Часть III, страница 155, часть 1 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

Часть III. Наблюдение и исследование поляризации света.

Цель: изучить свойства поляризованного света и применить их на практике.

Необходимое оборудование: 1) поляроиды из жидкокристаллических экранов мобильного телефона; 2) оргстекло (линейка); 3) образец из прозрачного скотча различной толщины; 4) микрокристаллы поваренной соли на стекле, полученные при испарении раствора; 5) микрокристаллы сахара на стекле, полученные при испарении раствора; 6) стопа стеклянных пластин; 7) трубка от медицинской капельницы.

Порядок работы:

1. Поставьте поляроиды на одной прямой. Поворачивая один из них, добейтесь максимального гашения света.

2. Между поляроидами поместите образец со скотчем различной толщины. Поверните образец вокруг оси, совпадающей с поляризованным лучом.

3. Между поляроидами поместите:

• пластинку из оргстекла;

• трубку от капельницы.

4. Между поляроидами поместите:

• стекло с кристаллами сахара;

• стекло с кристаллами поваренной соли.

5. Посмотрите через один поляроид на облака, блики на мебели, блики от стопы стекол, блики от окон.

6. Проанализируйте наблюдаемые явления и сделайте вывод.

7. Для осмысления результатов работы ответьте на следующие вопросы.

1. Когда проявляется явление интерференции, дифракции и поляризации света?

2. Как получается интерференционная картина на пленке?

3. При освещении белым светом пленки объясните появление цветов на возникающей интерференционной картине.

4. Объясните принцип работы поляроидов.

1. Когда проявляется явление интерференции, дифракции и поляризации света?

Явления интерференции, дифракции и поляризации являются ключевыми доказательствами волновой природы света.

Интерференция – это явление, которое проявляется при наложении (суперпозиции) двух или нескольких когерентных световых волн. Когерентными называют волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную во времени разность фаз. В результате интерференции происходит перераспределение энергии в пространстве: в одних точках возникают максимумы интенсивности света (усиливающие друг друга волны), а в других – минимумы (гасящие друг друга волны). Это наблюдается, например, в тонких пленках (мыльные пузыри, масляные пятна на воде) или в опыте Юнга с двумя щелями.

Дифракция – это явление огибания волнами препятствий. Она проявляется, когда размеры препятствий или отверстий, через которые проходит свет, сопоставимы с длиной световой волны. В результате дифракции свет проникает в область геометрической тени, и за препятствием наблюдается сложная картина из чередующихся светлых и темных полос. Дифракцию можно наблюдать, например, при прохождении света через узкую щель, маленькое отверстие или дифракционную решетку.

Поляризация – это явление, которое характеризует направление колебаний вектора напряженности электрического поля ($ \vec{E} $) в световой волне. Свет является поперечной электромагнитной волной, то есть колебания векторов $ \vec{E} $ и $ \vec{B} $ (магнитной индукции) происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. В естественном (неполяризованном) свете колебания происходят во всевозможных направлениях. Поляризация – это процесс выделения из естественного света волн с определенным направлением колебаний. Она проявляется при отражении света от диэлектриков под определенным углом (угол Брюстера), при прохождении света через некоторые кристаллы (двойное лучепреломление) и специальные устройства – поляроиды.

Ответ: Интерференция проявляется при наложении когерентных волн. Дифракция проявляется при прохождении света мимо препятствий, соизмеримых с длиной волны. Поляризация проявляется как выделение из света колебаний определенного направления, что доказывает поперечность световых волн.

2. Как получается интерференционная картина на пленке?

Интерференционная картина на тонкой пленке (например, мыльной или масляной) возникает в результате наложения двух световых лучей: одного, отраженного от верхней поверхности пленки, и второго, отраженного от ее нижней поверхности.

Рассмотрим процесс подробнее:

1. Пучок света падает на поверхность тонкой прозрачной пленки толщиной $d$ с показателем преломления $n$.
2. Часть света (луч 1) отражается от верхней поверхности пленки. При отражении от оптически более плотной среды (например, воздух-пленка) фаза волны меняется на $ \pi $, что эквивалентно потере полуволны.
3. Другая часть света преломляется, проходит сквозь пленку до ее нижней границы.
4. На нижней границе эта часть света снова частично отражается (луч 2), проходит пленку в обратном направлении и выходит наружу, распространяясь параллельно первому отраженному лучу. При отражении от оптически менее плотной среды (например, пленка-воздух) изменения фазы не происходит.
5. Луч 2 проходит дополнительное расстояние по сравнению с лучом 1. Эта оптическая разность хода $ \Delta $ зависит от толщины пленки $ d $, ее показателя преломления $ n $ и угла падения луча. Для почти нормального падения света ($ \cos{r} \approx 1 $) она примерно равна $ \Delta = 2nd $.

Результат наложения (интерференции) лучей 1 и 2 зависит от суммарной разности хода, включающей как геометрическую разность, так и изменение фазы при отражении. Если разность хода равна целому числу длин волн ($ m\lambda $), лучи гасят друг друга (минимум). Если она равна нечетному числу полуволн ($ (m+1/2)\lambda $), лучи усиливают друг друга (максимум).

