Фізика. Профільний рівень. 11 клас. Засєкіна

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 41. Поляризація світла

Природне і поляризоване світло. Дослідимо ще одну властивість світлових хвиль — їх поляризацію. З дослідів Герца встановлено, що електромагнітні хвилі поперечні. Коливання зарядів у передавальній антені відбуваються вздовж її осі. Унаслідок цього в електромагнітній хвилі вектор напруженості електричного поля розташований у тій самій площині, що й вісь антени, а вектор індукції магнітного поля — у перпендикулярній площині.

Напрямок векторів

залишається незмінним протягом усього часу поширення хвилі.

Хвилю, вектори

якої у процесі її поширення здійснюють коливання в певній площині, називають плоскополяризованою.

Світло — також електромагнітна хвиля, тому можна очікувати на поляризацію і світлової хвилі. Ураховуючи те, що у взаємодії світлової хвилі з речовиною вирішальну роль відіграє вектор напруженості електричного поля, а також для спрощення зображення світлової хвилі на малюнках надалі ми будемо говорити про коливання лише вектора напруженості.

Оскільки світло випромінюють атоми, кількість яких у речовині величезна, то зрозуміло, що таке світло не буде поляризованим (коливання вектора

здійснюються в усіх можливих напрямках у площині, перпендикулярній до напрямку поширення хвилі). Проте бувають випадки, коли світлова хвиля буде поляризованою (чи частково поляризованою).

Поляризація світла — стан світлової хвилі, за якого певні напрямки коливань електричного вектора

переважають над іншими.

Методи отримання поляризованого світла. Візьмемо дві однакові прямокутні пластинки з турмаліну, вирізані так, що одна зі сторін прямокутника збігається з певним напрямком усередині кристала, який називають оптичною віссю. Розмістимо другу пластинку так, щоб їхні осі збігалися за напрямком, і пропустимо крізь складену пару пластинок вузький пучок світла від якогось джерела або від Сонця. Під час обертання першої пластинки навколо пучка (друга пластинка нерухома), виявимо, що світловий пучок слабшатиме, а після повороту пластинки на 90° він зовсім зникне (мал. 179).

Мал. 179. Схема поляризації хвилі

Цей результат можна пояснити так. У природному світлі вектор напруженості електричного поля має довільні напрямки. Проходження природного світла крізь першу пластинку турмаліну приводить до того, що з усіх напрямків поперечних коливань відбираються лише ті, які пропускає турмалін. Тому світло, що пройшло крізь турмалін, є сукупністю поперечних коливань одного напрямку, який визначено орієнтацією осі пластинки турмаліну. Таке світло називають плоскополяризованим, а кристал турмаліну — поляризатором світла. Другий кристал турмаліну є аналізатором: він майже повністю пропускає поляризоване світло, що збігається з площиною поляризації. Якщо ж аналізатор повернути на 90°, то вже поляризоване світло він практично не пропускатиме.

Поляризація властива тільки поперечним хвилям. Якщо хвилі поляризуються, то вони є поперечними. Повздовжні хвилі не поляризуються. Окрім турмаліну, такі властивості має кварцова пластина, вирізана в певний спосіб із кристала. Прозорі плівки, що можуть бути поляризаторами й аналізаторами світла, називають поляроїдами відтоді, як засновник компанії «Polaroid» Едвін Ленд (1909-1991, США) у 1929 р. винайшов і випустив перші зразки поляризаційних лінз.

Поляризація внаслідок відбиття й заломлення світла. Кут Брюстера. Отримати поляризоване світло з неполяризованого можна ще одним способом — відбиванням і заломленням.

Коли світло падає на поверхню прозорої речовини (наприклад, води) під довільним кутом, крім прямого, відбитий промінь виявляється плоскополяризованим переважно паралельно відбивній поверхні. Це добре знають рибалки, які використовують поляроїдні окуляри, щоб уникнути відблисків води.

Вивчення цього явища показало, що в прозорих речовинах заломлений промінь завжди поляризується тільки частково, а для відбитого променя є один напрямок, у якому він поляризується повністю. На малюнку 180 схематично зображено промінь, який падає на межу поділу повітря й рідини під кутом а. У відбитому промені більше коливань, паралельних поверхні поділу (зображено кружечками), а в заломленому промені — перпендикулярних до них коливань (зображено рисочками). Ступінь поляризації цих променів залежить від кута падіння й показника заломлення. Установлено, що відбитий промінь повністю поляризується тоді, коли кут між відбитим і заломленим променями дорівнює 90°. Позначивши в цьому разі кут падіння αБ, запишемо закон заломлення світла:

Мал. 180. Поляризація відбитої хвилі з довільним кутом падіння (а) і при падінні під кутом Брюстера (б)

Співвідношення tg αБ= n називають законом Брюстера, або умовою повної поляризації.

Використання поляризованого світла. Під час фотографування великих гладеньких поверхонь (наприклад, води) з’являються так звані відблиски — дзеркально відбиті світлові пучки, які істотно погіршують якість зображення. Щоб позбутися цих відблисків, на об’єктив фотоапарата надівають спеціальні фільтри. Якщо відбите світло є повністю поляризованим, то, повертаючи поляризаційний фільтр, можна встановити таке положення, за якого світло відблисків не потраплятиме в об’єктив фотоапарата.

