Презентация на тему "Поперечность световых волн. Поляризация света". Продольны или поперечны световые волны
Дифракция и интерференция света подтверждает волновую природу света. Но волны могут быть продольными и поперечными. Рассмотрим следующий опыт.
Поляризация света
Пропустим пучок света через прямоугольную пластину турмалина, одна из граней которой параллельна оси кристалла. Никаких видимых изменений не произошло. Свет лишь частично погасился в пластине и приобрел зеленоватую окраску.
картинка
Теперь после поместим еще одну пластину после первой. Если оси обоих пластин будут сонаправлены, ничего не произойдет. Но если второй кристалл начать вращать, то свет будет гаситься. Когда оси будут перпендикулярны, света вообще не будет. Он целиком поглотиться второй пластиной.
картинка
Сделаем два вывода:
1. волна света симметрична относительно направления распространения.
2. После прохождения первого кристалла волна перестает обладать осевой симметрией.
С точки зрения продольных волн объяснить это не удастся. Следовательно, свет – поперечная волна. Кристалл турмалина является поляроидом. Он пропускает световые волны, колебания которых происходят в одной плоскости. Это свойство хорошо проиллюстрировано на следующем рисунке.
картинка
Поперечность световых волн и электромагнитная теория света
Свет, который получается после прохождения поляроида, называется плоскополяризованным светом. В поляризованном свете, колебания происходят только в одном – поперечном направлении.
Электромагнитная теория света берет свое начало в работах Максвелла. Во второй половине 19 века Максвелл доказал теоретически существование электромагнитных волн, которые могут распространяться даже в вакууме.
И он предположил, что свет тоже является электромагнитной волной. В основе электромагнитной теории света лежит тот факт, что скорость света и скорость распространения электромагнитных волн совпадают.
К концу 19 века было окончательно установлено, что световые волны возникают из-за движения заряженных частиц в атомах. С признанием этой теории отпала необходимость в светоносном эфире, в котором распространяются световые волны. Световые волны - это не механические, а электромагнитные волны.
Колебания световой волны состоят из колебаний двух векторов: вектора напряженности и вектора магнитной индукции. За направление колебаний в световых волнах принято считать направление колебаний вектора напряженности электрического поля.
Цель урока
Сформировать у школьников понятие «естественный и поляризованный свет»; познакомить с экспериментальным доказательством поперечности световых волн; изучить свойства поляризованного света, показать аналогию между поляризацией механических, электромагнитных и световых волн; сообщить о примерах использования поляроидов.
Урок по поляризации света является заключительными в теме «Волновая оптика». В связи с этим урок с использованием компьютерного моделирования можно построить как урок обобщающего повторения или часть урока отвести под решение задач по темам «Интерференция света», «Дифракция света». Мы предлагаем модель урока, на котором изучается новый материал по теме «Поляризация света», а затем проводится закрепление изученного материала на компьютерной модели. На данном уроке легко сочетать реальную демонстрацию с компьютерным моделированием, так как поляроиды можно дать детям в руки и показать гашение света при повороте одного из поляроидов.
|
Домашнее задание: § 74, задача № 1104, 1105.
Объяснение нового материала
Явления интерференции и дифракции не оставляют сомнений в том, что распространяющийся свет обладает свойствами волн. Но каких волн – продольных или поперечных?
Длительное время основатели волновой оптики Юнг и Френель считали световые волны продольными, то есть подобными звуковым волнам. В то время световые волны рассматривались как упругие волны в эфире, заполняющем пространство и проникающем внутрь всех тел. Такие волны, казалось, не могли быть поперечными, так как поперечные волны могут существовать только в твердом теле. Но как могут тела двигаться в твердом эфире, не встречая сопротивления? Ведь эфир не должен препятствовать движению тел. В противном случае не выполнялся бы закон инерции.
Однако постепенно набиралось все больше и больше экспериментальных фактов, которые никак не удавалось истолковать, считая световые волны продольными.
Опыты с турмалином
Рассмотрим подробно только один из экспериментов, очень простой и эффектный. Это опыт с кристаллами турмалина (прозрачными кристаллами зеленой окраски).
