Вектор е в свете

Применение в истории

Несмотря на то что впервые явление поляризации было открыто в 1871 году учёным удалось подробно его объяснить лишь в средине прошлого века. Как бы там ни было, есть исторические сведения, что оно использовалось викингами-моряками для навигации более одной тысячи лет тому назад. В большинстве случаев главным ориентиром для них служило солнце. Однако в облачную погоду они пользовались так называемым солнечным камнем. Есть все основания предполагать, что он представлял собой некий прозрачный минерал, что имел поляризационные свойства. Ориентиром при этом являлась появляющаяся на небе более тёмная полоса. Чтобы доказать предположение историков и действенность такого рода навигации, некоторое время назад норвежский лётчик совершил полёт на небольшом самолёте из родной страны в Гренландию, используя в виде ориентира лишь кристалл кордиерита – минерала с аналогичными солнечному камню характеристиками.

Определение поляризации света

В результате распространения волн в среде происходят . вспомните пройденное. следующие явления:

а) колебательное движение частиц среды, в которой распространяется волна: частицы среды совершают только колебания около положения равновесия, и в волне не происходит перенос вещества;
б) взаимодействие частиц среды с соседними частицами: в результате взаимодействия частиц среды происходит перенос энергии.

Поперечная волна — это волна, колебания частиц среды в которой происходят перпендикулярно направлению распространения волны. Поперечные волны могут распространяться в твердых средах и на поверхности жидкостей. Поперечные волны распространяются в среде в виде выпуклостей и впадин.

Свет, отраженный от белого снега зимой, и свет фар встречных автомобилей ночью беспокоят водителей (а) и иногда становятся причиной дорожно-транспортных происшествий. Водителям рекомендуют в таких ситуациях пользоваться поляроидными очками, которые обеспечивают нормальное видение предметов вокруг (b).

Одним из важнейших результатов теории Максвелла стало го, что свет является поперечной электромагнитной волной. Согласно этой теории, свет, являясь электромагнитной волной, представляет собой распространение в пространстве колебаний векторов напряженности электрического и индукции магнитного полей (). Эти колебания происходят по всем направлениям в плоскостях, перпендикулярных друг другу и направлению скорости распространения (е). Например, белый свет, излучаемый Солнцем, является естественной световой волной.

Явления интерференции и дифракции наблюдаются и в продольных, и в поперечных волнах, поэтому с их помощью невозможно определить поперечность световых волн. Однако существует другое оптическое явление, с помощью которого это можно подтвердить. Это явление поляризации света.

Поляризованный свет — часть естественного света, отделенная от него специальным приспособлением, в которой колебания вектора происходят в определенной плоскости (см. е).

Одним из таких приспособлений, поляризующих свет, является кристалл турмалина. Один из опытов, проведенных с помощью кристаллов турмалина, заключается в следующем: на пластину турмалина направляют перпендикулярный луч белого света. На первый взгляд кажется, что прошедший через него свет не изменяется. Но на самом деле кристалл турмалина пропускает свет, в котором вектор колеблется только в одной определенной плоскости М (см. е). Значит, через пластину турмалина проходит плоскополяризованный свет. Такая пластина называется поляроидом. Чтобы проверить, действительно ли поляризован свет, перед прошедшим через поляроид свет ставят вторую такую же пластину — анализатор.

Становится понятно, что свет полностью проходит сквозь обе пластины, когда оси 00′ поляроида и анализатора параллельны (f). При изменениях угла между осями пластин в пределах наблюдается уменьшение интенсивности проходящего сквозь них света — частичное прохождение света. Но когда оси 00′ перпендикулярны друг другу, свет не проходит сквозь анализатор (g).

Рекомендую подробно изучить предметы:

Физика
Атомная физика
Ядерная физика
Квантовая физика
Молекулярная физика

Ещё лекции с примерами решения и объяснением:

Линзы в физике
Глаз как оптическая система
Звук в физике и его характеристики
Звуковые и ультразвуковые колебания
Интерференция света
Дифракция света
Принцип Гюйгенса — Френеля
Прохождение света через плоскопараллельные пластинки и призмы

Неполяризованная волна

Не все волны поляризованы. В некоторых волнах направление электрического поля хаотично меняется от места к месту. Такая волна называется неполяризованной (рис. 3).

