Поперечная волна - волна, распространяющаяся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой происходят колебания частиц среды (в случае упругой волны) или в которой лежат векторы электрического и магнитного поля (для электромагнитной волны).
К поперечным волнам относят, например, волны в струнах или упругих мембранах, когда смещения частиц в них происходят строго перпендикулярно направлению распространения волн, а также плоские однородные электромагнитные волны в изотропном диэлектрике или магнетике; в этом случае поперечные колебания совершают векторы электрического и магнитного полей.
Поперечная волна обладает поляризацией, т.е. вектор её амплитуды определённым образом ориентирован в поперечной плоскости. В частности, различают линейную, круговую и эллиптическую поляризации в зависимости от формы кривой, которую описывает конец вектора амплитуды. Понятие поперечной волны так же, как и продольной волны, до некоторой степени условно и связано со способом её описания. "Поперечность" и "продольность" волны определяются тем, какие величины реально наблюдаются. Так, плоская электромагнитная волна может описываться продольным Герца вектором. В ряде случаев разделение волн на продольные и поперечные вообще теряет смысл. Так, в гармонической волне на поверхности глубокой воды частицы среды совершают круговые движения в вертикальной плоскости, проходящей через волновой вектор , т.е. колебания частиц имеют как продольную, так и поперечную составляющие.
В 1809 году французский инженер Э. Малюс открыл закон, названный его именем. В опытах Малюса свет последовательно пропускался через две одинаковые пластинки из турмалина (прозрачное кристаллическое вещество зеленоватой окраски). Пластинки могли поворачиваться друг относительно друга на угол φ
Интенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной cos2 φ:
Явление Брюстера используется для создания поляризаторов света, а явление полного внутреннего отражения – для пространственной локализации световой волны внутри оптического волокна. Показатель преломления материала оптического волокна превышает показатель преломления окружающей среды (воздуха), поэтому световой луч внутри волокна испытывает на поверхности раздела волокно – среда полное внутреннее отражение и не может выйти за пределы волокна. С помощью оптического волокна можно послать луч света из одной точки пространства в другую по произвольной криволинейной траектории.
В настоящее время созданы технологии изготовления кварцевых волокон диаметром , которые практически не имеют внутренних и внешних дефектов, а их прочность не меньше прочности стали. При этом удалось снизить потери электромагнитного излучения в волокне до величины менее , а также существенно уменьшить дисперсию. Это позволило в 1988г. ввести в эксплуатацию волоконно-оптическую линию связи, соединившую по дну Атлантического океана Америку с Европой. Современные ВОЛС способны обеспечить скорость передачи информации свыше .
При большой интенсивности электромагнитной волны оптические характеристики среды, включая показатель преломления, перестают быть постоянными и становятся функциями электромагнитного излучения. Принцип суперпозиции для электромагнитных полей перестаёт выполняться, и среда называется нелинейной . В классической физике для описания нелинейных оптических эффектов используется модель ангармонического осциллятора . В этой модели потенциальную энергию атомного электрона записывают в виде ряда по степеням смещения x электрона относительно его положения равновесия
Министерство образования Нижегородской области
ГБОУ СПО «Лукояновский сельскохозяйственный техникум»
Методическая разработка по учебной дисциплине «Физика»
Поперечность световых волн.
Поляризация света
Разработал: Смирнов А.В. преподаватель физики
1 квалификационной категории
Лукоянов, 2012 г.
Рассмотрено на заседании
методической комиссии
математического и естественнонаучного цикла
Протокол № _____
"__" ________ 2012 г.
Председатель
__________/ Н.Н. Александрова
Одобрено методическим советом ГБОУ СПО «Лукояновский сельскохозяйственный техникум»
Протокол № ______
"__" ________ 2012 г.
Председатель
____________________________
Урок на тему «Поперечность световых волн. Поляризация света».
Цели:
Образовательные:
создать условия для изучения понятия «Поляризации света», его практического применения , добиться сознательного усвоения полученных знаний, приучить пользоваться полученными знаниями на практике.
продолжить воспитание аккуратности, бережливости, ответственности;
вызвать интерес к учебным действиям;
вызвать интерес к изучаемому матeриалу.
развивать мышление, навыки учебного труда;
продолжить работу по формированию умений осознавать проблему, делать выводы, обобщать.
Тип урока: комбинированный.
Оборудование:
лабораторное оборудование на каждый стол: 2 поляроида, кусочек целлофана; стопка стеклянных пластин.
демонстрационное оборудование:
набор по поляризации света, ноутбук, монитор ноутбука, проектор, интерактивная доска, источник тока, низковольтная лампа на подставке.
Ход урока
I) Организационный момент
(2 мин.)
Проверка посещаемости, готовности класса и обучающихся к уроку.
II) Проверка домашнего задания, актуализация ранее изученного
(10 мин.)
Тестовые задания на доске, самопроверка по ответам на доске , анализ путём выборочного опроса, ликвидация пробелов.
Объясните с физической точки зрения, почему трава зеленая.