Установлено також, що під час проходження плоскополяризованого світла крізь деякі розчини площина його поляризації повертається. Наприклад, на малюнку 181 світло проходить крізь поляризатор, а потім — крізь розчин цукру в кюветі. Поляроїд-аналізатор за кюветою, розташований під кутом 90° до поляризатора, мав повністю загасити світло, але цього не відбулося. Проте, якщо аналізатор повернути ще на деякий кут φ, то світло гаситься. Це означає, що розчин у кюветі повертає на кут φ площину поляризації. Такі речовини називають оптично активними.

Мал. 181. Принцип дії цукрометра

Оптична активність речовин зумовлена асиметрією молекул, які мають форму спіралі, як, наприклад, молекули деяких білків. Деякі речовини (цукор, декстроза, D-глюкоза) повертають площину поляризації праворуч, а деякі речовини (амінокислоти, білки) — ліворуч. Кут повороту φ пропорційний концентрації розчину. Тому цю властивість використовують для виготовлення спеціальних пристроїв — цукрометрів, за допомогою яких визначають вміст цукру.

Спеціальні поляризаційні окуляри використовують під час перегляду стереофільмів у кінотеатрах. Отримати зображення у 3D-форматі можна й на домашньому комп’ютері за допомогою відповідних екранів. Вивчаючи властивості рідкокристалічних екранів, ми зазначали, що їм притаманна певна властивість, зумовлена самою технологією отримання зображення, — вони дають поляризоване світло.

Завдяки цьому, використовуючи тонкі смужки плівочок-поляризаторів, можна створювати парні та непарні ряди пікселей, що мають різний напрямок поляризації. Лінзи окулярів є поляризаторами, у яких площини поляризації повернуті так, що крізь одну лінзу видно парні ряди, а крізь іншу — непарні. Таким чином створюють зображення, які видно окремо лівим оком і правим оком. Мозок людини зіставляє два зображення й «бачить» його об’ємним (мал. 182).

Мал. 182. Механізм утворення зображення у 3D-форма за допомогою поляризованого світла

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. Чим поляризоване світло від природного? Як отримують поляризоване світло? 2. У чому суть закону Брюстера? 3. Де на практиці застосовують явище поляризації світла?

Перевірте себе (§ 36-41)

1. Для роботи за письмовим столом освітленість його поверхні мав бути не меншою від 50 лк. Сила світла лампи дорівнює 100 кд. Визначте висоту, на якій треба розмістити лампу над поверхнею стола.

  • А) 0,7 м
  • Б) 1,4 м
  • В) 1,0 м
  • Г) 0,5 м

2. Визначте довжину хвиль фіолетового світла, частота якого 7,5 • 1014 Гц, у склі, де їхня швидкість — 2,22 • 108 м/с

  • А) 3 • 10-7 м
  • Б) 4 • 10 7 м
  • В) 4,4 • 10-7 м
  • Г) 3,6 • 10-7 м

3. Вода освітлюється жовтим світлом довжиною хвилі 600 нм. Визначте довжину хвилі у воді та колір світла, який бачитиме плавець, що пірнув.

  • А) 610 нм; жовтий
  • Б) 810 нм; червоний
  • В) 460 нм; жовтий
  • Г) 460 нм; синій

4. Різниця ходу двох когерентних хвиль до точки на екрані дорівнює 900 нм. Довжина хвиль — 0,6 мкм. Укажіть явище, що спостерігатиметься в цій точці.

  • А) інтерференційний максимум
  • Б) інтерференційний мінімум
  • В) може бути і максимум, і мінімум
  • Г) дифракційна картина

5. У деяку точку простору приходять дві когерентні світлові хвилі з різницею ходу 2,5 мкм. Визначте довжину хвилі, якщо в даній точці спостерігається інтерференційний максимум п’ятого порядку.

  • А) 550 нм
  • Б) 500 нм
  • В) 450 нм
  • Г) 600 нм

6. Дифракційна ґратка, період якої 0,01 мм, освітлюється світлом довжиною хвилі 500 нм. Визначте відстань між максимумами нульового й першого порядку на екрані, що віддалений від ґратки на 3 м.

  • А) 10 см
  • Б) 12 см
  • В) 15 см
  • Г) 8 см

7. Лампу, що перегоріла, замінили іншою, сила світла якої 35 кд. Як змінилася освітленість поверхні, якщо сила світла першої лампи була 100 кд, а нову лампу вдвічі наблизили до поверхні?

8. Сонце перебуває на кутовій висоті 10° над горизонтом. Порівняйте освітленості вертикального та горизонтального майданчиків однакових розмірів, розміщених поряд.

9. На мильну плівку (n = 1,33) падає біле світло під кутом 45°. За якої найменшої товщини плівки відбиті промені будуть забарвлені в жовтий колір (λ = 0,6 мкм)?

10. Радіуси двох сусідніх світлих кілець Ньютона, які спостерігаються в прохідному світлі, дорівнюють 4 мм і 4,9 мм. Визначте порядкові номери кілець, якщо радіус кривизни лінзи 10 м.