Свет продольная или поперечная волна. Продольны или поперечны световые волны

Явления интерференции и дифракции света подтверждают его волновую природу. В начале XIX века, Т. Юнг и О. Френель создав волновую теорию света, считали световые волны продольными, т.е. подобными звуковым волнам. Для этого им пришлось ввести некую гипотетическую среду, названную эфиром , в которой и происходило распространение продольных световых волн. В то время казалось невероятным, что свет – это поперечные волны, так как по аналогии с механическими волнами пришлось бы предполагать, что эфир – это твердое тело (поперечные механические волны не могут распространяться в газообразной или жидкой среде). Однако уже в то время существовали факты, противоречащие продольности световых волн.

Еще в средние века моряки привозили из Исландии необычные прозрачные камни, которые позже назвали исландским шпатом . Необычность их заключалась в том, что если кусочек исландского шпата положить на какую-либо надпись, то сквозь него надпись будет видеться раздвоенной.

В 1669 году датский ученый Бартолин сообщил интересные результаты своих опытов с кристаллами исландского шпата. При прохождении сквозь такой кристалл луч расщепляется на два (рис. 2.6.1). Эти лучи получили названия обыкновенный луч и необыкновенный луч , а само явление - двойное лучепреломление .

Обыкновенный луч подчиняется обычному закону преломления, а необыкновенный луч не подчиняется этому закону. Лучи раздваивались даже при их нормальном падении на кристалл исландского шпата. Если кристалл поворачивать относительно направления первоначального луча, то поворачиваются оба луча, прошедшие сквозь кристалл. Бартолин обнаружил также, что в кристалле существует некоторое направление, вдоль которого падающий луч не раздваивается. Однако объяснения этим явлениям он дать не мог.

Несколько лет спустя это открытие Бартолина привлекло к себе внимание Гюйгенса, который вводит понятие оптической оси кристалла (Бартолин фактически ее открыл).

Оптической осью кристалла называется выделенное направление в кристалле, вдоль которого обыкновенный и необыкновенный лучи распространяются не разделяясь.

В 1809 году французский инженер Э. Малюс провел опыт с кристаллами турмалина (прозрачными кристаллами зеленоватой окраски). В этом опыте свет последовательно пропускался через две одинаковые пластинки из турмалина. Если вторую пластинку поворачивать относительно первой, то интенсивность света, прошедшего через вторую пластинку изменялась от максимального значения до нуля (рис. 2.6.2). Зависимость интенсивности света I от угла j между оптическими осями обеих пластинок имеет вид:

(закон Малюса ), (2.6.1)

где I 0 – интенсивность падающего света.

Рис. 2.6.3 а . Рис. 2.6.3 б .

Ни двойное лучепреломление, ни закон Малюса не могут найти объяснение в рамках теории продольных световых волн. Для продольных волн направление распространения луча является осью симметрии. В продольной волне все направления в плоскости, перпендикулярной лучу, равноправны.

Чтобы понять, как ведет себя поперечная волна, рассмотрим волну, бегущую по шнуру в вертикальной плоскости. Если на пути этой волны поставить ящик с вертикальной щелью (рис. 2.6.3 а ), то волна свободно проходит через щель. В случае если щель в ящике расположена горизонтально, то волна сквозь нее уже не проходит (рис. 2.6.3 б ). Такая волна называется также плоско-поляризованной , т.к. колебания в ней происходят в одной (вертикальной) плоскости.

Опыты с кристаллами исландского шпата и турмалина позволили доказать, что световая волна является поперечной. Впервые догадку о поперечности световых волн высказал Т. Юнг (1816 г.). Френель, независимо от Юнга, также выдвинул концепцию поперечности световых волн, обосновал ее многочисленными экспериментами и создал теорию двойного лучепреломления света в кристаллах.

В середине 60-х годов XIX века Максвелл пришел к выводу о том, что свет – это электромагнитная волна. Этот вывод был сделан на основе совпадения скорости распространения электромагнитных волн, которая получается из теории Максвелла, с известным значением скорости света. К тому времени, когда Максвелл сделал вывод о существовании электромагнитных волн, поперечность световых волн уже была доказано экспериментально. Поэтому Максвелл полагал, что поперечность электромагнитных волн является еще одним важнейшим доказательством электромагнитной природы света.

