Домашние эксперименты, страница 144, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 10. Электромагнитная природа света. Параграф 96. Исследовательские работы. Практические работы-исследование - страница 144.

Условие.

ДОМАШНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ПОЛЯРИЗОВАННЫМ СВЕТОМ

Рассказав учащимся на уроке физики о свойствах поляризованного света, учитель привёл пример практического использования так называемых поляроидов, которые представляют собой тонкие плёнки кристаллов минерала герапатита, нанесённых на прозрачную основу из пластика или оргстекла. Если на фары и ветровые стёкла автомобилей нанести такие поляроиды, то при встречном движении автомобилей в тёмное время суток будет устранён слепящий свет фар, что очень важно с точки зрения безопасности движения. Аналогичное действие оказывают также поляризационные очки, которые полностью пропускают свет только с определённой ориентацией плоскости поляризации световой волны. В этой связи представляют интерес простые опыты по наблюдению свечения ЖK-экранов мониторов, телевизоров или смартфонов с помощью поляризационных очков. Проведите и вы несколько опытов с поляризованным светом.

Научная справка

В настоящее время поляризованный свет широко используется для изучения распределения механических напряжений в ответственных узлах и деталях машин и механизмов. Для этих целей из прозрачного пластика изготавливают модель детали (желательно плоскую) и подвергают её нагрузке. Картину распределения напряжений в виде разноцветных полос рассматривают в поляризованном свете и выявляют тем самым места локализаций наибольших нагрузок.

Этапы выполнения задания

• В качестве оборудования вам понадобятся поляризационные очки, ЖK-экран, предметы из прозрачного пластика (например, линейка из оргстекла, футляр для CD-диска и т. п.).

• Известно, что ЖK-экраны излучают поляризованный свет. Поэтому возьмите поляризационные очки и посмотрите через них на включённый ЖK-экран. Для удобства наблюдения настройте экран устройства, чтобы он стал светлым.

• Вращая очки, определите такое их положение относительно экрана, когда изображение на мониторе сквозь очки станет тёмным или практически полностью исчезнет. В этом случае ось поляризации очков оказывается перпендикулярной оси поляризационного света от экрана, т. е. свет не будет проходить через очки.

• Зафиксируйте это положение очков.

• Между очками и экраном поместите любой прозрачный предмет.

• Внимательно рассмотрите распределение зон с радужной окраской на поверхности предмета. Появление таких участков может свидетельствовать о существовании локальных дефектов в образце, например неоднородностей в его структуре, наличие микротрещин и т. п.

• Повторите предыдущий опыт при том же расположении предмета между очками и экраном, но подвергнув при этом образец деформации сжатия (растяжения, изгиба, кручения).

Изменилась ли картина распределения разноцветных полос на поверхности образца? Если картина изменилась, то с чем это может быть связано?

• Проделайте аналогичные опыты для разных расстояний между очками и экраном и расстояний между очками и предметом. Изменился ли характер распределения и интенсивность разноцветных полос?

• Чем объясняется возникновение разноцветных полос при прохождении поляризованного света через прозрачные предметы?

• Сделайте вывод.

Решение.

Решение

Изменилась ли картина распределения разноцветных полос на поверхности образца? Если картина изменилась, то с чем это может быть связано?

Да, при деформации образца (сжатии, растяжении, изгибе) картина распределения разноцветных полос изменяется. Это связано с тем, что механическая деформация вызывает и изменяет внутренние напряжения в материале. Прозрачные материалы, такие как оргстекло или пластик, под действием механического напряжения приобретают свойство оптической анизотропии, то есть становятся двулучепреломляющими. Возникающие цветные полосы (изохромы) напрямую визуализируют распределение этих напряжений. Каждая полоса соответствует точкам с одинаковой разностью главных напряжений. Когда мы деформируем образец, распределение напряжений меняется, что немедленно отражается в изменении узора и цвета полос.

Ответ: Картина распределения полос изменилась. Это связано с изменением распределения внутренних механических напряжений в образце при его деформации.

Проделайте аналогичные опыты для разных расстояний между очками и экраном и расстояний между очками и предметом. Изменился ли характер распределения и интенсивность разноцветных полос?

Характер распределения разноцветных полос (их форма и расположение на образце) не изменяется при изменении расстояний между экраном, образцом и очками. Этот узор определяется исключительно внутренними напряжениями в самом образце. Однако может измениться общее восприятие картины: при увеличении расстояния от глаз до предмета он будет казаться меньше, а при увеличении расстояния от предмета до экрана (источника света) общая яркость наблюдаемой картины может несколько уменьшиться. Интенсивность и цвет самих полос относительно друг друга остаются неизменными, так как они определяются разностью фаз, которая зависит от напряжения в материале, а не от расстояния наблюдения.

Ответ: Характер распределения и относительная интенсивность полос не изменились. Изменяется только видимый размер узора и общая яркость изображения.

Чем объясняется возникновение разноцветных полос при прохождении поляризованного света через прозрачные предметы?

Возникновение разноцветных полос объясняется явлением фотоупругости (или искусственного двойного лучепреломления).
1. ЖК-экран излучает линейно поляризованный свет. Поляризационные очки выступают в роли второго поляризатора (анализатора). Когда их оси поляризации скрещены (перпендикулярны), свет от экрана не проходит через очки, и мы видим темноту.
2. Когда между скрещенными поляризаторами помещают прозрачный образец, в котором есть механические напряжения (внутренние или вызванные внешней деформацией), он становится оптически анизотропным (двулучепреломляющим).
3. В таком материале падающий поляризованный свет расщепляется на две взаимно перпендикулярные составляющие, которые распространяются с разными скоростями. Из-за разницы скоростей между этими составляющими возникает разность фаз, величина которой пропорциональна величине напряжения в данной точке образца.
4. На выходе из образца эти две составляющие рекомбинируют, образуя в общем случае эллиптически поляризованный свет. Анализатор (очки) пропускает только ту компоненту этого света, которая совпадает с его осью поляризации.
5. Интенсивность прошедшего через анализатор света зависит от разности фаз. Поскольку разность фаз также зависит от длины волны света ($ \lambda $), для белого света (который является смесью волн разной длины) в каждой точке образца происходит усиление одних цветов и ослабление других. Это явление называется хроматической поляризацией. В результате мы наблюдаем радужную картину, где каждая цветная полоса (изохрома) соединяет точки с одинаковым уровнем механического напряжения.

Ответ: Возникновение полос объясняется явлением фотоупругости: под действием напряжений прозрачный материал становится двулучепреломляющим, изменяет поляризацию проходящего света, что при наблюдении через второй поляризатор (анализатор) приводит к интерференции световых волн, зависящей от цвета (длины волны) и величины напряжения.

Сделайте вывод.

На основе проведенных опытов можно сделать вывод, что поляризованный свет является эффективным инструментом для визуализации и анализа механических напряжений в прозрачных материалах. Этот метод, известный как поляризационно-оптический метод исследования напряжений или фотоупругость, позволяет наглядно увидеть распределение внутренних напряжений, выявить зоны их концентрации (наиболее слабые и опасные места в конструкции) и отследить их изменение в реальном времени при приложении нагрузок. Явление основано на том, что механическое напряжение вызывает в изотропных материалах оптическую анизотропию (двойное лучепреломление), что и приводит к появлению интерференционной картины в виде цветных полос при наблюдении в поляризованном свете.

Ответ: Поляризованный свет позволяет визуализировать внутренние механические напряжения в прозрачных объектах. Наблюдаемая картина цветных полос является картой распределения напряжений, что используется в инженерии для анализа прочности конструкций.