Урок по физике в 11 классе на тему «Поляризация света»

Урок изучения нового материала

по теме «Поляризация света» в 11 классе

Цель:

сформировать понятие о поляризации света, объяснить поляризацию света с точки зрения волновых представлений, организовать на уроке самостоятельное изучение данного явления с помощью выполнения экспериментальных заданий

закрепление основных навыков экспериментальной работы;

Развитие познавательных умений и самостоятельности к творческому поиску при решении конкретных задач;

Развитие умений анализировать работу; умение сравнивать теоретические выводы и результат эксперимента.

Пояснительная записка.

Структура урока.

Повторение

Вопросы:

Что такое свет? Ответ: свет – это электромагнитные волны

Поперечны или продольны электромагнитные волны? Что совершает колебания? 

Ответ: Электромагнитные волны поперечны. Векторы напряженности электрического поля Е и индукции магнитного поля В перпендикулярны друг другу, колеблются в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Каковы фазы колебаний векторов Е и В? Ответ: Векторы В и Е колеблются в одинаковых фазах, т.е. достигают максимума и минимума одновременно в одних и тех же точках пространства.

Какова скорость света в вакууме? Ответ: Скорость света равна 300000 км/с.

Объяснение нового материала

В световых волнах, испускаемых обычными источниками света (например, лампочкой накаливания), колебания вектора Е происходят по всевозможным направлениям. Такой свет называют естественным (не поляризованным).

Если при распространении электромагнитной волны вектор напряженности электрического поля Е сохраняет свою ориентацию, такую волну называют линейно-поляризованной или плоско-поляризованной. Некоторые источники могут испускать поляризованный свет. В таком свете колебания электрического и магнитного полей происходят не по всем направлениям, а только в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Поляризованный свет можно получить при помощи поляризаторов. Если посмотреть через тонкую кристаллическую пенку (поляризатор) на естественный свет и покрутить его вокруг своей оси, то ничего не произойдет. Однако если пропустить свет через две такие пластинки, мы обнаруживаем у него новые свойства. При вращении одной пластинки относительно другой интенсивность прошедшего света будет меняться от полного пропускания в случае, когда плоскости поляризации обоих пластинок совпадают, до полного гашения, в случае, когда эти плоскости перпендикулярны. Попробуем изобразить этот процесс более наглядно. Представим себе обычный деревянный забор, в одной из досок которого прорезана узкая вертикальная щель. Проденем сквозь эту щель верёвку; её конец за забором закрепим и начнём верёвку встряхивать, заставляя её колебаться под разными углами к вертикали. Вопрос: а как будет колебаться верёвка за щелью? Ответ очевиден: за щелью верёвка станет колебаться только в вертикальном направлении. Амплитуда этих колебаний зависит от направления приходящих к щели смещений. Вертикальные колебания пройдут сквозь щель полностью и дадут максимальную амплитуду, горизонтальные — щель не пропустит совсем. А все другие, «наклонные», можно разложить на горизонтальную и вертикальную составляющие, и амплитуда будет зависеть от величины вертикальной составляющей. Но в любом случае за щелью останутся только вертикальные колебания! То есть щель в заборе — это модель поляризатора, преобразующего неполяризованные колебания (волны) в линейно-поляризованные. (рис. 1). 

Если мы пропустим шнур через две таких щели, то:

1. Если эти щели будут параллельны друг другу, колебания будут проходить полностью (рис. 2).

2. Если щели будут перпендикулярны друг другу, то после второй щели колебания полностью погасятся (рис. 3).

Проверка на опыте поляризованности света, испускаемого различными источниками

Проведем опыты, в которых проверим поляризованность света, испускаемого различными источниками света. (учащимся раздаются листы с фотографиями опытов, после проведения наблюдения они должны дописать свои выводы)

Опыт 1.
Жидкокристаллический монитор даёт поляризованный свет, т.к. повороте поляризатора на 90 свет полностью исчезает
       
Опыт 2. Излучение дисплея калькулятора даёт поляризованный свет, т.к. повороте поляризатора на 90 свет полностью исчезает

Опыт 3.

Свет дисплея мобильного телефона даёт поляризованный свет, т.к. повороте поляризатора на 90 свет полностью исчезает

Опыт 4.
Луч лазера даёт поляризованный свет, т.к. повороте поляризатора на 90 свет полностью исчезает


Опыт 5.

Рассеянный свет голубого неба даёт частично поляризованный свет, т.к. повороте поляризатора на 90 свет незначительно ослабляется

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.

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.

Здесь будет изображение: /data/edu/files/v1453033194.jpg (233x175)

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

Здесь будет изображение: /data/edu/files/z1453033537.jpg (153x142)

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.

Опыт 10. 
Проделать такое исследование можно самим. Из органического стекла можно вырезать модель крюка для подъёма груза, подвесить её перед экраном, нагружать гирьками разного веса. Мы сделаем проще: в целлофановом квадрате проделаем дырку, подвесим к ней блок и будем нагружать его грузами. Пронаблюдаем, как в ней меняется распределение напряжений

Подведение итогов. Контроль знаний.

Что такое поляризация? Ответ: одно из волновых свойств света.

Какие источники испускают поляризованный, а какие – неполяризованный свет? Ответ: Жидкокристаллический монитор, дисплей калькулятора, дисплей мобильного телефона, луч лазера испускают поляризованный свет. Телевизор с кинескопом, лампа дневного света, свеча, газовая горелка, солнце испускают неполяризованный свет.

Как можно поляризовать свет? Ответ: С помощью поляризатора. Также свет поляризуется при отражении от поверхности диэлектрика, частично поляризуется при рассеянии (голубое небо).

Как используется явление поляризации? Ответ: для защиты водителя от слепящего света фар встречного автомобиля, для гашения бликов от стёкол и полированных поверхностей, для стереоскопического кино и телевидения, для определения концентрации оптически активных веществ (сахара)