Поляризация света в физике - формулы и определения с примерами

Содержание:

Поляризация света:

В продольной волне колебания происходят вдоль направления распространения волны.

В поперечной волне колебания происходят в направлении, перпендикулярном направлению распространения.

Рассмотрим еще одно важное свойство света, которое состоит в том, что свет может быть поляризован. Слово поляризация происходит от латинского polus — конец оси, полюс. Применительно к свету термин «поляризация» ввел Ньютон. Для того чтобы лучше разобраться в этом явлении, рассмотрим пример механической волны, бегущей по веревке. В ней можно возбудить поперечные волны, колебания в которых могут происходить как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости (рис. 46).

Если в направлении распространения такой волны поставить два ящика со щелями, параллельными направлениям колебаний в волне, то волна пройдет через оба из них (рис. 47, а). Если же один из ящиков повернуть на 90°, так чтобы щели были взаимно перпендикулярны, то волна не пройдет через второй ящик (рис. 47, б).

Таким образом, поперечные волны «погасить» можно. Продольные волны, в которых колебания совершаются вдоль направления распространения, так
«погасить» невозможно, поскольку они будут проходить через щели ящиков при их произвольной взаимной ориентации.

Если представить теперь поперечную волну, колебания в которой происходят вдоль любых прямых линий в плоскости, перпендикулярной ее направлению распространения, то погасить такую волну можно, пропустив ее через два ящика со скрещенными щелями. При пропускании такой волны через один ящик в ней будут оставаться колебания, параллельные его щели.

Таким образом, в поляризованной волне существует выделенное направление.

Поперечная волна называется плоскополяризованной, если колебания во всех ее точках происходят только в одной плоскости.

Прибор, превращающий неполяризованную волну в поляризованную, называется поляризатором. Прибор, позволяющий установить, поляризована или нет проходящая через него волна, называется анализатором.

Явление поляризации световых волн можно обнаружить, пропуская свет через две одинаковые пластинки, вырезанные из кристалла турмалина (рис. 48).

Если пластинки расположены и ориентированы параллельно друг другу, то свет попадает в глаз наблюдателя. Если после этого поворачивать одну из пластин в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света, то попадающий в глаз наблюдателя свет будет постепенно ослабевать. При скрещивании пластин свет не будет попадать в глаз наблюдателя (см. рис. 48). Дальнейшее вращение пластины приведет к увеличению интенсивности пропускаемого света. Максимальное пропускание будет наблюдаться при одинаковой ориентации пластин

Рассмотренный эксперимент показывает, что электромагнитные волны — поперечны.

Совокупность явлений, в которых проявляется свойство поперечности световых волн, называется поляризацией света.

В качестве направления поляризации электромагнитных волн принято выбирать направление колебаний напряженности электрического поля £, потому что на сетчатку глаза действует электрическое поле световой волны.

Плоскость поляризации определяется как плоскость, содержащая напряженность электрического поля и скорость волны. Если колеблется только в этой плоскости, то свет называется плоскополяризованным или линейно поляризованным (рис. 49).

Если же конец вектора  при колебаниях описывает окружность (рис. 50), то свет называется поляризованным по кругу, а если — эллипс, то — эллиптически поляризованным (рис. 51).

Свет также может быть неполяриэованным, или естественным. В этом случае колебания вектора происходят неупорядоченно по всевозможным направлениям, но остаются все время перпендикулярными к направлению распространения.

Неполяризованный свет излучается большинством окружающих нас источников, к которым относятся Солнце, другие звезды, лампы накаливания и т. д.

Поляризованный свет дают экраны калькуляторов, мобильных телефонов, а также жидкокристаллические мониторы и телевизоры. В этом легко убедиться с помощью поляроидных очков, вращая, например, экран мобильного телефона в плоскости, нормальной лучу зрения (см. рис. 48). При некотором положении телефона его экран практически полностью затемнится.

Что такое поляризация света

Явления интерференции и дифракции света доказали, что свет имеет волновую природу. Вам известно из 10-го класса, что волны разделяются на: продольные и поперечные. В продольных волнах направление колебания частицы среды совпадает с направлением распространения волны, а в поперечных волнах направления перпендикулярны.

В течение долгого времени основатели волновой оптики Юнг и Френель считали, что световые волны являются продольными волнами. Так как продольные механические волны могут распространяться в твердых, жидких и газообразных средах. А поперечные механические волны могут распространяться только в твердых телах. Однако многие проведенные эксперименты объяснить невозможно, если рассматривать световые волны как продольные. Рассмотрим один из таких экспериментов.

• Заказать решение задач по физике

Пусть из кристалла турмалина, расположенного параллельно одной из осей кристаллической решетки плоскости, вырезана пластина. Эту пластину расположим перпендикулярно лучу света (рис. 4.24).

Медленно вращаем пластину вокруг оси проходящего луча света. Видим, что не происходит никакого изменения в интенсивности света, прошедшего через турмалин. Эксперимент повторим: расположим после пластины еще одну такую же пластину  .В этот раз, оставляя в покое пластину , медленно вращаем пластину , вокруг оси. При этом наблюдаем изменение интенсивности света, проходящего через пластины. Интенсивность света уменьшается от максимального значения до нуля в зависимости от вращения пластины , относительно , (рис. 4.24). Исследования показали, что если оси пластин будут параллельными, интенсивность проходящих лучей будет высокой, если перпендикулярны, то равна нулю. В результате эксперимента доказали, что интенсивность проходящего света зависит от

Для объяснения этого явления рассмотрим прохождение продольной и поперечной волн через решетки (рис. 4.25).