Продемонстрировать учащимся гашение света при повороте двух поляроидов. Кристалл турмалина имеет ось симметрии и принадлежит к числу так называемых одноосных кристаллов. Возьмем прямоугольную пластину турмалина, вырезанную таким образом, чтобы одна из ее граней была параллельна оси кристалла. Если направить нормально к такой пластине пучок света от электрической лампы или солнца, то вращение пластины вокруг пучка никакого изменения интенсивности света, прошедшего через нее, не вызовет (см. рис.). Можно подумать, что свет только частично поглотился в турмалине и приобрел зеленоватую окраску. Больше ничего не произошло. Но это не так. Световая волна приобрела новые свойства.
Эти новые свойства обнаруживаются, если пучок заставить пройти через второй точно такой же кристалл турмалина (см. рис. а), параллельный первому. При одинаково направленных осях кристаллов опять ничего интересного не происходит: просто световой пучок еще более ослабляется за счет поглощения во втором кристалле. Но если второй кристалл вращать, оставляя первый неподвижным (рис. б), то обнаружится удивительное явление – гашение света. По мере увеличения угла между осями интенсивность света уменьшается. И когда оси перпендикулярны друг другу, свет не проходит совсем (рис. в). Он целиком поглощается вторым кристаллом. Как это можно объяснить?
 |
Поперечность световых волн
Из описанных выше опытов следует два факта: во-первых, что световая волна, идущая от источника света, полностью симметрична относительно направления распространения (при вращении кристалла вокруг луча в первом опыте интенсивность не менялась) и, во-вторых, что волна, вышедшая из первого кристалла, не обладает осевой симметрией (в зависимости от поворота второго кристалла относительно луча получается та или иная интенсивность прошедшего света).
Продольные волны обладают полной симметрией по отношению к направлению распространения (колебания происходят вдоль этого направления, и оно является осью симметрии волны). Поэтому объяснить опыт с вращением второй пластины, считая световую волну продольной, невозможно.
Полное объяснение опыта можно получить, сделав два предположения.
Первое предположение относится к самому свету. Свет – поперечная волна. Но в падающем от обычного источника пучке волн присутствуют колебания всевозможных направлений, перпендикулярных направлению распространения волн (см. рис.).
Продемонстрировать, что естественный свет содержит колебания во всех плоскостях.
Согласно этому предположению световая волна обладает осевой симметрией, являясь в то же время поперечной. Волны, например, на поверхности воды такой симметрией не обладают, так как колебания частиц воды происходят только в вертикальной плоскости.
Световая волна с колебаниями по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения, называется естественной . Такое название оправдано, так как в обычных условиях источники света создают именно такую волну. Данное предположение объясняет результат первого опыта. Вращение кристалла турмалина не меняет интенсивность прошедшего света, так как падающая волна обладает осевой симметрией (несмотря на то, что она поперечная).
Второе предположение, которое необходимо сделать, относится к кристаллу. Кристалл турмалина обладает способностью пропускать световые волны с колебаниями, лежащими в одной определенной плоскости (плоскость P на рисунке).
 |
На компьютерной модели «Закон Малюса»
Продемонстрировать, что кристалл турмалина выделяет только одну плоскость колебаний света. Поворачивая поляризатор, а затем анализатор, можно показать, что интенсивность проходящего света меняется от максимального значения до нуля. Для гашения света угол между осями поляроидов должен быть 90° . Если оси поляроидов параллельны, то второй поляроид пропускает весь свет, прошедший сквозь первый.
Такой свет называется поляризованным , или, точнее, плоскополяризованным , в отличие от естественного света, который может быть назван также неполяризованным . Это предположение полностью объясняет результаты второго опыта. Из первого кристалла выходит плоскопо-ляризованная волна. При скрещенных кристаллах (угол между осями 90°) она не проходит сквозь второй кристалл. Если оси кристаллов составляют между собой некоторый угол, отличный от 90°, то проходят колебания, амплитуда которых равна проекции амплитуды волны, прошедшей через первый кристалл, на направление оси второго кристалла.
Итак, кристалл турмалина преобразует естественный свет в плоскополяризованный.
Механическая модель опытов с турмалином
Нетрудно построить простую наглядную механическую модель рассматриваемого явления. Можно создать поперечную волну в резиновом шнуре так, чтобы колебания быстро меняли свое направление в пространстве. Это аналог естественной световой волны. Пропустим теперь шнур сквозь узкий деревянный ящик (см. рис.). Из колебаний всевозможных направлений ящик «выделяет» колебания в одной определенной плоскости. Поэтому из ящика выходит поляризованная волна.
 |
Если на ее пути имеется еще точно такой же ящик, но повернутый относительно первого на 90° , то колебания сквозь него не проходят. Волна целиком гасится.