Объясните с физической точки зрения, чем белые поверхности отличаются от черных.
Свет какого цвета больше всего преломляется стеклянной треугольной призмой?
Какое явление объясняет радужную окраску мыльных пузырей?
Источники, имеющие одинаковую фазу и частоту называются когерентными.
Могут ли две звезды на небе быть когерентными источниками света? Почему?
Как называются колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени.
Какая волна называется продольной?
Какая волна называется поперечной?
Как расположены векторы Е и В в электромагнитной волне?
Электромагнитная волна продольная или поперечная?
III) Изучение нового материала (15 мин.)
Проблемный эксперимент
Учащимся раздаётся оборудование, на доску выводится задание к эксперименту:
1) Посмотрите на лампу, подключенную к источнику, через поляроид;
2) поворачивайте поляроид вокруг оси, наблюдайте освещенность экрана. Сделайте вывод;
3) установите между поляроидом и экраном ещё один поляроид и поворачивайте вокруг оси сначала один , потом другой поляроиды.
4) Наблюдайте, как меняется освещённость экрана. Сделайте вывод.
Эвристическая беседа
Первое предположение:
Свет – поперечная волна. Но в падающем от обычного источника пучке волн присутствуют колебания во всевозможных плоскостях, перпендикулярных направлению распространения волн;
Второе предположение: Поляроид обладает способностью пропускать световые волны с колебаниями, лежащими в одной определенной плоскости.
Слово учителя
Теоретические сведения
Кристалл турмалина поляризует естественный свет, т.е. выделяет (пропускает) колебания только в одной определённой плоскости. С помощью второго поляроида (анализатора) можно определить плоскость поляризации первого поляроида.
Проблемный эксперимент
На доску выводится задание к эксперименту:
1. Возьмите в руки поляроид и, поворачивая вокруг оси, посмотрите сквозь него на:
экран ноутбука;
изображение на интерактивной доске;
лампу накаливания.
Эвристическая беседа
Обучающимся предлагается объяснить результаты опытов.
Свет от экрана ноутбука поляризован;
Изображение на интерактивной доске поляризовано, оси поляризации для света разной длины волны не совпадают.
Свет лампы накаливания не поляризован.
Слово учителя
Теоретические сведения
Объяснение устройства LCD-монитора.
Проблемный эксперимент:
Теле-радио-связь осуществляется на электромагнитных волнах.
Давайте вспомним одно из свойств электромагнитных волн , и попробуем объяснить его с позиции знаний, полученных на сегодняшнем уроке.
Демонстрация опыта по поляризации электромагнитных волн (учебный фильм).
Слово учителя
Объяснение опыта: если направление металлических стержней решетки совпадает с направлением вектора напряженности электрического поля, то в стержнях возбуждаются токи, решетка срабатывает как проводник и отражает электромагнитную волну. Если же решетку повернуть на 90°, сигнал проходит, так как в этом случае стержни перпендикулярны вектору электрического поля, и оно не может вызвать появление токов в стержнях.
Проблемный эксперимент:
Поместим между скрещенными под углом 90° поляроидами смятый кусочек целлофана, покрутим по очереди поляроиды вокруг оси , пронаблюдаем эффект;
Поместим между скрещенными под углом 90° поляроидами специальный слайд из набора по поляризации света для наблюдения хроматической поляризации, повернём поляроиды вокруг оси , пронаблюдаем эффект на экране.
Пронаблюдаем через поляроид стопку стеклянных пластин, повернув их вокруг вертикальной оси на некоторый угол и поворачивая поляроид.
Слово учителя
Ц
еллофан:
Сильной анизотропией обладает целлофан. Этот упаковочный материал делают из вискозы, продукта переработки древесины. При изготовлении целлофановая плёнка сильно растягивается, выстраивая цепочками длинные органические молекулы.
Поляроидные очки:
очки с одним или двумя слоями поляроида. Очки с двумя слоями поляроида применяются как затемняющие светофильтры переменной плотности: сбоку очков выступает рычажок, с помощью которого можно два поляроида одновременно поворачивать относительно двух других, неподвижных. При параллельных поляроидах пропускание очков =40%, при скрещённых оно становится минимальным (=0,01%).
Очки с одним слоем поляроида применяются либо для разделения изображений, либо для уменьшения яркости бликов отражённого света. В первом случае плоскости поляризации обоих фильтров устанавливают взаимно перпендикулярно, чтобы в каждый глаз попадал свет только одной плоскости поляризации. Такие очки применялись в системе стереокино, в которой два кадра стереопары посылались на экран в поляризованном свете: плоскость поляризации каждого кадра соответствовала плоскости поляризации поляроида, через который свет должен был пройти в соответствующий глаз. Во втором случае поляроидные фильтры имеют одинаковые направления плоскостей поляризации и не пропускают свет , поляризованный в перпендикулярной плоскости. Свет, отражённый под углом от диэлектрической среды, в значительной степени поляризован. Очки позволяют сильно ослабить этот отражённый свет, что даёт возможность, напр., заглянуть вглубь воды.
