Какое устройство называют поляризатором

Какое устройство называют: а) поляризатором; б) анализатором?

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.

Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.

Поляризация света простыми словами: что это такое, типы, примеры

Если свободный конец веревки, привязанной к устойчивому объекту, регулярно “помахивать”, то на ней образуется поперечная волна. Она может быть колеблющейся в одной плоскости – вертикальной, горизонтальной или под определенным углом к горизонтали. Такая волна называется поляризованной. Если веревка вибрирует неравномерно, в разных плоскостях, через нее будет распространяться неполяризованная волна. Свет, который является электромагнитной волной, ведет себя подобно волне на веревке. Это свойство используется, например, в 3D-очках для различения изображения для левого и правого глаза.

Поперечная волна называется плоскополяризованной, eсли колебания во всех ее точках происходят только в одной плоскости.

Применительно к свету термин поляризация ввел в 1704-1706 г. Ньютон.

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.

Рис. 1. Поляризованная волна

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).

Рис. 2. Волны с различными направлениями поляризации

Неполяризованная волна

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

Рис. 3. Неполяризованная волна

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.

Рис. 4. Колеблющиеся атомы являются источником волн с различной поляризацией

Разложение любой волны на две поляризованные волны

Каждая волна может быть разложена на две поляризованные волны с произвольно выбранными перпендикулярными направлениями электрического поля. Это следует из простого факта: каждый вектор на плоскости может быть представлен как сумма двух векторов, перпендикулярных друг другу. Это относится как к поляризованным, так и к неполяризованным волнам.

Такое разложение поляризованной волны с “любым” направлением поляризации на волну с вертикальным электрическим полем (зеленая волна) и горизонтальным электрическим полем (красная волна) показано на рис. 5.

Рис. 5. Разложение поляризованной волны с “любым” направлением поляризации на волну с вертикальным электрическим полем (зеленая волна) и горизонтальным электрическим полем (красная волна)

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.

1. 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).
2. Если на него падает поляризованная волна, в которой направление электрического поля перпендикулярно выделенному направлению, то она вообще не проходит (рис. 6. b).
3. 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.
4. 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.

Поляризационный фильтр (от англ. polarizing filter) – широко известен как поляроид; прозрачная пластина или пленка, которая действует как поляризатор, т.е. устройство, которое из падающего неполяризованного света пропускает только те электромагнитные волны, электрический вектор которых лежит в направлении, указанном поляризатором.

Частично поляризованный свет

Есть и другая возможность. Электрические поля световой волны принимают все возможные направления, но вероятность их возникновения неодинакова. Для определенного направления он наибольший, а для перпендикулярного ему направления – наименьший. Когда мы исследуем такой свет с помощью вращающегося поляризатора, мы получаем результат, показанный на рис. 7. Мы говорим о таком свете, что он частично поляризован.

Рис. 7. График зависимости интенсивности света от угла поворота поляризатора, полученный при испытании частично поляризованного света.

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 E₀ при прохождении света из воздуха в среду с показателем преломления n=1,5 в зависимости от угла падения. Таким материалом является, например, стекло.

Рис. 9. Отношение величины амплитуды электрического поля отраженного света к амплитуде падающего света в зависимости от угла падения.

a. Синяя кривая соответствует поляризации (a) на рис. 8. Для перпендикулярного падения, т.е. α = 0⁰, отношение E/E₀ равно 0,2. По мере увеличения угла α увеличивается величина E/E₀. Это означает, что все большая часть падающего света отражается, а не преломляется. Отношение E/E₀ 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/E₀ равно 0,2. Тогда нет никакой разницы между случаем (a) и случаем (b). По мере увеличения угла α величина E/E₀ первоначально вообще не увеличивается, а наоборот уменьшается. Свет отражается все меньше и меньше. Величина E/E₀ 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/E₀ 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.

Рис. 10. Разложение вектора электрического поля на два перпендикулярных направления

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.

Рис. 11. График интенсивности света в зависимости от угла, под которым установлен поляризатор, для углов падения, отличных от угла Брюстера

Мы называем такой свет частично поляризованным.

Типы поляризации

Поляризация подразделяется на различные типы в зависимости от того, как ведут себя направление колебаний электрического поля и его величина.

• Линейная поляризация: направление колебаний электрического поля постоянно, но его величина периодически меняется.
• Круговая поляризация: здесь величина электрического поля постоянна, но направление его колебаний меняется с фиксированной угловой скоростью.
• Эллиптическая поляризация: при этом типе поляризации изменяется как величина электрического поля, так и направление его колебаний.

Название типов поляризации происходит из того факта, что при взгляде спереди вектор электрического поля имеет следующие геометрические формы (см. рисунок 12).

