В оптически активной среде плоскость колебания вектора е плоско поляризованного света (6 видео)

В оптически активной среде плоскость колебания вектора е плоско поляризованного света

§1 Естественный и поляризованный свет

Испускание кванта света происходит в результате перехода электрона из возбужденного состояния в основное. Электромагнитная волна, испускаемая в результате этого перехода, является поперечной, то есть вектора и взаимно перпендикулярны и перпендикулярны направлению распространения. Колебания вектора происходят в одной плоскости. Свет, в котором вектор колеблется только в одном направлении, называется плоско поляризованным светом (или электромагнитной волной). Поляризованным называется свет, в котором направления колебания вектора упорядочены каким-либо образом.

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы излучают световые волна независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора . Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора называется естественным. Свет, в котором имеется преимущественное направление колебаний вектора и незначительная амплитуда колебаний вектора в других направлениях, называется частично поляризованным. В плоско поляризованном свете плоскость, в которой колеблется вектор , называется плоскостью поляризации, плоскость, в которой колеблется вектор , называется плоскостью колебаний.

Вектор называют световым вектором потому, что при действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества.

Различает также эллиптически поляризованный свет: при распространении электрически поляризованного света вектор описывает эллипс, и циркулярно поляризованный свет (частный случай эллиптически поляризованного света) — вектор описывает окружность (сравните со сложением взаимно перпендикулярных колебаний: возможны: прямая линия, эллипс и окружность).

Степенью поляризации называется величина

где I_max и I_min – максимальная и минимальная компоненты интенсивности света, соответствующие двум взаимно перпендикулярным компонентам вектора (то есть Е_х и Е_у – составляющие). Для плоско поляризованного света Е_у = Е, Е_х = 0, следовательно, Р = 1. Для естественного света Е_у = Е_х = Е и Р = 0. Для частично поляризованного света Е_у = Е, Е_х = (0. 1)Еу, следовательно, 0

Если вектор в эллиптически поляризованном свете вращается при распространении света по часовой стрелке, то поляризация называется правой, против — левой. В эллиптически поляризованном свете колебания полностью упорядочены. К эллиптически поляризованному свету понятие степени поляризации не применимо, так что Р=1 всегда.

§2 Анализ поляризованного света при отражении и преломлении.

Закон Брюстера. Закон Малюса

Наиболее просто поляризационный свет можно получить из естественного света при отражении световой волны от границы раздела двух диэлектриков.

Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлектриков (например, воздух-стекло), то часть его отражается, а часть преломляется и распространяется во второй среде.

При угле падения, равном углу Брюстера і_Б_р: 1. отраженный от границы раздела двух диэлектриков луч будет полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения; 2. степень поляризации преломленного луча достигает максимального значения меньшего единицы; 3. преломленный луч будет поляризован частично в плоскости падения; 4. угол между отраженным и преломленным лучами будет равен 90°; 4. тангенс угла Брюстера равен относительному показателю преломления

n ₁₂ — показатель преломления второй среды относительно первой. Угол падения (отражения) — угол между падающим (отраженным) лучом и нормалью к поверхности. Плоскость падения — плоскость, проходящая через падающий луч и нормаль к поверхности.

Степень поляризации преломленного света может быть значительно повышена многократным преломлением при условии падения света на границу раздела под углом Брюстера. Если для стекла ( n = 1,53) степень поляризации преломленного луча составляет ≈15 %, то после преломления на 8-10 наложенных друг на друга стеклянных пластинках, вышедший свет будет практически полностью поляризован — стопа Столетова.

Поляризованный свет можно получить из естественного с помощью поляризаторов — анизотропных кристаллов, пропускающих свет только в одном направлении (исландский шпат, кварц, турмалин).

Поляризатор, анализирующий в какой плоскости поляризован свет, называется анализатором.

