IV Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ЯВЛЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА
Макеев И.И., Пахоруков Д.И., Бурмасов Д.Е.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

В современной жизни человек всё чаще встречается с термином «поляризация». Данное явление играет немаловажную роль в жизни человека. Многие современные приборы и устройства работают на основе поляризации.

Актуальность темы: Что же это за явление с таким парадоксальным названием «поляризация», и почему к нему проявляется столь значительный интерес? В наш время наука стала производительной силой, и поэтому, как правило, повышенный научный интерес к тому, или иному явлению или объекту означает, что это явление или объект представляет интерес для материального производства. В этом отношении не является исключением и поляризация. Интерес к данному явлению обусловлен возможностями эффективного применения в ряде отраслей производственной деятельности. Внедрение поляризационных материалов в нашу жизнь означает экономическую эффективность, простоту, удобство.Таким образом, предметом исследовательского интереса является практическое применение явления поляризации.

Объект исследования: Свет. Предмет исследования: Поляризация света. Аналитическим материалом для данной работы послужили различные информационные источники, научные статьи.

Цель данной работы состоит в изучении явления поляризации и применения этого явления в производстве и в быту.

Достижение поставленной цели предполагает решение ряда задач:

1. Изучить литературу по теме «Поляризация света».

2. Выделить основные области применения поляризации, которые в ближайшие несколько лет послужат основой создания устройств, необходимых человечеству.

3. Провести ряд экспериментов по исследованию явления поляризации света.

Методы исследования: аналитический, теоретический, экспериментальный.

Глава1.Свет как электромагнитная волна

1.1.Природа света

Первые представления о природе света возникли у древних греков и египтян. По мере изобретения и совершенствования различных оптических приборов (параболических зеркал, микроскопа, зрительной трубы) эти представления развивались. В конце XVII века возникли две теории света: корпускулярная (И. Ньютон) и волновая (О. Френель и Х. Гюйгенс).

Волновая теория рассматривала свет как волновой процесс, подобный механическим волнам. В основу волновой теории был положен принцип Гюйгенса. Большая заслуга в развитии волновой теорий принадлежит английскому физику Т. Юнгу и французскому физику О. Френелю, исследовавшими явления интерференции и дифракции. В 60-е годы XIX века Максвеллом были установлены общие законы электромагнитного поля, которые привели его к заключению, что свет – это электромагнитные волны. Электромагнитная природа света получила признание после опытов Г. Герца (1887–1888 гг.) по исследованию электромагнитных волн.

1.2 Видимый свет

Видимый свет — электромагнитные волны, которые воспринимаются нашим глазом, и позволяет нам видеть окружающий мир. Видимый свет имеет длину волны от 380 нм до 760 нм, которые определяют его цвет.

В электромагнитной волне векторы и перпендикулярны друг другу. В естественном свете колебания напряженности электрического поля и магнитной индукции происходят по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения волны. Если свет поляризован, то колебания как , так и происходят не по всем направлениям, а в двух определенных плоскостях. Свет со всевозможными ориентациями напряженности вектора называется естественным светом.

1.3 Факты, доказывающие, поперечность электромагнитной волны

В конце XVII века было обнаружено, что кристалл исландского шпата (CaCO3) раздваивает проходящие через него лучи. Это явление получило название двойного лучепреломления, которое долго не могли объяснить.

Рис. 1 Рис.2

В 1809 г. французский инженер Этьен Малюс открыл закон, названный его именем. В опытах Малюса свет последовательно пропускался через две одинаковые пластинки из турмалина. Пластинки могли поворачиваться друг относительно друга на угол φ. Интенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной cos2 φ: I ~ cos2 φ. Но, ни двойное лучепреломление, ни закон Малюса, не могли найти объяснение в рамках теории продольных волн. В продольной волне все направления в плоскости, перпендикулярной лучу, равноправны. В поперечной же волне направление колебаний и перпендикулярное ему направление не равноправны. Таким образом, асимметрия относительно луча явилась решающим признаком, который отличает поперечную волну от продольной.

