Що доводить поляризація. Характер поляризації світла

Цілі:

Освітні:

Розширити уявлення про природне світло.
Дати визначення явища поляризації світла.
Показати учням важливість поперечних якостей світла на підтвердження електромагнітної природи світла.

Виховні:Виховання світоглядного мислення.

Розвиваючі:Розвиток самостійності мислення, інтелекту, уміння систематизувати матеріал, формулювати висновки з вивченого матеріалу.

Демонстрації:

Основний зміст матеріалу:Визначення явища поляризації. Поняття природного та поляризованого світла. Поперечність світлових хвиль. Підтвердження електромагнітної природи світла. Поляроїди, їх застосування, поляризатор.

План.

Історія відкриття поляризації.
Поняття про природне та про лінійно-поляризоване світло.
Значення поляризації для підтвердження електромагнітної природи світла.
Аналогія коливань світлової хвилі із механічними коливаннями.
Поляризація світла при відображенні та заломленні.
Оптична активність речовини та обертання площини поляризації.
Застосування явища поляризації.
Підбиття підсумків.

Хід уроку

На дошці записується тема лекції, оголошується ціль, промовляється структура викладу матеріалу. На дошці записані контрольні питання, куди учні мають відповісти після викладу матеріалу вчителем. Поляризація - грецьк. «polos», лат. "polus" - кінець осі, полюс.

Вчитель:Поняття поляризації світла було введено в оптику англійським вченим Ісааком Ньютоном в 1706 р. і пояснено Джеймсом Клерком Максвеллом. На етапі розвитку хвильової природи світла природа світлових хвиль була невідома, хоча накопичувалися експериментальні факти на користь поперечності електромагнітних хвиль.

Вчитель.Виконуючи домашнє завдання, треба було повторити поняття: електромагнітна хвиля, поперечна хвиля, гіпотеза Максвелла про електромагнітні хвилі, хвильове цуг, природне світло, анізотропія кристала.

Що таке електромагнітна хвиля?

Учень.Електромагнітна хвиля є взаємозалежними коливаннями векторів напруженості електричного і магнітного полів, перпендикулярних один до одного і напряму поширення хвилі.

Що таке поперечна хвиля?

Поперечна хвиля – це хвиля, у якій напрямок коливань частинок перпендикулярні до напряму поширення хвилі.

Що є електромагнітні хвилі з погляду гіпотези Максвелла?

По гіпотезі Максвелла електромагнітні хвилі поширюються у просторі з кінцевою швидкістю – швидкістю світла с=3 і поперечними.

Що таке хвильовий цуг?

Хвильовий цуг – хвиля, випромінювана окремим атомом протягом часу, коли атом перебуває у збудженому стані: t=с.

Вчитель. Що таке природне світло?

Учень.Природне світло являє собою сумарне електромагнітне випромінювання безлічі атомів, тому світлова хвиля - це набір хвильових цугів з фазою, що безладно змінюється.

Світло, у якого світловий вектор коливається безладно одночасно у всіх напрямках, перпендикулярних до променя, називається природним.

Що таке анізотропія кристала?

Анізотропія – це залежність фізичних властивостейкристала від спрямування.

Вчитель.

Вперше досліди з поляризації світла з ісландським шпатом було поставлено голландським ученим Х. Гюйгенсом в 1690 р. Пропускаючи світловий промінь крізь ісландський шпат, Гюйгенс відкриває поперечну анізотропію світлового променя, зумовлену анізотропією властивостей кристала. Це явище було названо подвійним променезаломленням. Якщо кристал повертати щодо напрямку початкового променя, то повертаються обидва промені після виходу із кристала. В 1809 французький інженер Е. Малюс відкрив закон, названий його ім'ям. У дослідах Малюса світло послідовно пропускалося через дві однакові платівки з турмаліну. Світло направлялося перпендикулярно поверхні кристала турмаліну, вирізаного паралельно оптичної осі. При обертанні кристала навколо осі променя зміна інтенсивності світлового променя не відбувається. Якщо на шляху променя поставити другий, ідентичний першому кристал турмаліну, то інтенсивність світла, що пройшов крізь ці пластинки, змінюється в залежності від кута між осями кристалів згідно з законом Малюса:

Інтенсивність минулого світла виявилася прямо пропорційною. У поздовжній хвилі всі напрями в площині, перпендикулярній до променя, рівноправні, тому ні закон Малюса, ні подвійне променезаломлення не змогли пояснити дане явище з точки зору поздовжніх хвиль.

Вчитель.На шляху сонячного світла можна поставити спеціальний пристрій - поляризатор, що виділяє один із усіх напрямків коливань вектора. Світло, у якого напрям коливань вектора суворо фіксовано, називається лінійно-поляризованим або плоско-поляризованим.

Під поляризацією світла розуміють виділення із природного світла світлових коливань з певним напрямом електричного вектора.

Експеримент із двома поляроїдами, лампою, екраном.

Виконаємо досвід із двома однаковими прямокутними пластинками з турмаліну, вирізаними з кристала паралельно його оптичній осі. Оптична вісь кристала – це напрямок, паралельний площині, у якій відбувається коливання світлового вектора.

Накладемо одну пластину на іншу так, щоб їх осі збігалися у напрямку. Через складену пару пропустимо вузький пучок світла.

Повертатимемо одну з пластин, при цьому зауважимо, що яскравість світлового потоку слабшає і світло гаситься, коли пластина повернеться на 90 °, тобто. кут між оптичними осями кристалів становитиме 90°. При подальшому обертанні пластинки світловий потік, що проходить, знову почне посилюватися і коли пластинка повернеться на 180°, інтенсивність світлового потоку знову стане колишньою. Повертаючись у вихідне положення, пучок знову слабшає, проходить через мінімум і сягає колишньої інтенсивності при поверненні пластини у вихідне положення. Таким чином, при повороті пластинки на 360° яскравість світлового потоку, що проходить через обидві пластини, двічі досягає max і два рази min.