Если на анализатор падает плоско поляризованный свет амплитудой Е₀ и интенсивности I ₀ ( ), плоскость поляризации которого составляет угол φ с плоскостью анализатора, то падающее электромагнитное колебание можно разложить на два колебания; с амплитудами и , параллельное и перпендикулярное плоскости анализатора.

Сквозь анализатор пройдет составляющая параллельная плоскости анализатора, то есть составляющая , а перпендикулярная составлявшая будет задержана анализатором. Тогда интенсивность прошедшего через анализатор света будет равна ( ):

— закон Малюса

Закон Малюса : Интенсивность света, прошедшего через поляризатор, прямо пропорциональна произведению интенсивности падающего плоско поляризованного света I ₀ и квадрату косинуса угла между плоскостью падающего света и плоскостью поляризатора.

Если на поляризатор падает естественный свет, то интенсивность вышедшего из поляризатора света I ₀ равна половине I _ест , и тогда из анализатора выйдет

§ 3 Двойное лучепреломление

Все кристаллы, кроме кристаллов кубической система — изотропных кристаллов, являются анизотропными, то есть свойства кристаллов зависят от направления. Явление двойного лучепреломления впервые было обнаружено Барталином в 1667 г. на кристалле исландского шпата (разновидность СаСО₃). Явление двойного лучепреломления заключается в следующем: луч света, падающий на анизотропный кристалл, разделяется в нем на два луча: обыкновенный и необыкновенный, распространяющиеся с разными скоростями в различных направлениях.

Анизотропные кристаллы подразделяются на одноосные и двуосные.

У одноосных кристаллов имеются одно направление, называемое оптической осью, при распространении вдоль которого не происходит разделения на обыкновенный и необыкновенный лучи. Любая прямая параллельная направлению оптической оси будет также являться оптической осью. Любая плоскость, проходящая через оптическую ось и падающий луч, называется главным сечением или главной плоскостью кристаллам.

Отличия между обыкновенными и необыкновенными лучами:

обыкновенный луч подчиняется законам преломления необыкновенный — нет;
обыкновенный луч поляризован перпендикулярно главной плоскости, плоскость поляризации необыкновенного луча перпендикулярна плоскости поляризованного обыкновенного луча;
кроме оптической оси обыкновенные и необыкновенные лучи распространяются в разных направлениях. Показатель преломления n₀ обыкновенного луча постоянен во всех направлениях, следовательно, фазовая скорость обыкновенного луча постоянна во всех направлениях. Показатель преломления n_е необыкновенного луча ( U_ф.е. ) зависит от направления.

Различие скоростей U _о и U _е для всех направлений, кроме направления оптической оси, обуславливает явление двойного лучепреломления в одноосных кристаллах. У двуосных кристаллов имеется два направления, вдоль которых не происходит двойного лучепреломления.

Понятие обыкновенного и необыкновенного лучей имеет место пока эти лучи распространяются в кристалле, при выходе из кристалла эти понятия теряют смысл, то есть лучи отличаются только плоскостями поляризаций.

Природа двулучепреломления связана с тем, что обыкновенные и необыкновенные лучи имеют разные скорости, а так как , то для обыкновенного и необыкновенного лучей будут разные показатели преломления n ₀ и n _е , а так как то можно сказать, что первопричиной двойного лучепреломления является анизотропия диэлектрической проницаемости кристалла. Кристаллы, у которых V _е V ₀ ( n _е > n ₀ ) называются положительными, а у которых V _е > V ₀ ( n _е n ₀ )называются отрицательными.

Содержание

Урок-лекция по теме «Поляризация света»
Ход урока
ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА
ЕСТЕСТВЕННЫЙ И ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ СВЕТ
🎦 Видео

Видео:Поворот плоскости поляризации линейно-поляризованного светаСкачать

Урок-лекция по теме «Поляризация света»

Разделы: Физика

Цели:

Расширить представление об естественном свете.
Дать определение явления поляризации света.
Показать учащимся значимость поперечных свойств света для доказательства электромагнитной природы света.

Воспитательные: Воспитание мировоззренческого мышления.