Условие максимума (усиления): $ 2nd = (m + 1/2)\lambda $.

Условие минимума (ослабления): $ 2nd = m\lambda $.

Поскольку толщина пленки обычно неодинакова в разных местах, в одних участках выполняются условия максимума, а в других – минимума, что и создает видимую интерференционную картину из светлых и темных полос (при монохроматическом свете).

Ответ: Интерференционная картина на пленке возникает из-за наложения световых волн, отраженных от ее верхней и нижней поверхностей. Разность хода между этими волнами приводит к их взаимному усилению или ослаблению.

3. При освещении белым светом пленки объясните появление цветов на возникающей интерференционной картине.

Появление радужных цветов на тонких пленках при освещении их белым светом (например, солнечным) является прямым следствием явления интерференции. Белый свет представляет собой смесь электромагнитных волн разной длины, которые человеческий глаз воспринимает как разные цвета (от фиолетового с короткой длиной волны до красного с длинной).

Как было объяснено в предыдущем вопросе, условие усиления (конструктивной интерференции) для света, отраженного от пленки, имеет вид $ 2nd = (m + 1/2)\lambda $, где $ d $ – толщина пленки, $ n $ – ее показатель преломления, а $ \lambda $ – длина волны света.

Это уравнение показывает, что для данной толщины пленки $ d $ условие усиления будет выполняться только для определенных длин волн $ \lambda $. Например, в некоторой точке пленки ее толщина может быть такова, что условие максимума выполняется для зеленого света. В этом случае отраженный от этой точки свет будет казаться нам преимущественно зеленым, так как другие цвета (длины волн) будут ослаблены из-за деструктивной интерференции.

Если толщина пленки немного изменится, то условие максимума начнет выполняться уже для другой длины волны, например, для синей или красной. Поскольку толщина реальных пленок (мыльных пузырей, нефтяных пятен) обычно непостоянна и меняется от точки к точке, мы видим на их поверхности переливающиеся цветные полосы и узоры. Каждая цветная полоса соответствует области с приблизительно одинаковой толщиной пленки.

Ответ: Белый свет состоит из волн разной длины (разных цветов). Условие интерференционного максимума зависит от длины волны. Поэтому в каждой точке пленки с определенной толщиной усиливаются только волны конкретных цветов, в то время как другие ослабляются. Это и приводит к появлению радужной окраски.

4. Объясните принцип работы поляроидов.

Поляроид – это оптическое устройство, которое преобразует естественный (неполяризованный) свет в плоскополяризованный. Принцип его работы основан на явлении дихроизма – способности некоторых кристаллов и материалов по-разному поглощать свет в зависимости от его поляризации.

Естественный свет представляет собой совокупность электромагнитных волн, в которых вектор напряженности электрического поля $ \vec{E} $ колеблется во всех возможных направлениях, перпендикулярных направлению распространения света.

Поляроид (например, поляроидная пленка) имеет выделенное направление, называемое осью пропускания. Он устроен так, что свободно пропускает ту составляющую вектора $ \vec{E} $, которая колеблется параллельно этой оси, и практически полностью поглощает составляющую, колеблющуюся перпендикулярно ей.

Структурно современный поляроид часто представляет собой полимерную пленку (например, из поливинилового спирта), которую растягивают для создания параллельно ориентированных длинных молекулярных цепочек. Затем пленку обрабатывают йодом. Молекулы йода "встраиваются" вдоль полимерных цепей, делая их проводящими в этом направлении. Когда свет падает на такую пленку, составляющая электрического поля, параллельная цепям, вызывает в них ток, ее энергия быстро поглощается и превращается в тепло. Составляющая поля, перпендикулярная цепям, не может вызвать ток и проходит сквозь пленку почти без потерь. Таким образом, ось пропускания поляроида перпендикулярна направлению вытянутых молекулярных цепей.

В результате на выходе из поляроида мы получаем свет, в котором колебания вектора $ \vec{E} $ происходят преимущественно в одной плоскости – плоскости поляризации. Такой свет называется плоскополяризованным.

Если на пути такого света поставить второй поляроид (анализатор), то интенсивность прошедшего света будет зависеть от угла $ \theta $ между осями пропускания поляризатора и анализатора. Эта зависимость описывается законом Малюса: $ I = I_{0} \cos^2{\theta} $, где $ I_0 $ - интенсивность света, падающего на анализатор. При $ \theta = 0^\circ $ (оси параллельны) интенсивность максимальна, а при $ \theta = 90^\circ $ (оси перпендикулярны, "скрещенные поляроиды") свет практически не проходит.

Ответ: Принцип работы поляроида основан на селективном поглощении света. Поляроид пропускает только ту составляющую световой волны, у которой вектор электрического поля колеблется в определенном направлении (вдоль оси пропускания), и поглощает составляющую, колеблющуюся в перпендикулярном направлении.