Вчитель:У чому причина зміни яскравості світлового потоку? Зазначимо, що результат не залежить від того, який із кристалів обертається і на якій відстані один від одного вони знаходяться. Зробимо ще раз досвід.

Повертатимемо перший кристал навколо променя.

Чи спостерігається зміна яскравості?

Учень:Ні.

Вчитель:Повертатимемо другий кристал щодо променя. Що спостерігаємо?

Учень:Бачимо, що яскравість світлового потоку змінюється.

Вчитель:Що можна сказати про світлову хвилю, що йде від джерела світла? Яка її відмінність від хвилі, що пройшла через перший кристал?

Учень:Кристал турмалина здатний пропускати світлові коливання лише тому випадку, що вони спрямовані певним чином щодо його осі.

Світлова хвиля, що йде від джерела світла, є поперечною, перший кристал, будучи анізотропним, пропускає світлові коливання, що лежать в одній певній площині паралельної оптичної осі, тому при повороті другого кристала на 90°, коли кут між оптичними осями складе 90°, світловий потік гаситься.

Вчитель:Дія турмалінової пластинки полягає в тому, що вона пропускає коливання, електричний вектор яких паралельний до оптичної осі. Коливання, вектор яких перпендикулярний до оптичної осі, поглинаються пластинкою. Явище поляризації доводить, що світло – поперечна хвиля. Робимо висновок, що світлова хвиля – це окремий випадок електромагнітної хвилі.

Площина, в якій відбуваються світлові коливання, після виходу з кристала є площиною коливань.

Площиною поляризації є площина, в якій коливання вектор індукції .

Світлова хвиля, що пройшла перший кристал, є лінійно-поляризованою або плоско-поляризованою.

Запис у зошиті: 1)Гіпотеза Максвелла:

а) з = - швидкість світла.

Для кращого розуміння проведемо аналогію коливань світлової хвилі із механічними коливаннями.

Досвід.Якщо гумовий шнур приєднати до ротора генератора електродвигуна, то шнур коливатиметься у всіх напрямках, подібно до коливання вектора напруженості . На шляху шнура поставимо вертикальну щілину.

Що спостерігаємо?

Учень:Пройдуть лише ті коливання, напрямки яких вертикальні та паралельні щілини.

Поляризація світла спостерігається при явищах відбиття і заломлення, тобто. при падінні світлової хвилі на межу поділу середовищ. У відбитому промені переважають коливання, перпендикулярні площині падіння, а заломленому – паралельні площині падіння.

Якщо світлова хвиля поширюється в однорідному середовищі, то поляризації світла немає. Світло частково поляризується при відображенні поверхні діелектрика.

У світлової хвилі, що проходить через розчини цукру, глюкози, ряду кислот спостерігається поворот поверхні поляризації. Кут повороту пропорційний концентрації речовини у розчині. Такі розчини оптично активні. Ступінь оптичної активності у різних речовин різна. Для виміру кута повороту застосовують поляриметри. Для всіх активних речовин кут повороту площини коливань пропорційний товщині шару та концентрації розчину.

Запис у зошиті:

Оптично активні речовини: цукор, глюкоза, деякі кислоти.

Кут повороту площини коливань: ,

До- Питоме обертання;
з- Концентрація,
l- Товщина шару.

Поляриметр– прилад для вимірювання кута повороту поверхні поляризації в оптично активних речовинах.

Застосування поляризації.

Використання поляриметрів:

у харчовій промисловості для визначення концентрації розчину, цукру (сахариметри), білків, різних органічних кислот;
в медицині для визначення концентрації цукру в крові за кутом повороту площини поляризації;

Використання поляроїдів:

під час оформлення вітрин, театральних декорацій;
при фотографуванні для усунення відблисків за допомогою поляризаційних фільтрів;
у геофізиці – щодо властивостей хмар щодо характеристик поляризації світла, розсіяного хмарами.
У космічних дослідженнях – під час фотографування туманностей у поляризованому світлі досліджують структуру магнітних полів.
В автотранспорті – для захисту водіїв від сліпучої дії фар зустрічних автомашин.
У машинобудуванні використання фотопружного метода – вивчення напруг, що у деталях машин.

Короткі підсумки підбиваємо, відповідаючи на запитання (слайд)

Яку властивість світлових хвиль доведено за допомогою явища поляризації?
Що називають поляризацією?
Що таке випромінювання окремого атома?
Що є природним світлом?
Чому явище поляризації світла доводить, що світло є окремим випадком електромагнітної хвилі?
Світло, відбите від поверхні води, частково поляризоване. Як переконатися в цьому, застосовуючи поляроїд?

Висновок.

Вчитель: З якою властивістю світлових хвиль ви познайомилися на уроці?

На уроці ми познайомилися із властивістю світлових хвиль – поляризацією. Поляризація світлових хвиль під час проходження світла через анізотропні середовища – кристали експериментально доводить поперечність світлових хвиль.

Світлова хвиля, в якій коливання світлового вектора відбуваються у певній площині, називається поляризованою. Світло, створюване природним джерелом, не поляризоване.

Література:

Н.М. Годжаєв "Оптика", - Москва: " вища школа», 1977.
Мякішев, А.З. Синяков, Б.А. Слобідськ. Фізика, Оптика, - Москва: «Вища школа», 2003.
А.А. Пінський Фізика, 11 кл., - Москва: "Освіта", 2002.

Являючи собою один з різновидів електромагнітного випромінювання, світло може характеризуватись джерелом та певною спрямованістю. Крім цього, не варто забувати про його подвійність. Так, у першому випадку він вважатиметься хвилею, а в другому – часткою (фотоном).