Развивающие: Развитие самостоятельности мышления, интеллекта, умение систематизировать материал, формулировать выводы по изученному материалу.

Демонстрации:

Поляризация света поляроидами фронтально и индивидуально. На столах лабораторное оборудование: поляроиды, лампа, экран.
Плакат с изображением колебаний векторов и в линейно-поляризованной электромагнитной волне.
Показ слайдов с помощью информационно-компьютерных технологий.

Основное содержание материала: Определение явления поляризации. Понятие естественного и поляризованного света. Поперечность световых волн. Доказательство электромагнитной природы света. Поляроиды, их применение, поляризатор.

План.

История открытия поляризации.
Понятие об естественном и о линейно-поляризованном свете.
Значение поляризации для доказательства электромагнитной природы света.
Аналогия колебаний световой волны с механическими колебаниями.
Поляризация света при отражении и преломлении.
Оптическая активность вещества и вращение плоскости поляризации.
Применение явления поляризации.
Подведение итогов.

Видео:Поляризация света. Вращение плоскости поляризацииСкачать

Ход урока

На доске записывается тема лекции, объявляется цель, проговаривается структура изложения материала. На доске записаны контрольные вопросы, на которые учащиеся должны ответить после изложения материала учителем. Поляризация – греч.«polos», лат. «polus» – конец оси, полюс.

Учитель: Понятие поляризации света было введено в оптику английским ученым Исааком Ньютоном в 1706 г. и объяснено Джеймсом Клерком Максвеллом. На этапе развития волновой природы света, природа световых волн была неизвестна, хотя накапливались экспериментальные факты в пользу поперечности электромагнитных волн.

Учитель. Выполняя домашнее задание, надо было повторить понятия: электромагнитная волна, поперечная волна, гипотеза Максвелла об электромагнитных волнах, волновой цуг, естественный свет, анизотропия кристалла.

Что представляет собой электромагнитная волна?

Ученик. Электромагнитная волна представляет собой взаимосвязанные колебания векторов напряженности электрического и магнитного полей, перпендикулярных друг к другу и направлению распространения волны.

Что такое поперечная волна?

Поперечная волна – это волна, в которой направление колебаний частиц перпендикулярны направлению распространения волны.

Что представляют собой электромагнитные волны с точки зрения гипотезы Максвелла?

По гипотезе Максвелла электромагнитные волны распространяются в пространстве с конечной скоростью – скоростью света с=3 и являются поперечными.

Что такое волновой цуг?

Волновой цуг – волна, излучаемая отдельным атомом в течение времени, в котором атом находится в возбужденном состоянии: t=с.

Учитель. Что такое естественный свет?

Ученик. Естественный свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов, поэтому световая волна – это набор волновых цугов с беспорядочно меняющейся фазой.

Свет, у которого световой вектор колеблется беспорядочно одновременно во всех направлениях, перпендикулярных лучу, называется естественным.

Что такое анизотропия кристалла?

Анизотропия – это зависимость физических свойств кристалла от направления.

Учитель.

Впервые опыты по поляризации света с исландским шпатом были поставлены голландским ученым Х. Гюйгенсом в 1690 г. Пропуская световой луч сквозь исландский шпат, Гюйгенс открывает поперечную анизотропию светового луча, обусловленную анизотропией свойств кристалла. Это явление было названо двойным лучепреломлением. Если кристалл поворачивать относительно направления первоначального луча, то поворачиваются оба луча после выхода из кристалла. В 1809 году французский инженер Э. Малюс открыл закон, названный его именем. В опытах Малюса свет последовательно пропускался через две одинаковые пластинки из турмалина. Свет направляпся перпендикулярно поверхности кристалла турмалина, вырезанного параллельно оптической оси. При вращении кристалла вокруг оси луча, изменение интенсивности светового луча не происходит. Если на пути луча поставить второй, идентичный первому кристалл турмалина, то интенсивность прошедшего сквозь эти пластинки света, меняется в зависимости от угла α между осями кристаллов согласно закону Малюса:

=φ

Интенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной φ. В продольной волне все направления в плоскости, перпендикулярной лучу, равноправны, поэтому ни закон Малюса, ни двойное лучепреломление не смогли объяснить данное явление с точки зрения продольных волн.