Глава 2. Поляризованный свет

Поляризованный свет – световые волны, электромагнитные колебания которых распространяются только в одном направлении. Ученые различают три вида поляризации: линейную (плоскостную), круговую и эллиптическую. В линейно поляризованном свете электрические колебания происходят только в одном направлении. Линейно поляризованный свет возникает при отражении, например, от листа стекла или поверхности воды, при прохождении света через некоторые виды кристаллов, например, кварца, турмалина.

Рис.3

2.1 Явление поляризации света

Поляризация света – процесс упорядочения колебаний вектора напряжённости электрического поля световой волны при прохождении света сквозь некоторые вещества (при преломлении) или при отражении светового потока.Плоскость поляризации – плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоскополяризованной волны и направление распространения этой волны.

Квант света, излучённый атомом, поляризован всегда. Однако излучение макроскопического источника света (электрической лампочки, Солнца, свечи) является суммой излучений огромного числа атомов. Каждый из них излучает квант примерно за 10-8 секунды, и если все атомы будут излучать свет с различной поляризацией, то поляризация всего пучка будет меняться на протяжении таких же промежутков времени. Поэтому, в естественном свете все эффекты, связанные с поляризацией усредняются, и его называют неполяризованным. Для выделения из неполяризованного света части, обладающей желаемой поляризацией, используют поляризаторы (например, исландский шпат или турмалин, а также искусственные поляризаторы). 2.2. Получение поляризационного света

1. Отражение от диэлектриков. Степень поляризации зависит от угла падения лучей и показателя преломления.

2. Пропускание света сквозь анизотропную среду.

Все прозрачные кристаллы (кроме кристаллов кубической системы, которые оптически изотропны) обладают способностью двойного лучепреломления, т. е. раздваивания каждого падающего на них светового пучка. Если на толстый кристалл исландского шпата направить узкий пучок света, то из кристалла выйдут два пространственно разделенных луча, параллельных друг другу и падающему лучу.

3. Поляризаторы

Типичным представителем поляризационных призм является призма Ннколь, называемая часто ни́колем. Любое устройство с цветным ЖК (жидкокристаллическим) экраном — монитор, ноутбук, телевизор, DVD-плеер — можно использовать в качестве поляризатора.

2.3 Применение поляризационного света

1) Молекулярная физика – пищевая промышленность: Поляризованный свет применяется при изучении структуры вещества и его поверхности, при изучении поляризации молекул веществ. Явление вращения плоскости поляризации составляет основу методов сахариметрии – определенная концентрация растворов.

2) Геология: Геологи, исследуя в поляризованном свете различные минералы и изделия, могут отличить природные от искусственных, поддельные от настоящих.

3) Фотография: Фотографы, выполняя репродукции с картин в застекленных рамах, могут легко уничтожить мешающие им блики от стекла, надевая на объектив поляризованный фильтр.

4) Оптика: Поляризованный бинокль помогает капитанам вести корабль по правильному курсу, уничтожая при наблюдении мешающие световые блики на морских волнах. Поляризационные микроскопы позволяют ученым, изучая тончайшие срезы минералов (шлифы), выяснить структуру вещества. Поляризационные очки используют в стереокино, дающем иллюзию объемности.

5) Техника: Поляризация света широко используется при необходимости плавной регулировки интенсивности светового пучка. Поляризация света применяется также в создании жидкокристаллических дисплеев, которые используются во многих устройствах, включая часы, экраны компьютеров, таймеры.

6) Астрономия: Спектральное разложение света может быть достоверным индикатором присутствия жидкой воды, необходимой для формирования жизни земного типа. Определение угла поляризации позволяет с высокой точностью определять состав жидкости, преломляющей свет.

Глава 3. Исследование поляризации света

3.1. Поляроидные плёнки.

Цель: получение поляризованного света с помощью поляроидов.

Оборудование: 2 поляроида (один - поляризатор, второй – анализатор), экран монитора.