Визначення 1

Поляризація світла одна із властивостей будь-якого випромінювання у межах оптичного діапазону. В умовах такого явища, як поляризація, коливання частинок світлового променя, спрямованих на поперечну поверхню, будуть здійснюватися в однаковій площині. У цьому відсікаються інші компоненти.

Поняття поляризації світла

Зрозуміти суть поляризації світла буде легше на конкретних прикладах. Так, можна уявити дуже довгу, розташовану між двома горизонтальними точками мотузку, що проходить у пластині-щиті крізь щілину.

Якщо взяти тепер мотузку за один кінець і сформувати хвилі, вони легко досягнуть її іншого кінця (але тільки в тому випадку, якщо утворюються в одній площині зі щілиною в щиті), тобто вертикальним способом. Спроба рухати мотузку вертикальним способом закінчиться гасінням хвиль при досягненні щита (через неможливість протиснутися поперек щілини). Таким чином, у цьому прикладі мотузка виступає в ролі електромагнітного випромінювання, щит стає прозорим (напівпрозорим) середовищем, а щілина – специфічною властивістю середовища.

Оскільки світло є електромагнітною хвилею, вона буде залежною від двох типів векторів напруженості: електричного та магнітного. Вони, у свою чергу, мають властивість постійної перпендикулярності по відношенню один до одного і можуть формувати умовну площину перпендикулярно лінії поширення самої хвилі.

Кругова поляризація світла виникає у разі обертання векторів магнітної індукції та електричного поля щодо спрямування променя світла. У разі коливань вектора напруженості такого поля в однаковій площині формується плоско-поляризована електромагнітна хвиля (лінійно-поляризована).

Цікаво, що випромінювання атомами одного-єдиного світлового кванта світла завжди буде поляризовано. Поряд з тим, світловий потік свічки, лампочки, Сонця, ліхтаря тощо виявиться неполяризованим, що пояснюється випромінюванням від безлічі атомів, що мають різну поляризацію. Це позбавляє сумарний потік орієнтованості.

Зауваження 1

Поляризація світла істотно залежить від особливостей речовини або розташування атомів у його кристалічній решітці. Перші досліди проводилися вченими із залученням кристалів, і лише згодом об'єктом їхньої уваги стали газоподібні середовища (атмосфера).

Поляризація світла також залежить від розташування спостерігача (фотоелемента, датчика тощо). Це, своєю чергою, пояснює зростання поляризації зі збільшенням кута між напрямом світла джерела і які вказують на спрямованість променя зору вектором. У разі факту паралельності напрямів ми спостерігаємо відсутність поляризації (за ідеальних умов). Також у природі зафіксовано третій варіант (мається на увазі часткова поляризація світлового потоку).

Подібна конфігурація виникає у разі переважаючого ефекту коливань електричного поля (магнітної індукції) їх векторів. Цікавим фактомє те, що людське око легко розрізняє довжину хвиль (колірний аспект світла) та її інтенсивність, а ось сама реєстрація поляризації при цьому доступна опосередковано. Поруч із, більшість комах, мають фасеточные очі, здатні чудово розрізняти поляризацію хвилі, що, своєю чергою, допомагає їм добре орієнтуватися у просторі.

Явище поляризації світла у природі

Поляризоване світло є світловими хвилями, електромагнітні коливання яких здатні поширюватися виключно в одному напрямку. У природі розрізняють лише три види поляризації:

лінійну (площинну);
кругову;
еліптичну.

При лінійно поляризованому світлі електричні коливання виконуватимуться виключно в одному напрямку. Він з'являється при відображенні від листа скла, наприклад, або від поверхні води. Також відомі приклади проходження світла через певні види кристалів (турмалін, кварц).

Зауваження 2

Таким чином, поляризація світла перетворюється на процес упорядкування коливань вектора напруженості електрополя світлової хвилі в умовах проходження світлового потоку крізь деякі речовини (заломлення або відображення світлового променя). Площина поляризації, в такому випадку, буде площиною, яка проходить крізь напрямок коливань вектора світла плоскополяризованої хвилі та її поширення.

Випромінюваний атомом квант світла буде поляризований завжди. При цьому випромінювання макроскопічного джерела світла, такого як Сонце, електрична лампа або свічка, виявиться сумою випромінювань величезної кількості атомів, кожен з яких випромінюватиме квант приблизно за 10-8 секунд. У такому випадку, при випромінюванні всіма атомами світла з не однаковою поляризацією, поляризація всього пучка буде змінюватися протягом аналогічних часових проміжків.

Визначення 2

Тому, в рамках природного світла, абсолютно всі пов'язані з поляризацією ефекти усереднюються, тому він називається неполяризованим.

З метою виділення з неполяризованого світла частини, що має бажану поляризацію, застосовуються поляризатори, наприклад, такі як турмалін, ісландський шпат або поляризатори штучного типу.

Також у фізиці існує таке поняття, як поляризаційне світло. Він виходить такими способами:

за рахунок відображення від діелектриків, ступінь поляризації при цьому залежатиме від показника заломлення та кута падіння променів;
за допомогою пропускання світла через анізотропне середовище.

Всі прозорі кристали (виключаючи оптично ізотропні кристали кубічної системи) мають властивість подвійного променезаломлення, іншими словами, - можуть роздвоюватися щодо кожного світлового пучка, що падає на них. Так, при напрямку на товстий кристал ісландського шпату вузького пучка світла, з кристала вийдуть два паралельні і просторово розділені промені.