Возьмем веревку и закрепим один из ее концов. Второй конец пропустим между двумя щелями решетки и встряхнем. По всей длине веревки создаются поперечные волны. В первом случае из-за того, что решетки расположены параллельно, волны проходят через обе решетки. Если вторую решетку установим поперечно, волна через нее не проходит, а гаснет. Если эксперимент повторить с продольными волнами, можно увидеть, что они проходят через обе решетки.

Если сопоставить явления, наблюдаемые на свету с турмалиновыми пластинками и переход поперечных механических волн через решетки, то выясняется, что они похожи. Отсюда делаем вывод, что световые волны являются поперечными волнами.

На рис 4.25 видно, что если решетку поставить поперечно, то волна через нее не проходит. Но на опыте по прохождению света через турмалиновую пластину видим, что если пластину вращать вокруг своей оси, через нее проходит свет. Когда вращаем пластину уменьшается интенсивность света, падает до нуля. Значит, когда свет проходит через меняются его свойства.

Это можно объяснить следующим образом. Излучаемые волны беспорядочно распространяются в разные стороны из-за неупорядоченного расположения атомов в источнике света и неодновременного испускания луча. Поэтому направления векторов напряженности электрического и магнитного полей будут беспорядочными. Когда они попадают на пластину через кристаллическую решетку лучи проходят в одном определенном направлении (рис. 4.26).

Значит, направления векторов напряженности электрического и магнитного полей световой волны, прошедший через  будут упорядоченными. Этот свет называется поляризованным светом. Явление, которое мы наблюдали, называется поляризацией света. Как было сказано выше, на пластину , падает поляризованный свет. Интенсивность света, прошедшего через нее, определяется по закону Малиуса:

Как было сказано выше, свет состоит из электромагнитной волны, образующейся в результате совместного распространения двух взаимно перпендикулярных колебаний (рис. 4.8). Исторически сложилось, что плоскость, на которой лежат колебания вектора напряженности электрического поля называется плоскостью колебания. Плоскость на которой лежат колебания вектора напряженности магнитного поля называется плоскостью поляризации.

Если направления колебания векторов электромагнитной волны каким-то образом упорядочены, то этот свет называется поляризованным светом. Если колебания вектора происходят только в одной плоскости, такой свет называют плоско (или прямолинейно) поляризованным светом.

Прибор, с помощью которого можно поляризовать естественный свет, называется поляризатором. Его изготавливают из турмалина, исландского шпата и других прозрачных кристаллов. Для определения степени поляризации света и положения поляризационной плоскости также используют поляризаторы. В последнем случае их называют анализаторами. На рисунке 4.24 пластина выполняет функцию поляроида, пластина - функцию анализатора.

Стало известно, что поляризация света происходит не только в турмалиновом кристалле, но и в других кристаллах. Например, исландский шпат. Его толщина может быть 0,1 мм и меньше. Приклеивая такую пленку к целлулоиду, получают поляризатор - это пластина площадью несколько квадратных дециметров.

Поляризованный свет широко используют в технике. Например, для получения качественного фото, определения концентрации органических кислот, белка и сахара в растворах.

Определение поляризации света

В результате распространения волн в среде происходят . вспомните пройденное. следующие явления:

• а) колебательное движение частиц среды, в которой распространяется волна: частицы среды совершают только колебания около положения равновесия, и в волне не происходит перенос вещества;
• б) взаимодействие частиц среды с соседними частицами: в результате взаимодействия частиц среды происходит перенос энергии.

Поперечная волна - это волна, колебания частиц среды в которой происходят перпендикулярно направлению распространения волны. Поперечные волны могут распространяться в твердых средах и на поверхности жидкостей. Поперечные волны распространяются в среде в виде выпуклостей и впадин.

Свет, отраженный от белого снега зимой, и свет фар встречных автомобилей ночью беспокоят водителей (а) и иногда становятся причиной дорожно-транспортных происшествий. Водителям рекомендуют в таких ситуациях пользоваться поляроидными очками, которые обеспечивают нормальное видение предметов вокруг (b).

Одним из важнейших результатов теории Максвелла стало го, что свет является поперечной электромагнитной волной. Согласно этой теории, свет, являясь электромагнитной волной, представляет собой распространение в пространстве колебаний векторов напряженности электрического и индукции магнитного полей (). Эти колебания происходят по всем направлениям в плоскостях, перпендикулярных друг другу и направлению скорости распространения (е). Например, белый свет, излучаемый Солнцем, является естественной световой волной.

Явления интерференции и дифракции наблюдаются и в продольных, и в поперечных волнах, поэтому с их помощью невозможно определить поперечность световых волн. Однако существует другое оптическое явление, с помощью которого это можно подтвердить. Это явление поляризации света.

Поляризованный свет - часть естественного света, отделенная от него специальным приспособлением, в которой колебания вектора происходят в определенной плоскости (см. е).

Одним из таких приспособлений, поляризующих свет, является кристалл турмалина. Один из опытов, проведенных с помощью кристаллов турмалина, заключается в следующем: на пластину турмалина направляют перпендикулярный луч белого света. На первый взгляд кажется, что прошедший через него свет не изменяется. Но на самом деле кристалл турмалина пропускает свет, в котором вектор колеблется только в одной определенной плоскости М (см. е). Значит, через пластину турмалина проходит плоскополяризованный свет. Такая пластина называется поляроидом. Чтобы проверить, действительно ли поляризован свет, перед прошедшим через поляроид свет ставят вторую такую же пластину - анализатор.

Становится понятно, что свет полностью проходит сквозь обе пластины, когда оси 00' поляроида и анализатора параллельны (f). При изменениях угла между осями пластин в пределах наблюдается уменьшение интенсивности проходящего сквозь них света - частичное прохождение света. Но когда оси 00' перпендикулярны друг другу, свет не проходит сквозь анализатор (g).