Если в кабинете есть механическая модель поляризации можно, ее продемонстрировать. Если такой модели нет, то можно эту модель проиллюстрировать фрагментами видеофильма «Поляризация».
Поляроиды
Не только кристаллы турмалина способны поляризовать свет. Таким же свойством, например, обладают так называемые поляроиды . Поляроид представляет собой тонкую (0,1 мм) пленку кристаллов герапатита, нанесенную на целлулоид или стеклянную пластинку. С поляроидом можно проделать те же опыты, что и с кристаллом турмалина. Преимущество поляроидов в том, что можно создавать большие поверхности, поляризующие свет. К недостаткам поляроидов относится фиолетовый оттенок, который они придают белому свету.
Прямыми опытами доказано, что световая волна является поперечной. В поляризованной световой волне колебания происходят в строго определенном направлении.
В заключение можно рассмотреть применение поляризации в технике и проиллюстрировать этот материал фрагментами видиофильма «Поляризация».
Сегодня на уроке мы познакомимся с явлением поляризации света. Изучим свойства поляризованного света. Познакомимся с экспериментальным доказательством поперечности световых волн.
Явления интерференции и дифракции не оставляют сомнений в том, что распространяющийся свет обладает свойствами волн. Но каких волн - продольных или поперечных?
Длительное время основатели волновой оптики Юнг и Френель считали световые волны продольными, т. е. подобными звуковым волнам. В то время световые волны рассматривались как упругие волны в эфире, заполняющем пространство и проникающем внутрь всех тел. Такие волны, казалось, не могли быть поперечными, так как поперечные волны могут существовать только в твердом теле. Но как могут тела двигаться в твердом эфире, не встречая сопротивления? Ведь эфир не должен препятствовать движению тел. В противном случае не выполнялся бы закон инерции.
Однако постепенно набиралось все больше и больше экспериментальных фактов, которые никак не удавалось истолковать, считая световые волны продольными.
Опыты с турмалином
А сейчас, рассмотрим подробно только один из экспериментов, очень простой и исключительно эффектный. Это опыт с кристаллами турмалина (прозрачными кристаллами зеленой окраски).
Если направить нормально на такую пластину пучок света от электрической лампы или солнца, то вращение пластины вокруг пучка никакого изменения интенсивности света, прошедшего через нее, не вызовет (рис.1.). Можно подумать, что свет только частично поглотился в турмалине и приобрел зеленоватую окраску. Больше ничего не произошло. Но это не так. Световая волна приобрела новые свойства.
Эти новые свойства обнаруживаются, если пучок заставить пройти через второй точно такой же кристалл турмалина (рис.2(а)), параллельный первому. При одинаково направленных осях кристаллов опять ничего интересного не происходит: просто световой пучок еще более ослабляется за счет поглощения во втором кристалле. Но если второй кристалл вращать, оставляя первый неподвижным, то обнаружится удивительное явление - гашение света. По мере увеличения угла между осями интенсивность света уменьшается. И когда оси перпендикулярны друг другу, свет не проходит совсем. Он целиком поглощается вторым кристаллом.
Световая волна с колебаниями по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения, называется естественной .
Свет, в котором направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным .
Поляризация света - это одно из фундаментальных свойств оптического излучения (света), состоящее в неравноправии различных направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу (направлению распространения световой волны).
Поляризаторы - приборы дающие возможность получить поляризованный свет.
Анализаторы - приборы с помощью которых можно проанализировать является ли свет поляризованным или нет.
Схема действия поляризатора и анализатора
Поперечность световых волн
Из описанных выше опытов следует два факта:
во-первых , что световая волна, идущая от источника света, полностью симметрична относительно направления распространения (при вращении кристалла вокруг луча в первом опыте интенсивность не менялась).
во-вторых , что волна, вышедшая из первого кристалла, не обладает осевой симметрией (в зависимости от поворота второго кристалла относительно луча получается та или иная интенсивность прошедшего света).
Интенсивность света, вышедшего из первого поляризатора:
Интенсивность света прошедшего второй поляризатор:
Интенсивность света прошедшего через два поляризатора:
Сделаем вывод: 1. Свет - поперечная волна. Но в падающем от обычного источника пучке волн присутствуют колебания всевозможных направлений, перпендикулярных направлению распространения волн.