Рис. 12. Типы поляризации света

При линейной поляризации, например, вектор электрического поля движется вдоль линии, тогда как при круговой поляризации он движется вдоль окружности.

Примеры использования поляризации света

Наконец, мы приводим краткий список областей, в которых поляризация света имеет решающее значение. К ним относятся

Поляризаторы и анализаторы. закон Малюса.

Поляризатор – это устройство, преобразующее естественный свет в плоско поляризованный.

Анализатор – это устройство, служащие для анализа степени поляризации света.

Для получения плоскополяризованного света используют особые устройства, которые получили название поляризаторов. эти устройства свободно пропускают только колебания вектора , параллельные плоскости, называемой плоскостью поляризатора (плоскостью пропускания). В основе действия поляризаторов лежит свойство кристаллов разделять луч естественного света на два плоскополяризованных луча.

1. Призма Николя – призма из исландского шпата, разрезанная по диагонали и склеенная канадским бальзамом – смолообразным веществом, добываемым из канадской пихты. При соответствующем подборе угла падение можно добиться полного внутреннего отражения обыкновенного луча от прослойки канадского бальзама. Нанесением черного лака на боковую поверхность николя добиваются полного поглощения этого луча. На выходе из призмы получают один поляризованный луч.

2. Турмалин – двулучепреломляющий кристалл, в котором происходит сильное селективное поглощение обыкновенного луча. При толщине пластины в 1 мм и более из нее выходит только необыкновенный плоскополяризованный луч.

3. Поляроид – целлулоидная пленка, на которую наносятся мелкие кристаллики герапатита (сульфата йодистого хинина), обладающие сильным селективным поглощением. Пленка толщиной 0,1 мм полностью поглощает один из лучей. Недостаток поляроида – относительно слабая прозрачность и зависимость селективного поглощения от длины волны.

Для анализа степени поляризации света служат устройства, называемые анализаторами, ничем конструктивно не отличающиеся от поляризаторов.

Если на пути естественного света интенсивностью поставить поляризатор и анализатор , то интенсивность поляризованного света, прошедшего через анализатор, будет зависеть от взаимного расположения плоскостей пропускания поляризатора и анализатора (рис.6).

Если на анализатор падает плоскополяризованный свет амплитуды и интенсивности так, что угол между плоскостью колебаний падающего света и плоскостью пропускания анализатора равен , то сквозь анализатор пройдет составляющая колебания с амплитудой (рис. 7). Т.к. интенсивность волны прямо пропорциональна квадрату амплитуды, то . Это соотношение было экспериментально установлено французским физиком э.л. Малюсом и носит название закона Малюса:

интенсивность света, прошедшего анализатор, равна произведению интенсивности падающего на анализатор поляризованного света и квадрата косинуса угла между плоскостями пропускания поляризатора и анализатора.

Практическое использование поляризованного света.

1. Вращение плоскости поляризации. Некоторые вещества, называемые оптически активными, способны поворачивать плоскость поляризации распространяющегося через них плоскополяризованного света. Угол поворота плоскости поляризации пропорционален пути светового луча и концентрации раствора оптически активного вещества (водный раствор сахара, винной кислоты). Это используется для определения концентрации оптически активных веществ.

2. Двойное лучепреломление, вызванное напряжением. Многие прозрачные изотропные вещества становятся двоякопреломляющими в результате упругих деформаций. Если такое вещество поместить между скрещенными поляризаторами, то в тех местах, где под действием деформации меняется показатель преломления, будут видны просветления. Описанный эффект используется для исследования распределения напряжений в сложных и громоздких узлах и конструкциях.

На пути лучей между скрещенными поляризаторами помещают выполненную в масштабе модель конструкции (из синтетических материалов, например, феноловых смол). На экране в соответствующих местах появляются светлые пятна, интенсивность и окраска которых отражает степень деформации отдельного участка образца. Исследуется распределение в нем напряжений под действием реальных нагрузок, и полученный результат пересчитывается на проектируемую конструкцию.

3. Эффект Керра – оптическая анизотропия жидкого диэлектрика (нитробензола) под действием внешнего эл. поля.

Ячейка Керра используется в качестве практически безинерционного затвора для световых лучей при сверхскоростных съемках

10 -10 с). Анализатор, скрещенный с поляризатором, пропускает свет только при включении внешнего поля.

5. Какое устройство называется поляризатором? Приведите пример поляризатора.

5. Поляризатором называется устройство, предназначенное для выделения волны со строго определенной поляризацией. Примером поляризатора может служить тонкая щель.

Решебник по физике за 10 класс (В.А.Касьянов, 2009 год),
задача №5
к главе «12. Механические волны. Акустика. §71. Периодические волны. Ответы на вопросы».