В электромагнитной теории света исчезли также затруднения, связанные с необходимостью введения особой среды распространения волн – эфира, который приходилось рассматривать как твердое тело.

В электромагнитной волне вектора и перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Принято плоскость, в которой колеблется вектор , называть плоскостью колебаний , а плоскость, в которой происходят колебания вектора , плоскостью поляризации . Поскольку во всех процессах взаимодействия света с веществом основную роль играет вектор напряженности электрического поля , то его называют световым вектором . Если при распространении электромагнитной волны световой вектор сохраняет свою ориентацию, такая волна называется линейно-поляризованной или плоско-поляризованной .

Линейно-поляризованный свет испускается лазерами. Однако, свет, испускаемый обычными источниками (например, солнечный свет, излучение ламп накаливания и т. п.), не поляризован. Это связано с тем, что атомы излучают свет отдельным цугами независимо друг от друга. В результате чего вектор в результирующей световой волне беспорядочно изменяет свою ориентацию во времени, так что в среднем все направления колебаний оказываются равноправными.

Световая волна, у которой направления колебаний светового вектора, хаотически меняются во времени, называется естественным или неполяризованным светом .

Естественный свет, пройдя через кристалл исландского шпата или турмалина, поляризуется. Явление двойного лучепреломления света объясняется тем, что во многих кристаллических веществах показатели преломления для двух взаимно перпендикулярно поляризованных волн различны. Поэтому кристалл раздваивает проходящие через него лучи (рис. 2.6.1). Два луча на выходе кристалла линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях. Кристаллы, в которых происходит двойное лучепреломление, называются анизотропными .

Свет может оказаться поляризованным при отражении или рассеянии. В частности, голубой свет неба частично или полностью поляризован. Поляризация отраженного света впервые наблюдалась Малюсом, когда он смотрел сквозь кристалл исландского шпата на отражение заходящего солнца в окнах Люксембургского дворца в Париже. Малюс установил, что отраженный свет в той или иной степени поляризован. Степень поляризации отраженного пучка зависит от угла падения: при нормальном падении отраженный свет полностью не поляризован, а при падении под углом, который называется углом полной поляризации или углом Брюстера, отраженный луч поляризован на все 100 %. При отражении под углом Брюстера отраженный и преломленный лучи перпендикулярны между собой (рис. 2.5.4). Отраженный луч плоско-поляризован параллельно поверхности.

Т.к. , и , то угол Брюстера находится по формуле .

Поляризованный свет широко используется во многих областях техники (например, для плавной регулировки света, при исследовании упругих напряжений и т.д.). Человеческий глаз не различает поляризацию света, а глаза некоторых насекомых, например, пчел, воспринимают ее.

| | | | | | 7 |

Цель урока : Сформировать у школьников понятие «Поперечность световых волн. Поляризация света».

Задачи:

Сформировать у школьников понятие «естественный и поляризованный свет»; познакомить с экспериментальным доказательством поперечности световых волн;

изучить свойства поляризованного света,

показать аналогию между поляризацией механических, электромагнитных и световых волн;

сообщить о примерах использования поляроидов в технике.

Тип урока: изучение нового материала

Скачать:

Предварительный просмотр:

Урок физики в 11 классе по теме «Поперечность световых волн. Поляризация света»

Цель урока : Сформировать у школьников понятие «Поперечность световых волн. П оляризация света».

Задачи :

изучить свойства поляризованного света,

показать аналогию между поляризацией механических, электромагнитных и световых волн;

сообщить о примерах использования поляроидов в технике.

Тип урока: изучение нового материала

Оборудование урока : компьютер, проектор, презентация к уроку, поляроиды на каждой парте, резиновый шнур и две линейки, пластиковый корпус от CD-диска.

Ход урока

План.

Организационный момент. (1 мин)
Фронтальное повторение изученного материала.(10 мин)
Изучение нового материала.(24 мин)
Подведение итогов изучения нового материала. Рефлексия.(4 мин)
Домашнее задание.(1 мин)

Подписи к слайдам:

Поперечность световых волн. Поляризация света.

Ответим на вопросы: 1. На какие два типа делят все волны? 2. Какие волны называют продольными? 3. Какие волны называют поперечными? 4. Что колеблется в поперечной механической волне? 5. К какому типу волн относится звуковая волна? 6. Какому типу волн относится электромагнитная волна? Почему?