Такова природа света, излучаемого нагретым металлом, например, вольфрамовой нитью обычной лампочки. Свет, излучаемый светящимся атомарным газом, например, неоновой лампой (светятся атомы неона) или пламенем газовой горелки с соляным раствором (светятся атомы натрия), также неполяризован.

Используя последний пример, мы объясним, почему эти волны неполяризованы. В результате нагревания тела атомы начинают вибрировать и светиться, чтобы избавиться от избытка энергии. Направления колебаний этих атомов случайны, и поэтому направление электрического поля излучаемой электромагнитной волны также изменяется случайным образом. На рис. 4 мы видим три атома, которые являются источником волн с разной поляризацией. Результатом их объединения является неполяризованная волна.

Опыт 3. Растянутая полиэтиленовая пленка между скрещенными поляроидами

Для опыта возьмите полиэтиленовую пленку толщиной около 100 мкм — из такой пленки обычно делают большие упаковочные мешки или покрытия парников. Пленка эта прозрачная, гладкая, мягкая на ощупь (по сравнению с лавсаном или целлофаном) и не такая упругая. В скрещенных поляроидах полиэтиленовая пленка при определенных ориентациях выглядит темной, хотя в поле зрения заметны светлые полосы, свидетельствующие о некоторой неоднородности пленки, связанной с технологией ее изготовления. Наблюдается также и небольшое двойное лучепреломление — видимо, из-за некоторой преимущественной ориентации линейных полимерных цепей полиэтилена.

Растяните пальцами небольшой участок пленки и поместите ее опять между поляроидами. Вас ожидает маленькое открытие: растянутый участок пленки будет окрашен яркими интерференционными цветами в виде полос, чем-то напоминающих цветное крыло бабочки. Посмотрите, как изменяется картина «бабочки» при вращении поляроидов. Наблюдаемое явление лежит в основе чувствительного метода обнаружения двойного лучепреломления вещества. Этот метод был открыт Араго в 1811 году и получил название хроматической поляризации.

А теперь нагрейте растянутый участок полиэтиленовой пленки над газовой конфоркой до размягчения пленки (но не до плавления!) — при наблюдении через поляроиды цветные полосы пропадут!

Поляризация света при отражении

В повседневной жизни мы постоянно наблюдаем прохождение света через стеклопакеты. Мы видим, что обычно свет попадает в стекло и отражается от его поверхности одновременно. Однако оказалось, что при правильном выборе источника света и угла наклона свет может вообще не отражаться. Это определяется поляризацией световой волны.

Предположим, что луч поляризованного света падает на поверхность двух сред под углом α ≠ 0⁰. Плоскость, содержащая падающий луч и нормаль, называется плоскостью падения. На рисунке 8 эта плоскость обозначена синим цветом.

Когда мы рассматриваем падение поляризованного света на поверхность, то должны различать два основных случая. Они показаны на рис. 8. В обоих случаях луч света движется по прямой линии x:

a. Электрическое поле (красные векторы) электромагнитной волны перпендикулярно плоскости падения (синяя плоскость),
b. Электрическое поле E гармонической электромагнитной волны параллельно плоскости падения (красные векторы лежат на синей плоскости). Затем это поле образует угол α с границей среды. Этот угол также лежит в плоскости падения (синяя плоскость).