Застосування поляризаційного світла

Краще зрозуміти суть та принцип дії поляризації світла у природі допоможуть конкретні приклади застосування поляризаційного світла:

У молекулярній фізиці (при дослідженні поверхні та структури речовини, а також при вивченні явища поляризації молекул речовин). Обертання площини поляризації є основою методів сахариметрії (для визначення ступеня концентрації розчинів).
У геології (при дослідженні в поляризованому світлі різних мінералів та виробів, геологи здатні розрізняти: вироби та мінерали, природне та штучне походження, підроблені та справжні вироби).
У фотографії (виконуючи репродукції картин у засклених рамах, фотографи можуть легко ліквідувати відблиски від скла за рахунок одягненого на об'єктив поляризованого фільтра).
В оптиці (поляризований бінокль допомагає капітанам корабля вести судно відповідно до правильного курсу, знищуючи при цьому світлові відблиски, що заважають, на морських хвилях, зафіксовані при спостереженні). Поляризаційні мікроскопи, щодо тонких зрізів мінералів (шліфів) дозволяють вченим визначити структуру речовини. У стереокіно застосовуються поляризаційні окуляри, які створюють ілюзію об'ємності.
У техніці (тут спостерігається широке застосування поляризації світла у разі потреби плавного регулювання інтенсивності світлового пучка). Поляризація також застосовується під час створення рідкокристалічних дисплеїв, задіяних у багатьох пристроях (наприклад, моніторах комп'ютерів, годинниках, таймерах).
В астрономії (процес спектрального розкладання світла може стати достовірним індикатором наявності рідкої води, без якої неможливе формування життя земного типу). Обчислення кута поляризації дозволяє максимально точно визначити склад рідини, що заломлює світло.

Таким чином, можна говорити про різноманітність застосування поляризації світла в природі та про важливість вивчення основних понять даного явища.

Маріо Льоцці

Раніше йшлося про відкрите Гюйгенс явище, пояснення якого, як він щиро сам заявив, він дати не зміг. Промінь світла, що пройшов крізь кристал ісландського шпату, набуває якоїсь особливої властивості, завдяки якому він, потрапляючи на другий кристал ісландського шпату з головним перетином, паралельним першому, вже відчуває не подвійне променезаломлення, а звичайне. Якщо ж цей другий кристал шпату повернути, то знову виникне подвійне променезаломлення, але інтенсивність обох заломлених променів залежатиме від кута повороту.

У перші роки XIX століття дослідженням цього явища зайнявся французький військовий інженер Етьєнн Малюс (1775-1812), який у 1808 р. виявив, що світло, відбите від води під кутом 52 ° 45 ", володіє тією ж властивістю, що і світло, що пройшло через кристал ісландського шпату, причому поверхня, що відображає, як би є головним перерізом кристала.

Це явище спостерігалося і при відображенні від будь-якої іншої речовини, але потрібний кут падіння змінювався залежно від показника заломлення речовини. У разі відбиття від металевої поверхні картина виходила складнішою.

У наступній роботі, написаній того ж року, Малюс, експериментуючи з полярископом, що описується досі в підручниках фізики під назвою "полярископа Біо" і що складається з двох дзеркал, розташованих під кутом, приходить до формулювання відомого закону, що носить його ім'я.

Саме тоді, коли Малюс проводив свої дослідження, Паризька Академія наук оголосила конкурс (1808 р.) на краще математичну теоріюподвійного променезаломлення, що підтверджується досвідом. Малюс взяв участь у цьому конкурсі і отримав премію за свою працю, що має історичне значення, "Теорія подвійного променезаломлення світла в кристалічних речовинах", опублікована в 1810 р. У ньому Малюс описує своє відкриття та знайдений ним закон; для його пояснення він приймає точку зору Ньютона "не як незаперечну істину", а лише як гіпотезу, що дозволяє розрахувати явище. Оголосивши себе, таким чином, прихильником корпускулярної теорії світла, Малюс намагається знайти пояснення в полярності світлових корпускул, про яку швидко згадує Ньютон у 26 питанні. У природному світлі, як він тепер називається, корпускули світла орієнтовані по всіх напрямках, при проходженні ж двоякозаломлюючого кристала або при відображенні вони орієнтуються певним чином. Світло, в якому корпускули мають певну орієнтацію, Малюс назвав поляризованим; це слово та його похідні залишилися у фізиці і до наших днів.

Дослідження поляризації світла, започатковані Малюсом, продовжили у Франції Біо і Араго, а в Англії Брюстер, який свого часу був більше відомий завдяки винайденому ним калейдоскопу (1817), ніж важливим відкриттям в області кристалооптики. У 1811 р. Малюс, Біо та Брюстер незалежно відкрили, що відбитий промінь також частково поляризований.

У 1815 р. Девід Брюстер (1781-1868) доповнив ці дослідження відкриттям закону, що його ім'я: відбитий промінь повністю поляризований (а відповідний заломлений промінь має максимальну поляризацію), коли відбитий і заломлений промені перпендикулярні одне одному.

Домінік Франсуа Араго (1786-1853) встановив поляризацію світла місячного серпа, комет, веселки, ще раз підтвердивши тим, що це відбите сонячне світло. Поляризованим є також світло, що випускається під косими кутами розпеченими рідкими і твердими тілами, що доводить, що це світло виходить із внутрішніх шарів речовини і заломлюється, виходячи назовні. Але найбільш важливим та найвідомішим відкриттям Араго є виявлена ним у 1811 р. хроматична поляризація. Поміщаючи на шляху поляризованого променя пластинку з гірського кришталю товщиною 6 мм і спостерігаючи промінь, що пройшов крізь неї, через кристал шпату, Араго отримав два зображення, пофарбованих в додаткові кольори. Забарвлення обох зображень при повороті пластинки не змінювалося, але змінювалося при повороті кристала шпату, причому обидва кольори постійно залишалися додатковими. Так, якщо одне з зображень було спочатку червоним при певному положенні кристала шпату, то при його повороті воно ставало послідовно помаранчевим, жовтим, зеленим і т.д. для отримання певного кольору зображення, пропорційний товщині платівки. Крім того, в 1815 р. Біо виявив явище кругової поляризації та наявність правообертальних та лівообертальних речовин.