Виды волн поперечные продольные

В 1865 году Максвелл, пришел к выводу, что свет - электромагнитная волна. Одним из аргументов в пользу данного утверждения является совпадение скорости электромагнитных волн, теоретически вычисленных Максвеллом, со скоростью света, определенной экспериментально (в опытах Ремера и Фуко).

турмалин Кристалл имеет ось симметрии и принадлежит к числу одноосных кристаллов.

Опыт Малюса 1810 г

Выводы: во-первых, что световая волна, идущая от источника света, полностью симметрична относительно направления распространения во-вторых, что волна, вышедшая из первого кристалла, не обладает осевой симметрией

Естественный свет Свет – поперечная волна. В падающем от обычного источника пучке волн присутствуют колебания всевозможных направлений, перпендикулярных направлению распространения волн. Световая волна с колебаниями по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения, называется естественной.

Поляризованный свет Кристалл турмалина обладает способностью пропускать световые волны с колебаниями, лежащими в одной определенной плоскости. Такой свет называется поляризованным или, точнее, плоскополяризованным в отличие от естественного света, который может быть назван также неполяризованным.

Поляроид Представляет собой тонкую (0.1 мм) пленку кристаллов герапатита, нанесенную на целлулоид или стеклянную пластинку. Прозрачные пленки (полимерные, монокристаллические и др.), преобразующие неполяризованный свет в линейно поляризованный, т.к. пропускают свет только одного направления поляризации. Поляроиды изобретены американским ученым Э. Лэндом в 1932 .

Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлектриков (например, воздуха и стекла), то часть его отражается, а часть преломляется и распространяется во второй среде. Устанавливая на пути отраженного и преломленного лучей анализатор (например, турмалин), можно убедиться в том, что отраженный и преломленный лучи частично поляризованы: при поворачивании анализатора вокруг лучей интенсивность света периодически усиливается и ослабевает (полного гашения не наблюдается!). Дальнейшие исследования показали, что в отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения (на рисунке они обозначены точками), в преломленном - колебания, параллельные плоскости падения (изображены стрелками).

Проверка на опытах поляризованности света, испускаемого различными источниками Жидкокристаллический монитор даёт поляризованный свет. При повороте поляризатора он ослабляется, при повороте на 90  полностью гасится. Поляризовано также излучение дисплея калькулятора. Поляризован свет дисплея мобильного телефона. Свет, отражённый от стекла, поляризован. Посмотрите на стекло через поляроид. Вращением поляроида добиваемся исчезновения бликов.

Поляризованный свет в природе Поляризован отраженный свет, блики, например, лежащие на поверхности воды, Рассеянный свет неба не что иное, как солнечный свет, претерпевший многократное отражение от молекул воздуха, преломившийся в капельках воды или ледяных кристаллах. Поэтому в определенном направлении от Солнца он поляризован. Многие насекомые в отличие от человека видят поляризацию света. Пчелы и муравьи не хуже викингов пользуются этой своей способностью для ориентировки в тех случаях, когда Солнце закрыто облаками. Поляризован свет некоторых астрономических объектов. Наиболее известный пример – Крабовидная туманность в созвездии Тельца. Некоторые виды жуков, обладающие металлическим блеском, превращают свет, отраженный от их спинки, в поляризованный по кругу. Так называют поляризованный свет, плоскость поляризации которого закручена в пространстве винтообразно, налево или направо.

комета Хейла-Боппа обычный снимок через поляроид

Некоторые применения поляроидов Солнцезащитные и антибликовые очки; Поляроидные фильтры в фотоаппаратах; Обнаружение дефектов в изделиях из прозрачного материала; Жидкокристаллические мониторы; Стереомониторы и стереочки.

Солнцезащитные поляризационные и антибликовые очки Безопасное вождение ночью, днем, в сумерки, туман и зимой. Поляризованные линзы снимают блики от лобового стекла, от мокрой дороги, от снега, защищают от фар встречных машин, снимают усталось, улучшают видимость в любую погоду. Они незаменимы для полярников, которым постоянно приходится смотреть на ослепительное отражение солнечных лучей от заледеневшего снежного поля.