Учитель. На пути солнечного света можно поставить специальное устройство – поляризатор, выделяющее одно из всех направлений колебаний вектора . Свет, у которого направление колебаний вектора строго фиксировано, называется линейно-поляризованным или плоско-поляризованным.

Под поляризацией света понимают выделение из естественного света световых колебаний с определенным направлением электрического вектора.

Эксперимент с двумя поляроидами, лампой, экраном.

Проделаем опыт с двумя одинаковыми прямоугольными пластинками из турмалина, вырезанными из кристалла параллельно его оптической оси. Оптическая ось кристалла – это направление, параллельное плоскости, в которой происходит колебание светового вектора.

Наложим одну пластину на другую так, чтобы их оси совпадали по направлению. Через сложенную пару пропустим узкий пучок света.

Будем вращать одну из пластин, при этом заметим, что яркость светового потока ослабевает и свет гасится, когда пластина повернется на 90°,т.е. угол между оптическими осями кристаллов составит 90°. При дальнейшем вращении пластинки проходящий световой поток вновь начнет усиливаться и когда пластинка повернется на 180°, интенсивность светового потока вновь станет прежней. Возвращаясь в исходное положение, пучок снова слабеет, проходит через минимум и доходит до прежней интенсивности при возвращении пластины в исходное положение. Таким образом, при повороте пластинки на 360° яркость светового потока, проходящего через обе пластины, два раза достигает «max» и два раза «min».

Учитель: В чем причина изменения яркости светового потока? Отметим, что результат не зависит от того, какой из кристаллов вращается и на каком расстоянии друг от друга они находятся. Проделаем еще раз опыт.

Будем поворачивать первый кристалл вокруг луча.

Наблюдается ли изменение яркости?

Ученик: Нет.

Учитель: Будем поворачивать второй кристалл относительно луча. Что наблюдаем?

Ученик: Видим, что яркость светового потока меняется.

Учитель: Что можно сказать о световой волне, идущей от источника света? Каково ее отличие от волны, прошедшей через первый кристалл?

Ученик: Кристалл турмалина способен пропускать световые колебания только в том случае, когда они направлены определенным образом относительно его оси.

Световая волна, идущая от источника света, является поперечной, первый кристалл, являясь анизотропным, пропускает световые колебания, лежащие в одной определенной плоскости, параллельной оптической оси, поэтому при повороте второго кристалла на 90°, когда угол между оптическими осями составит 90°, световой поток гасится.

Учитель: Действие турмалиновой пластинки заключается в том, что она пропускает колебания, электрический вектор которых параллелен оптической оси. Колебания, вектор которых перпендикулярен оптической оси, поглощаются пластинкой. Явление поляризации доказывает, что свет – поперечная волна. Делаем вывод, что световая волна – это частный случай электромагнитной волны.

Плоскость, в которой происходят световые колебания, после выхода из кристалла, является плоскостью колебаний.

Плоскостью поляризации является плоскость, в которой совершает колебания вектор индукции .

Световая волна, прошедшая первый кристалл, является линейно-поляризованной или плоско-поляризованной.

Запись в тетради: 1) Гипотеза Максвелла:

а) с=— скорость света.