У тому ж році Біо встановив, що турмалін має подвійне променезаломлення і властивість поглинати звичайний промінь і пропускати лише незвичайний. На цьому явищі були засновані сконструйовані Гершелем в 1820 відомі "турмалінові щипці" - найпростіший поляризаційний прилад, що залишився незмінним до наших днів. Найбільшою незручністю цього приладу було фарбування променя. Цього недоліку позбавлена призму, запропонована 1820 р. англійським фізиком Вільямом Ніколем (1768-1851). Призма Ніколя також пропускає лише незвичайний промінь. Комбінація двох таких "ніколей", як тепер називаються ці двоякозаломлюючі призми, в один прилад, що має і зараз найширше застосування, була здійснена самим Ніколем у 1839 році.

Таким чином, основні явища поляризації світла, що являють собою великий і цікавий розділ фізики, що включає тепер у всі підручники, були відкриті французькими фізиками за сім років, з 1808 по 1815 р. І оскільки відкриття таких цікавих явищ відбувалося під прапором корпускулярної теорії, здавалося, що вона отримує у цих явищах ще одне підтвердження.

Напрямок поширення хвилі;

Круговуполяризацію - праву чи ліву, залежно від напрямку обертання вектора індукції;

Еліптичнуполяризацію - випадок, проміжний між круговою та лінійними поляризаціями.

Некогерентне випромінювання може бути поляризованим, або бути повністю або частково поляризованим будь-яким із зазначених способів. І тут поняття поляризації розуміється статистично.

При теоретичному розгляді поляризації хвиля належить поширюється горизонтально. Тоді можна говорити про вертикальну і горизонтальну лінійні поляризації хвилі.

Лінійна Кругова Еліптична

Теорія явища

Електромагнітна хвиля може бути розкладена (як теоретично, так і практично) на дві поляризовані складові, наприклад, поляризовані вертикально та горизонтально. Можливі інші розкладання, наприклад, по іншій парі взаємно перпендикулярних напрямків, або ж на дві складові, що мають ліву та праву кругову поляризацію. При спробі розкласти лінійно поляризовану хвилю за круговими поляризаціями (або навпаки) виникнуть дві складові половинної інтенсивності.

Як з квантової, так і з класичної точки зору, поляризація може бути описана двовимірним комплексним вектором ( вектор Джонса). Поляризація фотона є однією з реалізацій q-біту.

Лінійну поляризацію зазвичай має випромінювання антен .

По зміні поляризації світла при відображенні від поверхні можна судити про структуру поверхні, оптичні постійні, товщину зразка.

Якщо розсіяне світло поляризувати, то, використовуючи поляризаційний фільтр з іншою поляризацією, можна обмежувати проходження світла. Інтенсивність світла, що пройшло через поляризатори, підпорядковується закону Малюса. На цьому принципі працюють рідкокристалічні екрани.

Деякі живі істоти, наприклад, бджоли, здатні розрізняти лінійну поляризацію світла, що дає їм додаткові можливостідля орієнтації у просторі. Виявлено, що деякі тварини, наприклад павичова креветка-богомол здатні розрізняти циркулярно-поляризоване світло, тобто світло з круговою поляризацією.

Історія відкриття

Відкриття поляризованих світлових хвиль передували роботи багатьох вчених. У 1669 р. датський вчений Е. Бартолін повідомив про свої досліди з кристалами вапняного шпату (CaCO3), що найчастіше мають форму правильного ромбоедра, які привозили моряки, що повертаються з Ісландії. Він з подивом виявив, що промінь світла при проходженні крізь кристал розщеплюється на два промені (називаються тепер звичайним і незвичайним). Бартолін провів ретельні дослідження виявленого ним явища подвійного променезаломлення, проте пояснення йому дати не зміг. Через двадцять років після дослідів Еге. Бартоліна його відкриття привернула увагу нідерландського вченого Х. Гюйгенса. Він сам почав досліджувати властивості кристалів ісландського шпату і пояснив явище подвійного променезаломлення на основі своєї хвильової теорії світла. При цьому він ввів важливе поняття оптичної осі кристала, при обертанні навколо якої відсутня анізотропія властивостей кристала, тобто їх залежність від напрямку (звичайно, такою віссю мають далеко не всі кристали). У своїх дослідах Гюйгенс пішов далі Бартоліна, пропускаючи обидва промені, що вийшли з кристала ісландського шпату, крізь другий такий самий кристал. Виявилося, що й оптичні осі обох кристалів паралельні, то подальшого розкладання цих променів не відбувається. Якщо ж другий ромбоедр повернути на 180 градусів навколо напрямку поширення звичайного променя, то при проходженні через другий кристал незвичайний промінь зазнає зсуву в напрямку, протилежному зсуву в першому кристалі, і з такої системи обидва промені вийдуть з'єднаними в один пучок. З'ясувалося також, що в залежності від величини кута між оптичними осями кристалів змінюється інтенсивність звичайного та незвичайного променів. Ці дослідження впритул підвели Гюйгенса до відкриття явища поляризації світла, проте вирішального кроку він зробити не зміг, оскільки світлові хвилі в його теорії передбачалися поздовжніми. Для пояснення дослідів Х. Гюйгенса І. Ньютон, який дотримувався корпускулярної теорії світла, висунув ідею про відсутність осьової симетрії світлового променя і зробив важливий крок до розуміння поляризації світла. У 1808 р. французький фізик Еге. Малюс, дивлячись крізь шматок ісландського шпату на блискучі у променях заходячого сонця вікна Люксембурзького палацу у Парижі, на свій подив помітив, що з певному положенні кристала було видно лише одне зображення. На підставі цього та інших дослідів і спираючись на корпускулярну теорію світла Ньютона, він припустив, що корпускули в сонячному світлі орієнтовані безладно, але після відображення будь-якої поверхні або проходження крізь анізотропний кристал вони набувають певної орієнтації. Таке «упорядковане» світло він назвав поляризованим.