Обнаружение напряжений в прозрачных телах (дефектоскопия): Если в прозрачном материале появляются напряжения (вызванные внутренними напряжениями или внешней нагрузкой), то материал начинает неоднородно поворачивать угол поляризации. Данный эффект в полимерах проявляется сильнее, чем в стекле. ОПЫТ: Зажмите прозрачную пластиковую коробку от CD -диска между двумя поляроидами. Свет испытывает неоднородную поляризацию, что проявляется в различной интенсивности проходящего через поляризаторы света, окрашиванием поля зрения в разные цвета в проходящем свете. При изгибе или сжатии коробки интенсивность проходящего света изменяется, изменяется и цвет прошедшего через поляроиды света. Так обнаруживают напряжения в прозрачных образцах.

Получение стереоизображения, стереомонитор Для получения эффекта объёма (стереоэффекта) необходимо показать каждому глазу свою картинку, так, как будто бы разные глаза смотрят на объект с разных ракурсов; всё остальное наш мозг достроит и рассчитает самостоятельно. В стереомониторе чётные и нечётные строки пикселей на экране должны иметь разное направление поляризации света. Линзы очков – поляризаторы, повёрнутые друг относительно друга на 90 градусов – через одну линзу очков видны только чётные строки, а через другую нечётные. Каждый глаз увидит только ту картинку, которая предназначена для него, поэтому изображение становится объёмным.

Принцип действия ЖК-дисплеев Работа ЖК-дисплеев основана на явлении поляризации светового потока. Жидкие кристаллы - это органические вещества, способные под действием напряжения поворачиваться в электрическом поле. Жидкие кристаллы обладают анизотропией свойств. В частности, в зависимости от ориентации по-разному отражают и пропускают свет, поворачивают его плоскость поляризации. Панель на тонкопленочных транзисторах похожа на многослойный бутерброд. Слой жидких кристаллов находится между двумя поляризационными панелями. Напряжение заставляет кристаллы работать подобно затвору, блокируя или пропуская свет. Интенсивность света, прошедшего через поляризатор, зависит от напряжения.

Жидкокристаллические мониторы и дисплеи

Вопросы: Чем отличается естественный свет от поляризованного? В чем заключается явление поляризации? Можно ли экспериментально доказать, что световые волны поперечные? Что называют поляроидом?

Выводы: Кристалл турмалина (поляроид) преобразует естественный свет в плоскополяризованный. Поляризация - одно из волновых свойств света. Различные источники света могут испускать как поляризованный, так и неполяризованный свет. При помощи поляроидов можно управлять интенсивностью света; Явление поляризации света встречается в природе, широко используется в современной технике. Свет – это поперечная волна.

Домашнее задание § 2.14, 2.15 Дополнительно: Найти материал о применение поляроидов и о поляризованном свете (представить в виде доклада в электронном виде)

http://course-crystal.narod.ru/p31aa1.html http://pda.ferra.ru/online/video/s4934/print/ http://3dliga.ru/3d-aboutus-technology.html http://www.fcenter.ru/online.shtml?articles/hardware/monitors/24761 http://physics.nad.ru/Physics/Cyrillic/ell_txt.htm

Проверка на опытах поляризованности света, испускаемого различными источниками Жидкокристаллический монитор даёт поляризованный свет. При повороте поляризатора он ослабляется, при повороте на 90 полностью гасится. Поляризовано также излучение дисплея калькулятора. Поляризован свет дисплея мобильного телефона. Свет, отражённый от стекла, поляризован. Посмотрите на стекло через поляроид. Вращением поляроида добиваемся исчезновения бликов.

Солнцезащитные поляризационные и антибликовые очки Безопасное вождение ночью, днем, в сумерки, туман и зимой. Поляризованные линзы снимают блики от лобового стекла, от мокрой дороги, от снега, защищают от фар встречных машин, снимают усталость, улучшают видимость в любую погоду. Они незаменимы для полярников, которым постоянно приходится смотреть на ослепительное отражение солнечных лучей от заледеневшего снежного поля.