Было исследовано, как зависит величина электрического поля отраженного света от угла падения для вещества с показателем преломления n в этих ситуациях. На рис. 9 показано отношение величины амплитуды электрического поля отраженного света к амплитуде падающего света E при прохождении света из воздуха в среду с показателем преломления n=1,5 в зависимости от угла падения. Таким материалом является, например, стекло.

a. Синяя кривая соответствует поляризации (a) на рис. 8. Для перпендикулярного падения, т.е. α = 0⁰, отношение E/E равно 0,2. По мере увеличения угла α увеличивается величина E/E. Это означает, что все большая часть падающего света отражается, а не преломляется. Отношение E/E достигает 1 при значениях угла α, приближающихся к 90°. Тогда весь свет отражается.

b. Красная кривая соответствует поляризации (b) на рис. 8. Для α = 0⁰, т.е. света, падающего перпендикулярно поверхности, отношение E/E равно 0,2. Тогда нет никакой разницы между случаем (a) и случаем (b). По мере увеличения угла α величина E/E первоначально вообще не увеличивается, а наоборот уменьшается. Свет отражается все меньше и меньше. Величина E/E достигает нуля для определенного угла. Этот угол α_B называется углом Брюстера. Он зависит от показателя преломления вещества. Для n = 1,5 он равен α_B = 56,3°. Для углов, превышающих α_B, отношение E/E увеличивается и приближается к единице при значениях угла α, приближающихся к 90°. Тогда весь свет ведет себя как в случае (a).

Угол Брюстера удовлетворяет простому соотношению tg α_B = n .

Полная поляризация света при отражении

Рассмотрим далее, что произойдет, если неполяризованный свет, например, от обычной лампочки, будет падать на стекло под углом Брюстера. Такая волна может быть разложена на две поляризованные волны с перпендикулярными направлениями электрического поля, одна типа (a) и другая типа (b).

Каждая волна может быть разложена на две поляризованные волны с произвольно выбранными перпендикулярными направлениями электрического поля. Это вытекает из простого факта: каждый вектор на плоскости может быть представлен как сумма двух векторов, перпендикулярных друг другу (рис. 10). Это справедливо как для поляризованной, так и для неполяризованной волны.

В случае неполяризованной волны, когда мы разложим ее на составляющие, окажется, что волна (a) будет частично отражена (синяя кривая на рис. 9.), а волна (b) не будет отражена вообще, но полностью проникнет в стекло (красная кривая на рис. 9.). Таким образом, отраженный свет будет содержать только один компонент, т.е. он будет полностью поляризован, с направлением электрического поля, как на рис. 2a.

Частичная поляризация света при отражении

Для всех углов α, отличных от α_B, в отраженном свете присутствуют обе составляющие: (a) и (b). За исключением α = 0⁰ и α до 90°, компонент (a) в среднем имеет большее значение, чем компонент (b). При вращении поляризатора наблюдаемая интенсивность света изменяется. Для некоторых углов это самый высокий угол, а для других — самый низкий. Однако полного исчезновения интенсивности света не наблюдается. График интенсивности света в зависимости от угла, на который был повернут поляризатор, показан на рис. 11.

Мы называем такой свет частично поляризованным.

Практическое применение поляризации света

Рассматриваемое явление используется в повседневной жизни намного чаще, чем кажется. Знание законов распространения электромагнитных волн помогло в создании различного оборудования. Основные варианты таковы:

Специальные поляризационные фильтры для фотоаппаратов позволяют избавиться от бликов при фотосъемке.
Очки с таким эффектом часто используют водители, так как они убирают блики от фар встречного транспорта. В результате даже дальний свет не может ослепить водителя, что повышает безопасность.
Оборудование, применяемое в геофизике позволяет изучить свойства облачных масс. Также с его помощью изучают особенности поляризации солнечного света при прохождении через облака.
Специальные установки, фотографирующие космические туманности в поляризованном свете помогают изучать особенности возникающих там магнитных полей.
В машиностроительной отрасли применяют так называемый фотоупругий метод. С его помощью можно четко определить параметры напряжения, возникающие в узлах и деталях.
Оборудование используется при создании театральных декораций, а также в концертном оформлении. Еще одна сфера применения – витрины и выставочные стенды.
Приспособления, определяющие уровень сахара в крови человека. Работают за счет определения угла поворота плоскости поляризации.
На многих предприятиях пищевой промышленности используют оборудование, способное определять концентрацию того или иного раствора. Также есть приспособления, способные за счет применения свойств поляризации контролировать содержание белков, сахаров и органических кислот.
3D-кинематография работает именно за счет использования рассматриваемого в статье явления.