Выполнение работы: Возьмём два поляроида, сложим их и посмотрим сквозь них на какой-нибудь источник естественного света. Если оси пропускания обоих поляроидов (то есть направления, в которых они поляризуют свет) совпадают, глаз увидит свет максимальной яркости; если они перпендикулярны, свет практически полностью погасится.(Приложение,фото1).

Вывод: Это происходит потому, что первый поляроид (неподвижный) пропускает свет с вертикальной поляризацией, а тот, который повернули, пропускает свет только с горизонтальной поляризацией, в результате тот свет, который смог пройти первый поляроид отсекается вторым.

Данное явление можно используют для защиты водителя от слепящего света фар встречного автомобиля и предотвращения ДТП. Если на ветровое стекло и фары автомобиля нанести плёночные поляроиды с углом пропускания 450, например, вправо от вертикали, водитель будет хорошо видеть дорогу и встречные машины, освещенные собственными фарами. Но у встречных автомобилей поляроиды фар окажутся скрещенными с поляроидом ветрового стекла данного автомобиля, и свет фар встречных машин погаснет.

3.2. Поляризация отраженного света

Цель: проверка поляризации отраженного света

Оборудование: Поляроиды, стеклянная поверхность, экран, штатив, источник света.

Выполнение работы: Свет, отражаясь от диэлектрических поверхностей частично поляризуется. Угол, характеризующий полную поляризацию называют углом Брюстера. tg α = n2 / n1, где α – угол падения, рассчитанный от нормали, а n2 и n1 показатели преломления сред. Для обычного стекла в воздухе угол Брюстера примерно равен 56 ⁰.

Источник света направили на стеклянную поверхность так, чтобы при отражении от него пучок света прошел через поляроид на экран. При повороте поляроида на 90⁰, на экране свет пропадает. (Приложение, фото 2).Вывод: Свет, отражаясь от поверхности стекла оказывается поляризованным в плоскости отражения, а поляризатор пропускает только вертикально поляризованный свет, в итоге отраженный от поверхности свет не проходит. Пользуясь поляризаторами, можно устранить или ослабить свет, отраженный поверхностей.

3.3. Стопа Столетова

Цель: получение поляризованного света с помощью стопы Столетова.

Оборудование: стопа Столетова, лазер, экран. Стопа Столетова состоит из набора — порядка 10 штук — параллельных тонких и однородных стеклянных пластинок, установленных с малым воздушным зазором между соседними пластинками

.

Рис.9. Разделение естественного света на два пучка линейно поляризованного света с помощью пластинок из прозрачного диэлектрика.

Выполнение работы: Через стопу Столетова направили луч, получив при этом луч пройденный через стопу (на синем экране) и отразившийся на 90 ⁰ (на белом экране). И проверили каждый из лучей через поляроид. Оба луча стали поляризованными и при повороте поляроида на 90 ⁰, луч гасился. (Приложение, фото 3).

Вывод: Опыт показывает, что стопа стеклянных пластин, установленных под углом Брюстера, является эффективным поляризатором естественного света.

3.4. Линейка и скотч

Цель: показать механические напряжения в прозрачных телах.

Оборудование: Линейка, поляроид, скотч, белый экран.

Выполнение работы: Есть такие материалы, которые поворачивают плоскость поляризации проходящего через них света. В быту это обычный канцелярский скотч. Склеивая ленту скотча саму на себя липким слоем, зажимаем между двумя поляроидами и смотрим в проходящем свете.Объектом исследования также может служить любая прозрачная пластмассовая деталь со стенками или линейка. Если взять коробку от аудиокассеты, поместить ее на темном фоне и осветить лампой примерно под углом Брюстера — через поляроид можно наблюдать красивые цветные узоры. Эти узоры обычно сгущаются вблизи углов и кромок, швов и отверстий – в местах максимального механического напряжения. Поместив прозрачное тело (скотч и линейку) на белый экран, посмотрели на него через поляроид. Появились цветные узоры – механические напряжения. При вращении поляроидов радужная картина изменилась. (Приложение, фото 4).