Параметри Стоксу

Зображення поляризації мовою параметрів Стокса на сфері Пуанкаре

Загалом плоска монохроматична хвиля має праву чи ліву еліптичну поляризацію. Повна характеристика еліпса дається трьома параметрами, наприклад, півплин сторін прямокутника, в який вписаний еліпс поляризації A 1 , A 2 і різницею фаз φ або півосями еліпса a , bі кутом ψ між віссю xта великою віссю еліпса. Зручно описувати еліптично поляризовану хвилю на основі параметрів Стокса:

, ,

Незалежними є лише три з них, бо справедлива тотожність:

Якщо ввести допоміжний кут χ , що визначається виразом (знак відповідає правої, а - лівої поляризації), можна отримати такі вирази для параметрів Стокса:

На основі цих формул можна характеризувати поляризацію світлової хвилі наочним геометричним способом. При цьому параметри Стокса , інтерпретуються, як декартові координати точки, що лежить на поверхні сфери радіуса . Кути мають сенс сферичних кутових координат цієї точки. Таке геометричне уявлення запропонував Пуанкаре, тому ця сфера називається сферою Пуанкаре.

Поруч із , , використовують також нормовані параметри Стокса , , . Для поляризованого світла .

Див. також

Література

Ахманов С.А., Нікітін С.Ю. – Фізична оптика, 2 видання, M. – 2004.
Борн М., Вольф Е. - Основи оптики, 2 видання, виправлене, пров. з англ.,М. - 1973

Примітки

Wikimedia Foundation. 2010 .

Дивитись що таке "Поляризація світла" в інших словниках:

Фіз. характеристика оптич. випромінювання, що описує поперечну анізотропію світлових хвиль, тобто нееквівалентність разл. напрямів у площині, перпендикулярній світловому променю. Перші вказівки на поперечну анізотропію світлового променя отримали … Фізична енциклопедія

Сучасна енциклопедія

Поляризація світла- ПОЛЯРИЗАЦІЯ СВІТЛА, упорядкованість в орієнтації вектора напруженості електричного E та магнітного H полів світлової хвилі в площині, перпендикулярній поширенню світла. Розрізняють лінійну поляризацію світла, коли E зберігає постійні… Ілюстрований енциклопедичний словник

поляризація світла- поляризація Властивість світла, що характеризується просторово-тимчасовою впорядкованістю орієнтації магнітного та електричного векторів. Примітки 1. Залежно від видів упорядкованості розрізняють: лінійну поляризацію, еліптичну…

- (Лат. від Polus). Властивість променів світла, які, будучи відбитими чи заломленими, втрачають здатність відбиватися чи заломлюватись знову, за відомими напрямами. Словник іншомовних слів, що увійшли до складу російської мови. Чудінов А.Н., … … Словник іноземних слів російської мови

Упорядкованість в орієнтації векторів напруженостей електричних E та магнітних H полів світлової хвилі у площині, перпендикулярній світловому променю. Розрізняють лінійну поляризацію світла, коли E зберігає постійний напрямок (площиною. Великий Енциклопедичний словник

поляризація [світла]- упорядкованість орієнтації вектора електромагнітного поля світлової хвилі в площині, перпендикулярній до напряму поширення світлового променя; принцип П. використовується в конструкції поляризаційного мікроскопа [Ареф'єв В.А., Лісовенко Л.А.… … Довідник технічного перекладача

Упорядкованість в орієнтації векторів напруженостей електричних E та магнітних Н полів світлової хвилі в площині перпендикулярної світловому променю. Розрізняють лінійну поляризацію світла, коли Е зберігає постійний напрямок (площиною… Енциклопедичний словник

Поляризація поляризації [світла]. Упорядкованість орієнтації вектора електромагнітного поля світлової хвилі в площині, перпендикулярній до напряму поширення світлового променя; принцип П. використовується в конструкції поляризаційного мікроскопа. Молекулярна біологія та генетика. Тлумачний словник.

поляризація світла- šviesos poliarizacija statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. polarization of light vok. Lichtpolarisation, f rus. поляризація світла f pranc. polarisation de la lumière, f … Fizikos terminų žodynas

В. МУРАХВЕРІ

Явище поляризації світла, вивчене й у шкільному й у інститутському курсах фізики, залишається у пам'яті багатьох із нас як цікавий, знаходить застосування у техніці, але з оптичний феномен, що не зустрічається в повсякденному житті. Голландський фізик Г. Кеннен у своїй статті, опублікованій у журналі «Натуур ен технієк», показує, що це далеко не так – поляризоване світло буквально оточує нас.

Людське око дуже чутливе до забарвлення (тобто довжини хвилі) та яскравості світла, але третя характеристика світла, поляризація, йому практично недоступна. Ми страждаємо на «поляризаційну сліпоту».

Щодо цього деякі представники тваринного світу набагато досконаліші за нас. Наприклад, бджоли розрізняють поляризацію світла майже так само добре, як колір чи яскравість. Оскільки поляризоване світло часто зустрічається в природі, їм дано побачити в навколишньому світі щось таке, що людському оку зовсім недоступно.

Людині можна пояснити, що таке поляризація, за допомогою спеціальних світлофільтрів вона може побачити, як змінюється світло, якщо «відняти» від неї поляризацію, але уявити собі картину світу «очима бджоли» ми, мабуть, не можемо (тим більше що зір комах відрізняється від людського та у багатьох інших відносинах).

