вызовет изменений в интенсивности света, который через нее проходит. Возникает ощущение, что проходящий свет в турмалине поглотился частично и приобрел светло-зеленую окраску. Больше ничего не происходит. Но это ошибочно. Волна света приобретает новые свойства.
Их можно обнаружить, если пучок света пройдет через такой же второй кристалл турмалина, который находится параллельно первому. При одинаковом направлении осей двух кристаллов также ничего любопытного не происходит, только пучок света все больше ослабляется из-за поглощения, проходя через второй кристалл. Но при вращении второго кристалла, если при этом первый оставить неподвижно, обнаружится интересное явление под названием «гашение света». В процессе увеличения угла между двумя данными осями уменьшается насыщенность пучка проходящего света. Когда две оси перпендикулярны по отношению одна к другой, свет не может пройти вообще. Он будет полностью поглощаться вторым кристаллом. Как это объясняется?
Поперечность световых волн
Из описания фактов, показанных ранее, следует:
1. Во-первых, световая волна, которая идет от источника света, абсолютно симметрична по отношению к направлению, по которому происходит распространение. При обороте данного кристалла вокруг проходящего луча света при первом проведенном опыте его интенсивность не изменялась.
2. Во-вторых, волна, выходящая из первого кристалла, не будет обладать осевой симметричностью. Интенсивность проходящего света через другой кристалл зависит от его поворота.
Продольные волны отличаются полной симметрией относительно направления распространения. Колебания продольных волн происходят вдоль такого направления, это колебание и является осью симметрии волны. Именно поэтому пояснить опыт с вращением второго кристалла, считая волну света продольной, не представляется возможным: это – поперечные волны.
Можно в полной мере объяснить опыт, делая два предположения:
Предположение номер один относится непосредственно к свету: световые волны – поперечные волны. Но в падающем от источника света пучке световых волн присутствуют колебания различных направлений, которые перпендикулярны направлению, по которому происходит распространение такой волны. В данном случае, рассматривая такое предположение, можно сделать вывод, что волна света имеет осевую симметрию, в это же время являясь поперечной. К примеру, волны на водной поверхности подобной симметрии не имеют, потому что колебания частиц воды происходят исключительно в вертикальной плоскости.
Волны света с колебаниями в различных направлениях, которые перпендикулярны направлениям распространения, называются естественными. Это название является оправданным, потому что в стандартных условиях разные источники освещения создают именно такие волны. Это предположение объясняется результатами первого проведенного опыта. Вращение турмалинового кристалла не изменяет насыщенности проходящего пучка света, потому что данная падающая волна имеет осевую симметрию, даже несмотря на то, что она – поперечная волна.
Второе предположение относится к самому кристаллу. Турмалин обладает свойством пропускать волны света с колебаниями, которые происходят в определенной плоскости. Этот свет называется поляризованным (или плоскополяризованным). Он отличается от естественного, неполяризованного.
Данное предположение объясняется вторым опытом. Из первого кристалла турмалина выходит плоскополяризованный свет (волна). При скрещении кристаллов под углом девяносто градусов волна не может пройти сквозь второй из них. Если угол скрещения другой, то будут проходить колебания, амплитуда которых будет равна проекции амплитуды волны, прошедшей через первую пластину в направлении оси второй. Именно это и является доказательством теории о том, что световые волны – поперечные волны.