Данный метод используют для изучения распределения механических напряжений в деталях машин и механизмов, строительных конструкциях. Из прозрачной пластмассы делают модель детали (балки, опоры, рычага) и прикладывают к ней нагрузку, моделирующую реальную. Разноцветные полосы, возникающие в поляризованном свете, указывают на слабые места детали – в них концентрируются большие механические напряжения. Меняя форму детали, добиваются наибольшей её прочности.

3.5.Поляризация рассеянного света

Цель: получить из рассеянного света – поляризованный.

Оборудование: Крашеная красной тушью вода, стакан, поляроид, лазер.

Выполнение работы: Наполнили банку водой, затем добавили в нее несколько капель туши и размешали. Осветили сосуд источником света. Если смотреть перпендикулярно направлению распространения света, то виден след луча в колбе. Это рассеянный частичками свет. Наблюдая его через поляризатор, можно обнаружить, что он плоскополяризован, поскольку при вращении поляризатора след пучка света в колбе гаснет два раза за один оборот поляризатора. (Приложение, фото 5).

Вывод: Рассеянный частичками, взвешенными в жидкости, свет поляризован. Вынужденное рассеяние света и его поляризация нашло широкое практическое применение в комбинационных лазерах для эффективного преобразования частоты лазерного излучения; в лазерной спектроскопии, позволяющей проводить количественный и качественный газовый анализ.

3.6. Поворот плоскости поляризации света

Цель: показать, что угол преломления поляризованного света меняется при переходе из воздуха в раствор сахара.

Оборудование: Источник света, раствор сахара, колба, белый экран, 2 поляроида (один - поляризатор, второй – анализатор).

Выполнение работы: Взяли 2 поляроида и поставили между нами колбу с раствором сахара и пропустили свет, поляризованный свет показан на белом экране. Затем повернули на 90 ⁰ один поляроид, и также разместили между поляроидами раствор сахара, и на экране все равно оставался виден небольшой свет. (Приложение, фото 6).

Вывод: Опыты подтвердили, что угол преломления поляризованного света меняется при переходе из воздуха в раствор сахара. Явление вращения плоскости поляризации широко используется для исследования особенностей строения вещества и определения, концентрации оптически активных веществ в растворах. Также явление вращения плоскости поляризации является ценным методом исследования структуры и свойств полимеров - белков, нуклеиновых кислот.

Заключение.

При выполнении нашей работы было изучено, что такое поляризация света, история открытия данного явления, и где данное явление применяется.

Проведены опыты по поляризации, видеозаписи опытов можно применять на уроках физики.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что на практике довольно часто сталкиваемся не с естественным, а с частично поляризованным светом. Также в мире все больше появляется вещей, необходимых не только для комфорта человека, но и для различных научных исследований, основанных на использовании явления поляризации света.

Поляризация света необходима для изучения оптических свойств различных веществ. Это может понадобиться и в быту — например, с помощью поляризации света можно отличить натуральный мед от поддельного. Это явление используется также в стереофотографии и стереокино. Поляризационные очки применяются водителями автотранспорта и полярными исследователями.

Литература

  1. Голубев А. В мире поляризованного света//Наука и жизнь.– 2008.–№5.–http://www.nkj.ru/archive/articles/13930/

  2. Митрофанов А. Поляризация света. Простейшие опыты //Квант. — 1999. — № 4. —http://www.physbook.ru/index.php/Kvant

  3. Стороженко В. Пленка поляризационная. Где ее применяют? - http://fb.ru/article/209439/plenka-polyarizatsionnaya-gde-ee-primenyayut
  4. Транковский. С.. Цветной мир прозрачных вещей//Наука и жизнь.–1999.–№7 http://www.nkj.ru/archive/articles/9523/

  5. http://fb.ru/article/209439/plenka-polyarizatsionnaya-gde-ee-primenyayut

  6. http://www.nkj.ru/archive/articles/13930/

Приложение

Фото 1.

Фото 2.

Фото 3.

Фото 4.

Фото 5.

Фото 6.