Урок изучения нового материала по теме «Поляризация света»

Опыт 6.
Свет, отражённый от стекла, поляризован, т.к. повороте поляризатора на 90 свет полностью исчезает
Свет, отражённый от зеркала, неполяризован, т.к. повороте поляризатора на 90 свет не исчезает.
Свет поляризуется только при отражении от диэлектрика, при отражении от проводящей поверхности поляризации не происходит

Опыт 7.
Экран монитора на электронно-лучевой трубке испускает неполяризованный свет. «Погасить» его можно лишь при помощи двух скрещённых поляроидов. Свет, испускаемый телевизором с кинескопом, лампой дневного света, свечой, газовой горелкой, светодиодом также неполяризован.

Поляризация в природе

Свет, испускаемый Солнцем, не имеет какой-либо определенной плоскости поляризации. Однако, проходя через земную атмосферу, солнечный свет претерпевает рассеяние на ее молекулах и других частицах, имеющих размеры меньше длины волны. Вследствие поперечности световых волн солнечные лучи, рассеянные изотропными молекулами в направлении, нормальном к первоначальному, должны быть линейно поляризованы. В результате каждая точка неба над нами превращается во вторичный источник света, который оказывается уже частично поляризованным. Степень поляризации света голубого неба сильно различается в разных точках небосвода (от 0 примерно до 80%). При этом ось поляризации (преимущественное направление E) всегда перпендикулярна плоскости треугольника, в вершинах которого находится наблюдатель, Солнце и наблюдаемая точка неба. Зная оси поляризации для двух точек неба, можно найти направление на Солнце. Очевидно, что направлением на Солнце будет прямая, образованная пересечением двух плоскостей, каждая из которых переходит через наблюдателя и данную точку неба перпендикулярно оси поляризации в этой точке. По-видимому, таким образом и находят направление на солнце насекомые, глаза которых чувствительны к направлению поляризации света. Различают поляризацию и муравьи, и мухи с пчелами. Не они одни его видят, и некоторые костистые рыбы, и головастики лягушек, кальмары, каракатицы и осьминоги. Зачем им видеть поляризованный свет? Свет, идущий от синего неба, поляризован, и поляризация в любой точке неба зависит от ее положения относительно солнца. Поэтому пчела может ориентироваться по солнцу, даже если оно закрыто облаками и виден лишь кусочек синего неба: поляризация укажет направление на солнце. Но представить себе кальмара или каракатицу, ориентирующуюся по солнцу, довольно трудно. Для чего же им нужна такая способность? Для кальмара его поляризационное зрение — все равно что радар, видящий «стелсы»! Шашар с коллегами изучил в поляризационном микроскопе совершенно прозрачных (для человеческого глаза) планктонных животных, на которых охотятся мелкие или молодые кальмары. Оказалось, в поляризованном свете видны не только глаза, но и мускулатура, а также усики-антенны рачков. Не очень хорошо, но видны. И кальмары этим пользуются.

Применение явления поляризации

Поляризованный свет предлагали использовать для защиты водителя от слепящего света фар встречного автомобиля. Если на ветровое стекло и фары автомобиля нанести плёночные поляроиды с углом пропускания 45о, например, вправо от вертикали, водитель будет хорошо видеть дорогу и встречные машины, освещённые собственными фарами. Но у встречных автомобилей поляроиды фар окажутся скрещёнными с поляроидом ветрового стекла данного автомобиля, и свет фар встречных машин погаснет.

Известны так называемые фотохромные очки, темнеющие на ярком солнечном свету, но не способные защитить глаза при очень быстрой и яркой вспышке (например, при электросварке) — процесс затемнения идёт сравнительно медленно. Поляризационные очки на эффекте Поккельса обладают практически мгновенной «реакцией» (менее 50 мкс). Свет яркой вспышки поступает на миниатюрные фотоприемники (фотодиоды), подающие электрический сигнал, под действием которого очки становятся непрозрачными.

Поляризационные очки используют в стереокино, дающем иллюзию объёмности. 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 стереомониторе 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.

Для стереоскопического телевидения применяется способ быстрого попеременного затемнения стёкол очков, синхронизированного со сменой изображений на экране. За счёт инерции зрения возникает объёмное изображение.

Поляроиды широко применяются для гашения бликов от стёкол и полированных поверхностей, от воды (отраженный от них свет сильно поляризован). Поляризован и свет экранов жидкокристаллических мониторов.

Для определения концентрации оптически активных веществ (например, сахара) применяют поляриметрию.

Обнаружение на опыте поворота плоскости поляризации света.

Существуют материалы, которые поворачивают плоскость поляризации проходящего через них света. Эти вещества называют оптически активными. К таким веществам относятся, например, кварц, аметист, скипидар, раствор сахара в воде и некоторые другие вещества. Поворачивает плоскость поляризации и обычный скотч. Угол поворота плоскости поляризации кристаллов   очень сильно зависит от длины волны  и толщины пластинки d.

Опыт 7.
Кусочек скотча зажат между двумя поляроидами и рассматривается в проходящем свете. Скотч поворачивает плоскость поляризации таким образом, что свет начинает частично проходить сквозь него.
Опыт 8.
Целлофан также поворачивает плоскость поляризации света. Если ось целлофана параллельна оси поляроида, то прошедший свет имеет один цвет, если перпендикулярна, то другой (жёлтый – синий, красный – зелёный). Если сложить целлофан вдвойне, то цвета изменяются. 
Если сложить произвольно несколько кусочков целлофана, получим разноцветную картинку. При повороте поляроида цвета меняются на дополнительные. 
Объяснить опыты можно двойным лучепреломлением в целлофане: скорость света и коэффициент преломления зависят от взаимного расположения оптической оси целлофана и плоскости поляризации света. Цвет прошедшего света зависит также и от толщины плёнки. 
Опыты не просто красивы и удивительны. На основе целлофана можно изготовить поляризационные фильтры, которые будут выделять из естественного света какую-либо составляющую, причём при повороте одного из поляроидов будет меняться не только интенсивность прошедшего через поляроиды света, но и его цвет.

Опыт 9.
Предмет из абсолютно прозрачной пластмассы — линейка (фото 9), коробочка для CD-дисков (фото 10) — помещённый между ЖК-экраном и анализатором, приобретает радужную окраску. Причина этого явления в том, что прозрачный для естественного света материал на самом деле анизотропен. Его физические свойства, в том числе показатели преломления разных участков предмета, неодинаковы. Световой луч в нём расщепляется на два, которые идут с разными скоростями и поляризованы во взаимно-перпендикулярных плоскостях. Интенсивность поляризованного света, результат сложения двух световых волн, при этом не изменится. Но анализатор вырежет из него две плоско-поляризованные волны, колеблющиеся в одной плоскости, которые станут интерферировать. Малейшее изменение толщины пластинки или напряжений в её толще приводит к появлению разности хода волн и возникновению окраски

Исследование с помощью поляризации света распределения механических напряжений

В поляризованном свете удобно изучать распределение механических напряжений в деталях машин и механизмов, строительных конструкциях. Из прозрачной пластмассы делают плоскую модель детали (балки, опоры, рычага) и прикладывают к ней нагрузку, моделирующую реальную. Разноцветные полосы, возникающие в поляризованном свете, указывают на слабые места детали (острый угол, сильный изгиб и пр.) — в них концентрируются напряжения. Меняя форму детали, добиваются наибольшей её прочности.