Знание основных особенностей поляризации позволяет объяснить множество эффектов, которые встречаются вокруг. Также это явление широко используется в науке, технике, медицине, фотографии, кинематографе и многих других сферах.

Закон Малюса

Если читателю кажется, что два поляризатора – это такая игра, что-то вроде упражнения для ума, то он ошибается. С помощью второго фильтра можно определить направление и степень поляризации потока света. Эти данные используют как непосредственно, например, при оценке свойств далеких галактик и туманностей, так и опосредованно, для оценки качества поверхностей.

Закон Малюса для поляризованного света выражается формулой:

I = k х I0 хcos2φ, где I – интенсивность конечного потока света, I0 – начального, k – коэффициент пропускания поляризатора,φ – угол между плоскостями поляризации падающего света и поляризатора.

Для релятивистского случая добавляются циклические частоты поляризованных волн. Но эти компоненты учитываются, только если источник света движется со скоростью, близкой к скорости света. Для применения расширенной формулы Малюса не обязательно преодолевать триста тысяч километров в секунду. Релятивистской считается скорость, равная одному проценту от скорости света в вакууме.

Однако дотошный читатель спросит: «А как же быть с циркулярной и эллиптической поляризацией?» Как мы уже упоминали выше, ответ прост. Необходимо представить этот вид поляризации как сумму двух линейно поляризованных волн.

Как поляризуется свет?

Как мы уже объясняли выше, свет – это волна. Но электромагнитные колебания, в отличие от морских, не просто перемещают поле вверх-вниз. Направление распространения волны показывает волновой вектор. Вектор амплитуды способен вращаться вокруг волнового. Типов этого вращения может быть множество. Под вектором амплитуды понимается направление, в котором движется амплитуда волны в данный момент времени.

Любой протяженный источник типа лампы накаливания или Солнца генерирует фотоны всех возможных видов. Вектор амплитуды направлен у такого излучения хаотически. А теперь представьте себе цилиндр. Он движется вперед вдоль своей главной оси, но при этом вращается вокруг нее. И точка на боку цилиндра покажет форму движения вектора амплитуды циркулярно поляризованной волны. С пространственными построениями связано еще одно понятие – «световой вектор». Оно обозначает направление плотности потока. Эта величина задает интенсивность и направление переноса световой энергии. Используется данный термин нечасто, как правило, в прикладных технических текстах, в которых решается проблема освещения конкретных мест лампами или прожекторами. Книги по физике, например, учебники и справочники обходятся более простыми и фундаментальными понятиями.

Поляризатор

Поляризатор — это устройство, которое из падающего неполяризованного света пропускает только те электромагнитные волны, электрический вектор которых лежит в направлении, заданном поляризатором.

Система, называемая поляризатором, работает следующим образом. У него есть определенная направленность. На рис. 6 это горизонтальное направление.

Если на поляризатор падает поляризованная волна, в которой направление электрического поля совпадает с направлением выделенной волны, то она проходит через него без изменения амплитуды (рис. 6. a).
Если на него падает поляризованная волна, в которой направление электрического поля перпендикулярно выделенному направлению, то она вообще не проходит (рис. 6. b).
Если на него падает поляризованная волна, у которой направление поляризации образует ненулевой угол с выделяемым направлением, то проходит только ее составляющая вдоль выделяемого направления (рис. 6. c и 6. d). Пройдя через него, волна, очевидно, становится поляризованной.
Если на поляризатор падает неполяризованная волна, то через него проходит только ее составляющая вдоль выделенного направления. Очевидно, что это поляризованная волна. Таким образом, поляризатор преобразует неполяризованную волну в поляризованную.

В настоящее время для поляризации света обычно используются специальные пластиковые пленки, называемые поляризационными фильтрами. Такие пленки используются в компьютерных мониторах.