Световая волна – поперечная волна и является частным случаем электромагнитной волны: ⊥; ⊥
Плоскость колебаний – плоскость, в которой колеблется вектор напряженности электрического поля, т.е. плоскость, которая параллельна оптической оси кристалла.
Плоскость поляризации – плоскость, в которой совершает колебания вектор индукции магнитного поля.
Линейно-поляризованная световая волна – волна, в которой колебания векторов напряженности электрического поля и вектора магнитной индукции В будут происходить в строго определенных направлениях.
Световой вектор – вектор напряженности электрического поля , применяемый для описания световой волны, т.к. световые ощущения в органах зрения вызывает преимущественно электрическая составляющая электромагнитной волны.
Поляризация света – выделение из естественного света световых колебаний с определенным направлением электрического вектора.
Поляризатор – устройство, выделяющее одно из всех направлений колебаний вектора .
Анализатор – устройство, позволяющее выяснить какова плоскость колебаний света.
Поляризатор и анализатор – поляроиды- взаимозаменяемы, т.к. их разница заключается в функциях:
поляризатор выделяет из естественного света пучок с одним направлением колебаний вектора , а анализатор определяет, каково направление колебаний.
Поляроид – прозрачная пленка, которая может служить поляризатором и анализатором света.

Для лучшего понимания проведем аналогию колебаний световой волны с механическими колебаниями.

Опыт. Если резиновый шнур присоединить к ротору генератора электродвигателя, то шнур будет колебаться во всех направлениях, подобно колебанию вектора напряженности . На пути шнура поставим вертикальную щель.

Ученик: Пройдут только те колебания, направления которых вертикальны и параллельны щели.

Поляризация света наблюдается при явлениях отражениях и преломлениях, т.е. при падении световой волны на границу раздела сред. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения, а в преломленном – параллельные плоскости падения.

Если световая волна распространяется в однородной среде, то поляризации света не происходит. Свет частично поляризуется при отражении от поверхности диэлектрика.

У световой волны, проходящей через растворы сахара, глюкозы, ряда кислот наблюдается поворот плоскости поляризации. Угол поворота пропорционален концентрации вещества в растворе. Такие растворы являются оптически активными. Степень оптической активности у разных веществ различна. Для измерения угла поворота применяют поляриметры. Для всех активных веществ угол поворота плоскости колебаний пропорционален толщине слоя и концентрации раствора.

Запись в тетради:

Оптически активные вещества: сахар, глюкоза, некоторые кислоты.

Угол поворота плоскости колебаний: ,

Поляриметр – прибор для измерения угла поворота плоскости поляризации в оптически активных веществах.

Применение поляризации.

в пищевой промышленности для определения концентрации раствора, сахара (сахариметры), белков, различных органических кислот;
в медицине для определения концентрации сахара в крови по углу поворота плоскости поляризации;

при оформление витрин, театральных декораций;
при фотографировании для устранения бликов при помощи поляризационных фильтров;
в геофизике – при изучении свойств облаков при определении характеристик поляризации света, рассеянного облаками.
В космических исследованиях – при фотографировании туманностей в поляризованном свете исследуют структуру магнитных полей.
В автотранспорте – для защиты водителей от слепящего действия фар встречных автомашин.
В машиностроении использование фотоупругого метода – изучение напряжений, возникающих в деталях машин.

Краткие итоги подводим, отвечая на вопросы (слайд)

Какое свойство световых волн доказано с помощью явления поляризации?
Что называют поляризацией?
Что представляет излучение отдельного атома?
Что представляет собой естественный свет?
Почему явление поляризации света доказывает, что свет является частным случаем электромагнитной волны?
Свет, отраженный от поверхности воды, частично поляризован. Как убедиться в этом, применяя поляроид?

Заключение.

Учитель: С каким свойством световых волн вы познакомились на уроке?

На уроке мы познакомились со свойством световых волн –поляризацией. Поляризация световых волн при прохождении света через анизотропные среды – кристаллы экспериментально доказывает поперечность световых волн.

Световая волна, в которой колебания светового вектора происходят в определенной плоскости, называется поляризованной. Свет, создаваемый естественным источником, не поляризован.

Литература:

Н.М. Годжаев «Оптика», – Москва: «Высшая школа», 1977.
Мякишев, А.З. Синяков, Б.А. Слободсков. Физика, Оптика, – Москва: «Высшая школа», 2003.
А.А. Пинский Физика, 11 кл., – Москва: «Просвещение», 2002.