Мал. 1.Схема будови зорових рецепторів людини (ліворуч) та членистоногого (праворуч). У людини молекули родопсину розташовані безладно зі складками внутрішньоклітинної мембрани, у членистоногих – на виростах клітини, акуратними рядами

Поляризація – це орієнтованість коливань світлової хвилі у просторі. Ці коливання перпендикулярні до напрямку руху променя світла. Елементарна світлова частка (квант світла) є хвилею, яку можна порівняти для наочності з хвилею, яка побіжить по канату, якщо, закріпивши один його кінець, інший струсити рукою. Напрям коливань каната може бути різним, дивлячись по тому, в якому напрямку струшувати канат. Так само і напрям коливань хвилі кванта може бути різним. Пучок світла складається з безлічі квантів. Якщо їх коливання різні, таке світло не поляризоване, якщо всі кванти мають абсолютно однакову орієнтацію, світло називають повністю поляризованим. Ступінь поляризації може бути різною залежно від того, яка частка квантів у ньому має однакову орієнтацію коливань.

Існують світлофільтри, що пропускають тільки ту частину світла, хвилі якої орієнтовані певним чином. Якщо через такий фільтр дивитися на поляризоване світло і при цьому повертати фільтр, яскравість світла, що пропускається, буде змінюватися. Вона буде максимальна при збігу напрямку пропускання фільтра з поляризацією світла і мінімальна при повному (на 90°) розбіжності цих напрямків. За допомогою фільтра можна виявити поляризацію, яка перевищує приблизно 10%, а спеціальна апаратура виявляє поляризацію близько 0,1%.

Поляризаційні фільтри, або поляроїди, продаються в магазинах фотоприладдя. Якщо через такий фільтр дивитися на чисте блакитне небо (при хмарності ефект виражений набагато слабше) приблизно в 90 градусах від напрямку Сонця, тобто щоб Сонце було збоку, і при цьому фільтр повертати, то ясно видно, що при деякому положенні фільтра на небі утворюється чорна смуга. Це свідчить про поляризованість світла, що походить від цієї ділянки піднебіння.

Поляроїдний фільтр відкриває нам явище, яке бджоли бачать «простим оком». Але не треба думати, що бджоли бачать ту саму темну смугу на небі. Наше становище можна порівняти зі становищем повного дальтоніка, людини, нездатної бачити кольори. Той, хто розрізняє лише чорне, біле та різні відтінки сірого кольору, міг би, дивлячись на навколишній світ поперемінно через світлофільтри різного кольору, помітити, що картина світу дещо змінюється.

Наприклад, через червоний фільтр інакше виглядав би червоний мак на тлі зеленої трави, через жовтий фільтр стали б більше виділятися білі хмари на блакитному небі. Але фільтри не допомогли б дальтоніку зрозуміти, як виглядає світ людини із кольоровим зором. Так само, як кольорові фільтри дальтоніку, поляризаційний фільтр може лише підказати нам, що світло має якусь властивість, яка не сприймається оком.

Поляризованість світла, що йде від синього неба, дехто може помітити і простим оком. За даними відомого радянського фізика академіка С.І. Вавілова, цією здатністю мають 25...30% людей, хоча багато хто з них про це не підозрює.

При спостереженні поверхні, що випромінює поляризоване світло (наприклад, того ж блакитного неба), такі люди можуть помітити в середині поля зору слабо-жовту смужку із закругленими кінцями.

Мал. 2.

Ще слабше помітні блакитні цятки в її центрі, по краях. Якщо площина поляризації світла повертається, то повертається жовта смужка. Вона завжди перпендикулярна до напряму світлових коливань. Це так звана фігура Гайдінгера, вона відкрита німецьким фізиком Гайдінгером в 1845 році.

Здатність бачити цю фігуру можна розвивати, якщо хоча б раз пощастить її помітити. Цікаво, що ще в 1855 році, не будучи знайомим зі статтею Гайдінгера, надрукованою за дев'ять років до того в одному німецькому фізичному журналі, Лев Толстой писав («Юність», глава XXXII): «...я мимоволі залишаю книгу і вдивляюся в розчинені двері балкона, у кучеряві висячі гілки високих беріз, на яких уже заходить вечірня тінь, і в чисте небо, на якому, як дивишся уважно, раптом з'являється ніби пильна жовта цятка і знову зникає...» Такою була спостережливість великого письменника.

Мал. 3.

У неполяризованому світлі (1) коливання електричної та магнітної складової йдуть у різних площинах, які можна звести до двох, виділених на цьому малюнку. Але коливань шляхом поширення променя немає (світло на відміну звуку – не поздовжні коливання). У поляризованому світлі (2) виділено одну площину коливань.

У світлі, поляризованому по колу (циркулярно), ця площина закручується у просторі гвинтом (3). Спрощена схема пояснює, чому поляризується відбите світло (4). Як уже сказано, всі існуючі в промені площини коливань можна звести до двох, вони показані стрілками. Одна із стрілок дивиться на нас і умовно видно нам як крапка. Після відображення світла одне з існуючих у ньому напрямів коливань збігається з новим напрямом поширення променя, а електромагнітні коливання неможливо знайти спрямовані вздовж шляху свого поширення.

Фігуру Гайдінгера можна побачити набагато ясніше, якщо дивитися через зелений або синій світлофільтр.

Поляризованість світла, що походить від чистого неба, – лише один із прикладів явищ поляризації в природі. Інший поширений випадок – це поляризованість відбитого світла, відблисків, наприклад, що лежать на поверхні води або скляних вітрин.

Власне, фотографічні поляроїдні фільтри і призначені для того, щоб фотограф міг у разі необхідності усувати ці відблиски, що заважають (наприклад, при зйомці дна неглибокої водойми або фотографуванні картин і музейних експонатів, захищених склом). Дія поляроїдів у цих випадках заснована на тому, що відбите світло в тій чи іншій мірі поляризоване (ступінь поляризації залежить від кута падіння світла і при певному вугіллі, різному для різних речовин, – так званому вугіллі Брюстера – відбите світло поляризоване повністю). Якщо тепер дивитися на відблиск через поляроїдний фільтр, неважко підібрати такий поворот фільтра, при якому відблиск повністю або значною мірою пригнічується.