Корпускулярно-волновой дуализм

Опыты Лебедева убедили научный мир: свет способен оказывать давление на окружающие вещи. Перед исследователем возникло множество технических сложностей. Несмотря на это, он доказал, что фотоны света передают поверхностям ненулевой импульс, когда встречают преграду. Данное явление поставило ученых в тупик. Как можно было увязать волновые свойства и материальность массы воедино?

В итоге исследователям пришлось признать: любая элементарная частица – это одновременно и волна, и материальный объект. Фотоны имеют как признаки осциллятора (длину волны, частоту и амплитуду), так и характеристики материального вещества (массу, импульс и энергию). Это и есть принцип корпускулярно-волнового дуализма. Также требовалось понять, как именно существует и движется в пространстве, казалось бы, бесконечная волна с конечной массой. На помощь пришло понятие «квант» – это наименьший пакет некоего общего целого, который перемещается и взаимодействует с веществом. Например, поляризованный и естественный свет являются квантами электромагнитного поля. Но такая среда не единственная, подверженная квантованию. Существуют также кванты:

гравитационного поля (гравитоны предсказаны только теоретически, к доказательству их существования ученые уже подошли очень близко);
глюонного поля (глюоны, в отличие от гравитонов, найдены);
коллективного взаимодействия узлов кристаллической решетки твердого тела (фононы, например, отвечают за превращение электромагнитного излучения в кристаллах в звук).

Однако чтобы представить, почему свет поляризуется, описанных выше знаний недостаточно. Требуется напрячь пространственное воображение.

Опыт 2. Поляризация света при прохождении через узкий зазор

Пожалуй, это самый простой опыт, позволяющий убедиться в поперечности световой волны. Поляризатором в опыте служит обычный микрометр — измерительный прибор, который есть в каждой механической мастерской. (При некотором навыке микрометр вполне может быть заменен на более грубое устройство — штангенциркуль.) Подвижной шпиндель микрометра представляет собой винт с шагом резьбы 0,5 мм. Полный оборот измерительного барабана микрометра — 50 делений, что соответствует перемещению винта на 500 мкм при цене деления 10 мкм.

Опыт состоит в наблюдении яркого источника света через узкий зазор между контактными поверхностями (щечками) микрометра, который нужно установить равным 15-20 мкм. Чтобы было удобнее проводить наблюдения, желательно убрать лишний свет: перед источником света можно поставить широкий темный экран с небольшим отверстием для вывода пучка и выключить в комнате посторонние источники света.
Возьмите в одну руку микрометр, а в другую поляроид и наблюдайте узенькую полоску света, прошедшего через зазор микрометра (рис. 5). Вы обнаружите, что этот свет поляризован, причем плоскость поляризации параллельна щели, как бы вы не крутили микрометр вокруг направления распространения света.

Рис. 5. Поляризация света с помощью микрометра

Как объяснить эффект возникновения поляризации у прошедшего через зазор (глубокую щель) света? Считается, что в отличие от диэлектрика металл плохо поляризует падающий свет: луч с любой поляризацией хорошо отражается от металлической гладкой поверхности. Заметим однако, что и для металлов и для диэлектриков волны с s-поляризацией всегда лучше отражаются от поверхности, чем волны с р-поляризацией (см. рис. 4), в том числе и при скользящих углах падения. Таким образом, появление поляризации в прошедшем через зазор пучке света с ориентацией вектора \(~\vec E\) вдоль зазора можно объяснить разными потерями при многократных отражениях волн с s и р-поляризацией. (Подумайте, какую роль играет дифракция света в этом опыте.)

Поразительно, что этот достаточно тонкий оптический эффект наблюдался впервые и был подробно изучен еще в 1861 году французским оптиком-экспериментатором Арманом Физо. Он наблюдал, как проходит свет через очень узкий зазор между двумя полированными и посеребренными параллельными стеклянными пластинками и как зависит поляризация прошедшего света от величины зазора. Практически мы повторили часть опытов Физо, но ему удалось увидеть гораздо больше. Уменьшив зазор (и контролируя его размер)до величины порядка длины световой волны, Физо обнаружил, что такие предельно малые зазоры также способны поляризовать естественный свет, однако направление электрического вектора в этом случае оказывается перпендикулярным щели. Заметим, не вдаваясь в подробности, что сейчас на этом принципе работают поляризаторы инфракрасного излучения, представляющие собой систему близко расположенных параллельных тонких проволочек или металлических полосок.

