Лабораторная работа №3, страница 94 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

Лабораторная работа № 3. Наблюдение поляризации света

Цель работы: изучить свойства поляризованного света.

Оборудование: 1) две линзы ($+\text{50}$, $+\text{100 мм}$); 2) два поляроида; 3) круглая диафрагма в держателе; 4) галогенная лампа; 5) экран; 6) штатив; 7) источник питания $12 \text{ В}$; 8) соединительные провода.

Порядок работы:

1. Необходимо собрать установку в следующем порядке: лампа – линза ($+\text{50 мм}$) – поляроид (поляризатор) – линза ($+\text{100 мм}$) – поляроид (анализатор) – экран (рис. 4.3.5).

Рис. 4.3.5. Установка для наблюдения поляризации света

2. Проведите наблюдение, что при вращении поляроида (поляризатора) вокруг луча интенсивность света не меняется.

3. Пронаблюдайте изменение интенсивности прошедшего через поляроид (анализатор) света в зависимости от его поворота относительно луча.

4. Располагая оси поляроидов перпендикулярно друг другу, пронаблюдайте полное гашение света.

5. Проанализируйте наблюдаемое и сделайте чертеж-вывод.

6. Для осмысления проведенной работы обсудите в группах вопросы.

Контрольные вопросы к лабораторной работе № 3

1. Когда проявляется явление поляризации света?

2. Как можно объяснить принцип работы поляроидов?

1. Когда проявляется явление поляризации света?
Явление поляризации света проявляется, когда происходит упорядочивание колебаний вектора напряженности электрического поля $\vec{E}$ (или вектора магнитной индукции $\vec{B}$) световой волны в плоскостях, перпендикулярных направлению ее распространения. Свет является поперечной электромагнитной волной, и в естественном свете (например, от солнца или лампы) эти колебания происходят хаотично во всех возможных направлениях. Поляризация – это процесс выделения из естественного света колебаний определенного направления.
Основные способы получения поляризованного света:
1. Отражение и преломление на границе двух диэлектриков. При отражении естественного света от диэлектрической поверхности (например, стекла или воды) отраженный и преломленный лучи становятся частично поляризованными. При определенном угле падения, называемом углом Брюстера, отраженный луч оказывается полностью поляризованным в плоскости, параллельной отражающей поверхности.
2. Двойное лучепреломление в анизотропных кристаллах. Некоторые кристаллические вещества (например, исландский шпат, кварц) обладают свойством анизотропии оптических свойств. Проходя через такой кристалл, луч естественного света разделяется на два луча, которые распространяются по разным направлениям и поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.
3. Рассеяние света. При рассеянии света на малых частицах (например, молекулах воздуха в атмосфере) рассеянный свет становится частично поляризованным. Наибольшая степень поляризации наблюдается в направлении, перпендикулярном падающему лучу. Именно поэтому свет голубого неба поляризован.
4. Дихроизм. Это явление избирательного поглощения света в зависимости от его поляризации. Некоторые кристаллы (например, турмалин) и специально изготовленные пленки (поляроиды) поглощают световые колебания, происходящие в одном направлении, и пропускают колебания в перпендикулярном ему направлении.
Таким образом, поляризация света — это свойство, которое проявляется при его взаимодействии с веществом: при отражении, преломлении, рассеянии и поглощении.

Ответ: Явление поляризации света, то есть упорядочивание колебаний вектора напряженности электрического поля, проявляется при взаимодействии света с веществом, в частности при отражении от диэлектриков, двойном лучепреломлении в анизотропных кристаллах, рассеянии на малых частицах и при прохождении через дихроичные материалы.

2. Как можно объяснить принцип работы поляроидов?
Принцип работы поляроидов основан на явлении дихроизма — избирательного поглощения света в зависимости от направления его поляризации.
Поляроид представляет собой тонкую полимерную пленку (например, из поливинилового спирта), которую в процессе изготовления растягивают в одном направлении. В результате этого длинные молекулы полимера выстраиваются параллельно друг другу. Затем пленку обрабатывают раствором йода. Молекулы йода встраиваются в полимерные цепочки, образуя длинные параллельные проводящие нити.
Когда на поляроид падает естественный свет, его можно представить как совокупность колебаний вектора напряженности электрического поля $\vec{E}$ во всевозможных направлениях в плоскости, перпендикулярной лучу.
1. Составляющая вектора $\vec{E}$, параллельная длинным проводящим цепочкам из молекул йода, вызывает в них движение электронов. Это приводит к поглощению энергии световой волны. Таким образом, свет с этой поляризацией почти полностью поглощается.
2. Составляющая вектора $\vec{E}$, перпендикулярная этим цепочкам, не может вызвать значительного движения электронов, так как их перемещение поперек цепочек затруднено. Поэтому свет с этой поляризацией проходит через поляроид практически без ослабления.
Направление, в котором колебания пропускаются, называется осью пропускания поляроида.
Таким образом, после прохождения через поляроид (поляризатор) естественный свет становится плоскополяризованным, а его интенсивность уменьшается примерно вдвое.
Если за первым поляроидом поместить второй (анализатор), то интенсивность света, прошедшего через оба, будет зависеть от угла $\alpha$ между их осями пропускания. Эта зависимость описывается законом Малюса:
$I = I_0 \cdot \cos^2(\alpha)$
где $I_0$ — интенсивность света, прошедшего через первый поляризатор и падающего на анализатор, а $I$ — интенсивность света после прохождения анализатора. Если оси параллельны ($\alpha = 0^\circ$), интенсивность максимальна. Если оси скрещены, то есть перпендикулярны ($\alpha = 90^\circ$), то свет полностью гасится ($I=0$).

Ответ: Принцип работы поляроидов основан на явлении дихроизма — избирательного поглощения света. Поляроид состоит из полимерной пленки с выстроенными в одном направлении длинными молекулами, пропитанными йодом. Эти структуры поглощают колебания электрического поля световой волны, параллельные им, и пропускают колебания, перпендикулярные им. Направление пропускаемых колебаний называется осью поляризации.