2. Кристалл турмалина обладает способностью пропускать световые волны с колебаниями, лежащими в одной определенной плоскости .
Модель линейной поляризации световой волны
Поляроиды
Не только кристаллы турмалина способны поляризовать свет. Таким же свойством, например, обладают так называемые поляроиды. Поляроид представляет собой тонкую (0.1 мм) пленку кристаллов герапатита, нанесенную на целлулоид или стеклянную пластинку. С поляроидом можно проделать те же опыты, что и с кристаллом турмалина. Преимущество поляроидов в том, что можно создавать большие поверхности, поляризующие свет.
К недостаткам поляроидов относится фиолетовый оттенок, которым они придают белому свету.
Цель урока: формировать представление о световых волнах, как поперечных; колебания световых волн в строго определенном направлении поляризует свет.
Ход урока
1. Проверка домашнего задания методом индивидуального опроса
А) Почему для законов геометрической оптики существуют границы применимости?
Б) Что такое разрешающая способность для оптических приборов?
В) Что собой представляет дифракционная решетка?
Г) Получить формулу для образования волновых максимумов.
Д) Задача 1096. В центре спектра для длин любых волн выполняется условие максимума освещенности.
Е) Задача 1097. Более широкий спектр даст решетка с большим числом штрихов на 1 мм.
2.Изучение нового материала
Уже после наблюдения интерференции и дифракции основатели волновой оптики (Юнг и Френель) считали, что световые волны продольные (как звуковые волны). Считалось, что эфир заполняет все пространство, проникает во все тела, а в эфире распространяются упругие продольные световые волны. Потому что поперечные волны, могут распространяться только в твердых телах. Но многие исследования ученых не объяснялись, если считать световые волны продольными.
Опыты с турмалином.
Рассмотрим опыт с кристаллами турмалина, доказавший, что световая волна – Поперечная.
Одна из граней пластины турмалина (кристалл зеленого цвета) параллельна оси кристалла. При освещении пластинки ничего не происходит, толь свет немного поглотится и станет зеленоватым.
Удивительные свойства обнаружатся, если свет пройдет еще через такой же кристалл параллельный первому.
Когда оси кристаллов направлены одинаково, луч света просто становится слабее, за счет поглощения. Если же вторую пластинку вращать, оставляя первую неподвижной, то происходит Гашение света. Сначала свет становится все слабее и когда оси кристаллов будут перпендикулярны друг другу – свет полностью поглощается второй пластиной турмалина. Поперечность световых волн.
Сделав два предположения, опыт с пластинами турмалина смогли объяснить.
Первое предположение: световая волна – поперечная; Свет от источника содержит в себе колебания самых разных направлений, перпендикулярных направлению распространения волн.
Из этого предположения вытекает: световая волна поперечная, хотя и обладает осевой симметрией, (свойство продольных волн).
Волна света с колебаниями по всем направлениям перпендикулярным направлению распространения называется Естественной.
Второе предположение: кристалл турмалина пропускает световые колебания, лежащие в одной определенной плоскости.
Это поляризованный или плоскополяризованный свет. Естественный свет можно называть неполяризованный. Значит, турмалин преобразует естественный свет в плоскополяризованный.
Механическая модель опытов с турмалином.
Простая механическая модель помогает понять роль пластинки турмалина для поляризации света.
В резиновом шнуре создана поперечная волна, как аналог естественной световой волны. Если пропустить такую волну через узкий ящик, то из всех колебаний выделится колебание в одной плоскости. После прохождения через ящик получается поляризованная волна. Размещенный на ее пути другой ящик, повернутый на 90⁰ относительно первого, не пропускает колебания. Волны гасятся.
Поляроиды.
Свойствами, как и турмалин, обладают пленки (толщиной – 0,1 мм) из кристаллов герапатита, которые наносят на стекло или целлулоид и получают поляроиды. Из поляроидов можно изготавливать большие поверхности поляризующие свет. Недостаток поляроидов: фиолетовый оттенок, который они придают белому свету.
Электромагнитная теория света.
Электромагнитная теория света началась с работ Д. Максвелла, который теоретически доказал, что они существуют, что скорость электромагнитных и световых волн одна и та же.
Из работ Максвелла вытекало доказательство поперечности световых волн.
Г. Герц обнаружил электромагнитные волны экспериментально, измерил их скорость – это первое опытное подтверждение электромагнитной теории света.