Часть опытов Физо можно сравнительно легко повторить и даже получить количественную информацию, если воспользоваться лазером — интенсивным источником линейно поляризованного света. Подойдет простейший демонстрационный гелий-неоновый лазер (λ = 633 нм) или модная в последнее время миниатюрная лазерная указка, излучающая линейно поляризованный красный свет мощностью около 1 мВт с диаметром пучка приблизительно 1 мм. Интенсивность милливаттного лазерного луча оказывается достаточной, чтобы вызвать фототок детектора, расположенного вблизи шечек микрометра, порядка 1 мкА при зазоре между щечками в 10 мкм.

Замените металл на «черный» диэлектрик с гладкими границами в зазоре микрометра — для этой цели удобно воспользоваться кусочками засвеченной фотопленки, приклеив их к щечкам микрометра гладкой стороной наружу. Убедитесь, что при малом зазоре между пленками, равном 15 — 20 мкм, такое устройство тоже поляризует свет, почти как металлическая щель, хотя и с меньшим коэффициентом пропускания. Если увеличить зазор микрометра в 2 — 3 раза, эффект поляризации становится еле заметным или пропадает совсем. Для зазоров, меньших 10 мкм, интенсивность прошедшего света столь мала, что это затрудняет визуальные наблюдения.

Поляризация света для

В нашем блоге уже можно найти статьи про преломление, дисперсию и дифракцию света. Теперь пришло время поговорить о том, в чем заключается сущность поляризации света.

В самом общем смысле правильнее говорить о поляризации волн. Поляризация света, как явление, представляет собой частный случай поляризации волны. Ведь свет представляет собой электромагнитное излучение в диапазоне, воспринимаемом глазами человека.

Что такое поляризация света

Поляризация – это характеристика поперечных волн. Она описывает положение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Если этой темы не было на лекциях в университете, то вы, вероятно, спросите: что это за колеблющаяся величина и какому направлению она перпендикулярна?

Как выглядит распространение света, если посмотреть на этот вопрос с точки зрения физики? Как, где и что колеблется, и куда при этом летит?

Электромагнитная волна

Свет – это электромагнитная волна, которая характеризуется векторами напряженности электрического поля E и вектором напряженности магнитного поля Н. Кстати, интересные факты о природе света можно узнать из нашей статьи.

Согласно теории Максвелла, световые волны поперечны. Это значит, что векторы E и H взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости распространения волны.

Поляризация наблюдается только на поперечных волнах.

Для описания поляризации света достаточно знать положение только одного из векторов. Обычно для этого рассматривается вектор E.

Если направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, свет называется поляризованным.

Возьмем свет на рисунке, который приведен выше. Он, безусловно, поляризован, так как вектор E колеблется в одной плоскости.

Поляризация света

Поляризация света по определению – это выделение из естественного света лучей с определенной ориентацией электрического вектора.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Откуда берется поляризованный свет?

Свет, который мы видим вокруг себя, чаще всего неполяризован. Свет от лампочек, солнечный свет – это свет, в котором вектор напряженности колеблется во всех возможных направлениях. Но если вам по роду деятельности приходится весь день смотреть в ЖК-монитор, знайте: вы видите поляризованный свет.

Естественный, поляризованный и частично поляризованный свет

Чтобы наблюдать явление поляризации света, нужно пропустить естественный свет через анизотропную среду, которая называется поляризатором и «отсекает» ненужные направления колебаний, оставляя какое-то одно.

Анизотропная среда – среда, имеющая разные свойства в зависимости от направления внутри этой среды.

В качестве поляризаторов используются кристаллы. Один из природных кристаллов, часто и давно применяемых в опытах по изучению поляризации света — турмалин.