Видео:Поляризация света и закон МалюсаСкачать

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

Видео:Поляризация света и угол БрюстераСкачать

ЕСТЕСТВЕННЫЙ И ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ СВЕТ

Свет — это поперечная электромагнитная волна, в которой колебания вектора напряженности электрического поля Е и вектора магнитной индукции В перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны (рис. 4.1). При рассмотрении взаимодействия света с веществом достаточно рассмотреть поведение одного из векторов Е или В. Обычно рассматривают поведение вектора напряженности электрического поля Е (световой вектор), поскольку взаимодействие света с веществом связано именно с этой составляющей электромагнитной волны.

Свет — это электромагнитное излучение атомов вещества, которые испускают волны во всевозможных направлениях. Интенсивность их излучения можно считать примерно одинаковой. Такой свет называют естественным, в нем все направления колебания светового вектора равновероятны.

Волна, в которой колебания светового вектора упорядочены, называется поляризованной. Упорядочить колебания можно только в поперечных волнах.

Это легко увидеть на примере поперечной волны, распространяющейся вдоль оси z. Если на пути волны поставить пластинку с прорезью, ориентированной вдоль оси у, то через прорезь будут проходить только те колебания, которые параллельны ей (рис. 4.2, а). Если повернуть пластинку так, что прорезь будет находиться параллельно оси х, то через нее колебания проходить не будут (рис. 4.2, б).

В продольной волне колебания происходят вдоль оси z, и при любой ориентации прорези через нее будут проходить колебания. Поэтому выделить какое-либо направление пропускания невозможно.

Естественный свет (солнечный свет, свет ламп накаливания) непо- ляризовап (рис. 4.3, а), свет с преимущественными направлениями колебания вектора Ё — частично поляризован (рис. 4.3, б), в линейно поляризованном (или плоско поляризованном) свете колебания вектора Ё совершаются вдоль одной линии (рис. 4.3, в).

Рассмотрим две линейно поляризованные волны, распространяющиеся в перпендикулярных направлениях хну. Колебания световых векторов в этих волнах описываются уравнениями

Результирующее колебание будет описываться уравнением, полученным ранее в разделе «Колебания и волны»:

В общем случае в результирующем колебании конец светового вектора описывает эллипс, параметры которого зависят от соотноше- д

ния амплитуд — и фазы колебаний ср (рис. 4.4). Колебания в этом В

случае называются эллиптически поляризованными.

На рис. 4.5 показано распространение эллиптически поляризованной волны в пространстве.

Если ср = кп (к = 0, ± 1, ± 2, ± 3. ), то (4.1) вырождается в уравнение прямой

Результирующее колебание показано на рис. 4.6 и называется линейно поляризованным.

Если ф = (2к +1)^- (Л: = 0, ±1, ±2, ±3. ) и А = В, то уравнение (4.1) примет вид уравнения окружности

а колебания называются циркулярно поляризованными (поляризованными по кругу) (рис. 4.7).

В эллиптически или циркулярно поляризованной волне конец светового вектора может вращаться либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. Если смотреть навстречу световому лучу, и его конец вращается по часовой стрелке, то такая поляризация называется правой. Если же конец светового вектора вращается против часовой стрелки, то такая поляризация называется левой.

Степенью поляризации излучения Р называется величина

где 7_тах — максимальная интенсивность света; 7_min — минимальная интенсивность света. Для естественного света /_тах = 7_min и Р-0. Для плоскополяризованного 7_min =0 и Р = 1.

Свет можно изображать с помощью стрелок и точек, показывающих направление колебаний светового вектора. Стрелка означает, что колебания светового вектора происходят в плоскости рисунка, а точка- что колебания светового вектора перпендикулярны плоскости рисунка. На рис. 4.8, а показан частично поляризованный свет, а на рис. 4.8, б и 4.8, в — линейно поляризованный.