Обнаружение напряжений в прозрачных телах (дефектоскопия): Если в прозрачном материале появляются напряжения (вызванные внутренними напряжениями или внешней нагрузкой), то материал начинает неоднородно поворачивать угол поляризации. Данный эффект в полимерах проявляется сильнее, чем в стекле. ОПЫТ: Зажмите прозрачную пластиковую коробку от CD-диска между двумя поляроидами. Свет испытывает неоднородную поляризацию, что проявляется в различной интенсивности проходящего через поляризаторы света, окрашиванием поля зрения в разные цвета в проходящем свете. При изгибе или сжатии коробки интенсивность проходящего света изменяется, изменяется и цвет прошедшего через поляроиды света. Так обнаруживают напряжения в прозрачных образцах.

Получение стереоизображения, стерео монитор Для получения эффекта объёма (стереоэффекта) необходимо показать каждому глазу свою картинку, так, как будто бы разные глаза смотрят на объект с разных ракурсов; всё остальное наш мозг достроит и рассчитает самостоятельно. В стерео мониторе чётные и нечётные строки пикселей на экране должны иметь разное направление поляризации света. Линзы очков – поляризаторы, повёрнутые друг относительно друга на 90 градусов – через одну линзу очков видны только чётные строки, а через другую нечётные. Каждый глаз увидит только ту картинку, которая предназначена для него, поэтому изображение становится объёмным.

Свет - это форма энергии, видимая человеческим глазом, которую излучают движущиеся заряженные частицы.

Солнечный свет играет важную роль в жизни живой природы. Он необходим для роста растений. Растения преобразуют энергию солнечного света в химическую форму с помощью процесса фотосинтеза. Нефть, уголь и природный газ являются остатками растений, живших миллионы лет назад. Можно сказать, что это энергия преобразованного солнечного света.

Ученые с помощью экспериментов доказали, что время от времени свет ведет себя как частица, а в другое время как волна. В 1900 году квантовая теория Макса Планка объединила две точки зрения ученых на свет. И в современной физике свет рассматривают как поперечные электромагнитные волны, видимые человек, которые излучаются квантами света (фотонами) - частицами не имеющими массы и движущимися со скоростью

Характеристики света

Как любую волну, свет можно охарактеризовать длиной (λ), частотой (υ) и скоростью распространения в какой-либо среде (v). Связь между этими величинами демонстрирует формула:

Видимый свет лежит в диапазоне длин волн электромагнитного излучения от м (в порядке возрастания длины волны: фиолетовый, синий, зеленый, желтый, оранжевый, красный). Частота световой волны связана с его цветом.

Когда световая волна переходит из вакуума в среду, то происходит уменьшение ее длины и скорости распространения, частота световой волны остается неизменной:

n - показатель преломления среды, с - скорость света в вакууме.

Необходимо помнить, что скорость света:

в вакууме является универсальной постоянной во всех системах отчета;
в среде всегда меньше скорости света в вакууме;
зависит от среды, через которую он проходит;
в вакууме всегда больше скорости любой частицы, обладающей массой.

Волновая природа света

Волновая природа света была впервые проиллюстрирована с помощью экспериментов по дифракции и интерференции. Как и все электромагнитные волны, свет может проходить через вакуум, отражаться и преломляться. Поперечную природу света доказывает явление поляризации.

Интерференция

Световые волны, имеющие постоянную разность фаз и одинаковые частоты, производят видимый эффект интерференции, когда происходит усиление или ослабление результирующей волны.

Исаак Ньютон был одним из первых ученых, изучавших явление интерференции. В своем знаменитом эксперименте «Кольца Ньютона» он соединил выпуклую линзу с большим радиусом кривизны с плоской стеклянной пластиной. Если рассматривать эту оптическую систему через отраженный солнечный свет, наблюдается ряд концентрических светлых и темных сильно окрашенных кругов света. Кольца проявляются из-за тонкого слоя воздуха между линзой и пластиной. Свет, отраженный от верхней и нижней поверхности стекла, интерферирует и дает максимум интерференции в виде светлых, а минимум в виде темных колец.

Дифракция

Дифракция - это огибание световой волной препятствий. Явление можно наблюдать, когда препятствие по своим размерам сравнимо с длиной волны. Если объект намного больше длины волны от источника света, явление практически незаметно.

Результат дифракции - чередующиеся цветные и темные полосы света или концентрические окружности. Этот оптический эффект возникает в результате того, что волны, обогнувшие препятствие интерферируют. Такую картину дает отраженный от поверхности компакт-диска свет.