Еще один способ получения поляризованного света — отражение от диэлектрика. Когда свет падает на границу раздела двух сред, луч разделяется на отраженный и преломленный. При этом лучи являются частично поляризованными, а степень их поляризации зависит от угла падения.

Поляризация отражением

Связь между углом падения и степенью поляризации света выражается законом Брюстера.

Когда свет падает на границу раздела под углом, тангенс которого равняется относительному показателю преломления двух сред, отраженный луч является линейно поляризованным, а преломленный луч поляризован частично с преобладанием колебаний, лежащих в плоскости падения луча.

Линейно поляризованный свет — свет, который поляризован так, что вектор E колеблется только в одной определенной плоскости.

Практическое применение явления поляризации света

Поляризация света – не просто явление, которое интересно изучать. Оно широко применяется на практике.

Пример, с которым знакомы почти все – 3D-кинематограф. Еще один пример – поляризационные очки, в которых не видно бликов солнца на воде, а свет фар встречных машин не слепит водителя. Поляризационные фильтры применяются в фототехнике, а поляризация волн используется для передачи сигналов между антеннами космических аппаратов.

Фото, сделанные с применением поляризационного фильтра и без него

Поляризация — не самое сложное для понимания природное явление. Хотя если копнуть глубоко и начать основательно разбираться с физическими законами, которым она подчиняется, могут возникнуть сложности.

Опыт 4. Наблюдение пластмассовых тел через поляроид

Этот опыт предлагается для самых ленивых экспериментаторов. Вам потребуется только один поляроид — роль второго будет выполнять сам объект исследования. И растягивать образец вам не нужно: напряжение и связанная с ним оптическая анизотропия появились в образце изначально, при его изготовлении.

Объектом исследования может служить любая прозрачная пластмассовая деталь со стенками или линейка. Возьмите, например, коробку от аудиокассеты, поместите ее на темном фоне (подставке) и осветите лампой примерно под углом Брюстера — через поляроид вы будете наблюдать красивые цветные узоры. Эти узоры обычно сгущаются вблизи углов и кромок, швов и отверстий (см., например, фотографии).

Оказывается, такого рода оптические наблюдения позволяют выявить напряжения в деталях машин и конструкций на прозрачных моделях сложной формы, подвергнутых механическим деформациям. Возникновение оптической анизотропии в прозрачных телах под нагрузкой называется фотоупругостью.

Что такое поляризация света

Поляризация света доказывает, что свет это поперечная волна. То есть, речь идет о поляризации электромагнитных волн в целом, а свет – это одна из разновидностей, свойства которой подчиняются общим правилам.

Поляризацией называют свойство поперечных волн, вектор колебания которых всегда перпендикулярен направлению распространения света или чего-то еще. То есть, если выделить из света лучи с одинаковой поляризацией вектора, то это и будет явление поляризации.

Чаще всего мы видим вокруг себя неполяризованный свет, так как у него вектор напряженности двигается во всех возможных направлениях. Чтобы он стал поляризованным, его пропускают через анизотропную среду, она отсекает все колебания и оставляет только одно.

Сравнение обычного и поляризованного света.

Поляризованная световая волна

Свет — это волна электромагнитного излучения, т.е. возмущение электрического и магнитного поля, перемещающегося в пространстве. Для простоты мы будем говорить о монохроматическом свете, то есть о гармонической волне с определенной частотой и длиной волны.

Электромагнитная волна — это поперечная волна. Это означает, что его электрическое поле E всегда перпендикулярно (колеблется перпендикулярно) направлению распространения волны. Мы говорим, что волна поляризована, если электрическое поле в любой точке имеет одинаковое направление. Пример поляризованной волны показан на рисунке 1.

Итак, поляризация света описывает направление колебаний вектора электрического поля.

Поляризованная волна (от англ. polarized wave) — волна, электрическое поле которой колеблется в одной плоскости.

Волна, показанная на рис. 1, колеблется в вертикальном направлении. Направление колебаний поляризованной волны называется направлением поляризации. Это направление может быть любым — волна может колебаться вертикально (рис. 2. b), горизонтально (рис. 2. a) или под определенным углом (рис. 2. c).