Поляризационные системы.
При использовании линейной поляризации два изображения накладываются друг на друга на один и тот же экран через ортогональные (расположенные под углом 90 градусов друг к другу) поляризационные фильтры в проекторах. При этом необходимо использование специального посеребрённого экрана, который позволяет избежать деполяризации и компенсировать потерю яркости (поскольку на экран падает только 0,71 света излученного каждым проектором.
Зритель надевает очки, в которые также встроены ортогональные поляризационные фильтры; таким образом каждый фильтр пропускает только ту часть световых волн, чья поляризация соответствует поляризации фильтра, и блокирует ортогонально поляризованный свет.
Линейно поляризованные очки требуют, чтобы зритель держал голову на одном уровне, не наклоняя её, иначе эффект теряется.
Пример
технологии, использующей линейную поляризацию - IMAX 3D.
При использовании круговой поляризации два изображения так же накладываются друг на друга через фильтры с противоположно направленной поляризацией. В очки, предназначенные для зрителя , встроены «анализирующие» фильтры (с противоположно направленной поляризацией). В отличие от линейной поляризации, если зритель наклоняет голову, разделение левого и правого изображений сохраняется, а соответственно сохраняется и иллюзия стереоизображения.
П
оляризационные фотофильтры.
Действие этих фильтров основано на эффекте поляризации электромагнитных волн, а также на эффектах вращения плоскости поляризации некоторыми веществами.
Светочувствительный материал в фотографии не сохраняет информации о плоскости поляризации падающих на него волн электромагнитного излучения.
Поляризационный фильтр линейной поляризации. Содержит один поляризатор, поворачивающийся в оправе. Его применение основывается на том, что часть света в окружающем нас мире поляризована. Частично поляризованы все лучи, неотвесно падающие отражённые от диэлектрических поверхностей. Частично поляризован свет, поступающий от неба и облаков. Поэтому, применяя поляризатор при съёмке, фотограф получает дополнительную возможность изменения яркости и контраста различных частей изображения. Например, результатом съёмки пейзажа в солнечный день с применением такого фильтра может получиться тёмное, густо-синее небо. При съёмке находящихся за стеклом объектов поляризатор позволяет избавиться от отражения фотографа в стекле.
Для съёмки в условиях низкой освещённости выпускаются Low Light Polarizer, частично поляризующие свет и потому имеющие низкую кратность. При сложении двух таких фильтров перпендикулярно их плоскостями поляризации вместо полного гашения светового потока получается 2/3 величины потока.
Фильтр с круговой поляризацией. Помимо поляризатора, содержит так называемую «четвертьволновую пластинку», на выходе которой линейно-поляризованный свет приобретает круговую поляризацию. С точки зрения получаемого на снимке эффекта , круговой поляризатор ничем от линейного не отличается. Появление таких фильтров было продиктовано развитием элементов TTL автоматики фотоаппарата, которые, в отличие от фотоматериала, оказались зависимы от того, является ли попадающий на них через объектив свет поляризованным. В частности, линейно-поляризованный свет частично нарушает работу автоматики фазовой фокусировки в зеркальных фотоаппаратах и затрудняет экспозамер.
Составные нейтральные фильтры. Если сложить вместе два поляризатора, то при совпадающих плоскостях поляризации такой фильтр имеет максимальное светопропускание (и эквивалентен нейтрально-серому фильтру 2x). При перпендикулярных же направлениях поляризации при идеальных поляризаторах фильтр полностью поглощает падающий на него цвет. Выбирая угол поворота, можно в очень широких пределах менять светопропускание такого фильтра.
Составные цветные поляризационные фильтры. Они состоят из двух поляризующих фильтров, которые можно вращать, и между ними находится пластинка, поворачивающая плоскость поляризации света. Из-за того, что угол поворота зависит от длины волны , при каждом положении поляризаторов часть спектра проходит сквозь такую систему, а часть задерживается. Поворот же поляризаторов друг относительно друга приводит к изменению спектральной характеристики фильтра. Выпускаются, например, красно-зелёные фильтры.
Электронно-управляемые фильтры. Если в качестве второго поляризатора в конструкции составных фильтров используется жидкокристаллический элемент, это позволяет управлять свойствами фильтра непосредственно в процессе съёмки.
IV) Закрепление
(10 мин.)
Фронтальная беседа.
Вопросы для фронтальной беседы
Чем отличается обычный свет от поляризованного?
Что такое поляроиды?
Как кристаллы турмалина и поляроиды преобразуют свет?
На какое свойство света указывает явление поляризации?
Где можно пронаблюдать явление поляризации в быту и в технике?
Где и как используется явление поляризации?
Предложите ваше применение явления поляризации.
V) Подведение итогов (5 мин.)
Определим главное, что мы узнали сегодня на уроке:
понятие поляризации света;
поляроид и его функции;
проявление, применение поляризации света.
VI) Домашнее задание (3 мин.)
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?
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).
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.
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.
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.
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.