Застосування поляроїдних фільтрів у протисонячних окулярах або вітровому склі дозволяє прибрати блики, що заважають, сліпучі від поверхні моря або вологого шосе.

Чому поляризовано відбите світло та розсіяне світло неба? Повна та математично сувора відповідь на це питання виходить за рамки невеликої науково-популярної публікації (читачі можуть знайти його в літературі, список якої наведено в кінці статті). Поляризація у випадках пов'язана з тим, що коливання навіть у неполяризованому промені вже у певному сенсі «поляризовані»: світло на відміну звуку не поздовжні, а поперечні коливання. У промені немає коливань шляхом його поширення (див. схему). Коливання та магнітної та електричної складової електромагнітних хвиль у неполяризованому промені спрямовані на всі боки від його осі, але не по цій осі. Усі напрями цих коливань можна звести до двох, взаємно перпендикулярних. Коли промінь відбивається від площини, він змінює напрямок і з двох напрямів коливань стає «забороненим», оскільки збігається з новим напрямом поширення променя. Промінь стає поляризованим. У прозорій речовині частина світла йде вглиб, заломлюючись, і заломлене світло теж, хоча й меншою мірою, ніж відбите, поляризоване.

Розсіяне світло неба не що інше, як сонячне світло, яке зазнало багаторазового відображення від молекул повітря, що переломилося в краплинках води або крижаних кристалах. Тож у певному напрямі від Сонця він поляризований. Поляризація відбувається не лише при спрямованому відображенні (наприклад, від водної гладі), а й за дифузного. Так, за допомогою поляроїдного фільтра неважко переконатися, що поляризоване світло, відбите від покриття шосе. При цьому діє дивовижна залежність: чим темніша поверхня, тим сильніше поляризоване відбите від неї світло.

Ця залежність отримала назву закону Умова, на ім'я російського фізика, який відкрив її 1905 року. Асфальтове шосе відповідно до закону Умова поляризована сильніше, ніж бетонна, волога – сильніша, ніж суха. Волога поверхня не тільки сильніше блищить, але вона ще й темніша за суху.

Зауважимо, що світло, відбите від поверхні металів (у тому числі від дзеркал – адже кожне дзеркало вкрите тонким шаром металу), не поляризоване. Це з високою провідністю металів, про те, що вони дуже багато вільних електронів. Відображення електромагнітних хвиль від таких поверхонь відбувається інакше, ніж від діелектричних поверхонь, що не проводять.

Поляризація світла піднебіння була відкрита в 1871 (за іншими джерелами навіть в 1809), але докладне теоретичне пояснення цього явища було дано лише в середині нашого століття. Проте, як виявили історики, які вивчали давні скандинавські саги про плавання вікінгів, відважні мореплавці майже тисячу років тому користувалися поляризацією неба для навігації. Зазвичай вони плавали, орієнтуючись по Сонцю, але коли світило було приховано за суцільною хмарністю, що не рідкість у північних широтах, вікінги дивилися на небо через спеціальний «сонячний камінь», який дозволяв побачити на небі темну смужку в 90° від напрямку на Сонце. якщо хмари не надто щільні. Цією смугою можна судити, де знаходиться Сонце. «Сонячний камінь» – мабуть, один із прозорих мінералів, що мають поляризаційні властивості (швидше за все поширений на півночі Європи ісландський шпат), а поява на небі темнішої смуги пояснюється тим, що, хоча там Сонця і не видно, світло неба, що проникає через хмари, залишається певною мірою поляризованим. Кілька років тому, перевіряючи це припущення істориків, льотчик провів невеликий літак з Норвегії до Гренландії, як навігаційний прилад користуючись лише кристалом мінералу кордієриту, що поляризує світло.

Вже говорилося, що багато комах на відміну людини бачать поляризацію світла. Бджоли і мурахи не гірші за вікінги користуються цією своєю здатністю для орієнтування в тих випадках, коли Сонце закрите хмарами. Що надає оку комах таку здатність? Справа в тому, що в оці ссавців (і в тому числі людини) молекули світлочутливого пігменту родопсину розташовані безладно, а в оці комахи ті ж молекули укладені акуратними рядами, орієнтовані в одному напрямку, що і дозволяє їм сильніше реагувати на той світ, коливання якого відповідають площині розміщення молекул. Фігуру Гайдінгера можна бачити тому, що частина нашої сітківки покрита тонкими волокнами, що йдуть паралельно, які частково поляризують світло.

Цікаві поляризаційні ефекти спостерігаються при рідкісних небесних оптичних явищах, таких, як веселка і гало. Те, що світло веселки сильно поляризоване, виявили 1811 року. Обертаючи поляроїдний фільтр, можна зробити веселку майже невидимою. Поляризоване і світло гало - кругів, що світяться, або дуг, що з'являються іноді навколо Сонця і Місяця. В освіті і веселки і гало поряд із заломленням бере участь відображення світла, а обидва ці процеси, як ми вже знаємо, призводять до поляризації. Поляризовані деякі види полярного сяйва.

Зрештою, слід зазначити, що поляризоване і світло деяких астрономічних об'єктів. Найбільш відомий приклад – крабоподібна туманність у сузір'ї Тельця. Світло, що випускається нею, - це так зване синхротронне випромінювання, що виникає, коли електрони, що швидко летять, гальмуються магнітним полем. Синхротронне випромінювання завжди поляризоване.

Повернувшись на Землю, відзначимо, що деякі види жуків, що мають металевий блиск, перетворюють світло, відбите від їх спинки, на поляризоване по колу. Так називають поляризоване світло, площина поляризації якого закручена у просторі гвинтоподібно, ліворуч чи праворуч. Металевий відблиск спинки такого жука при розгляді через спеціальний фільтр, що виявляє кругову поляризацію, виявляється лівозакрученим. Всі ці жуки відносяться до сімейства скарабеїв, в чому біологічний зміст описаного явища поки що невідомо.