17.1 Поляризація світла. Поляризація при відбиванні та заломлені світла. Закон Брюстера та Малюса. Поляризаційні приклади та їх застосування.

З точки зору класичної теорії світло є електромагнітними хвилями певного діапазону. Електромагнітна хвиля – це електромагнітне поле, яке поширюється в просторі. У ньому змінюється напруженість електричного поля Е та індукція магнітного поля. Вільні електромагнітні хвилі поперечні, що експериментально підтверджуються явищем поляризації. Як зазначалось, у переважній більшості оптичних явищ основну роль відіграє вектор напруженості електричного поля , який називають оптичним. Тому далі буде вестись мова саме про цей вектор та про його амплітудне значення. Якщо при поширені світла існує цілком певна орієнтація вектора Е в просторі, то таке світло називають лінійно поляризованим. Площину, яка проходить через електричний вектор і промінь, називається площиною коливань. Світло, в якого напрям коливань електричного вектора в будь – якій площині простору з часом не змінюється, називають лінійно поляризованим. Світло, в якому за один період кінець електричного вектора в площині, перпендикулярній до напряму його поширення, описує еліпс, називають оптично поляризованим. Частинним випадком еліптично поляризованого є світло, поляризоване по колу, коли кінець вектора Е описує коло. Якщо електричні вектори хаотично змінюють свій напрям і всі напрями рівно ймовірні в площині, перпендикулярні до променя, то таке світло називають природним. Якщо для електричного вектора існує переважний напрям, то світло називають частково поляризованим.

Кількісною характеристикою поляризації служить ступінь поляризації. Для його визначення необхідно провести у площині, в якій лежать електричні вектори, декартову систему координат і спроектувати амплітудні значення векторів Е з однієї чверті на ці осі. Потім знайти суму проекцій та Оскільки інтенсивність пропорційна квадрату амплітуди, то та Ступінь поляризації визначається виразом: (1)

1. Для лінійно поляризованого тіла , оскільки суми проекцій векторів на обидві осі однакові за величиною. Тому Р=О. Для частково поляризованого світла 0<P<1.

Незважаючи на те, що окремі атоми випромінюють поляризоване світло, від звичайних джерел поширюється природне світло. Це зумовлено тим, що світлова хвиля є результатом випромінювання великої кількості атомів, які випромінюють незалежно один від одного. Тому кожен атом дає свою орієнтацію електричного вектора і всі напрями рівномірні.

Одним із способів поляризаціє світла є відбивання і заломлення його на межі поділу однорідних та ізотропних оптичних середовищ. Нехай плоска природна світлова хвиля падає із середовища з показником заломлення n₀ на межі поділу із середовищем, показник заломлення якого n. На межі поділу відбувається заломлення і відбивання світла. Виберемо осі координат у площині, перпендикулярній до пучка так, щоб вісь О_у лежала в площині падіння, а О_х – перпендикулярна до неї. Спроектуємо на них амплітудні значення векторів Е з першого квадрата. Як зазначалось. Суми проекцій на ці осі за величинами будуть однаковими. Сума проекцій на вісь О_у буде лежати в площині радіння, а на вісь О_х – перпендикулярно до неї. Коливання, перпендикулярні до площини падіння, є паралельними до межі поділу, а ті, що лежать у площині падіння, утворюють з нею кут. Такі світлові хвилі по – різному відбиваються і заломлюються. Теоретично обґрунтовано, що закони відбивання і заломлення однакові для будь-якої поляризації падаючої хвилі. У той же час амплітуди відбитої і заломленої хвилі залежать від поляризації падаючої хвилі. Кількісні співвідношення для амплітуд відбитого та заломленого світла з коливаннями в площині падіння і перпендикулярний до неї встановив О. Френель. Ці співвідношення називають формулами Френеля. Вони мають вигляд:

(2)

де - відносно інтенсивність падаючого природного світла, інтенсивність відбитого світла, коливання вектора Е якого відбувається в площини падіння, та інтенсивність відбитого світла.

З формули (2) видно, що коли то , . Кут називають кутом Брюстера.

Оскільки , а , то або (3)

Співвідношення (3) виражає закон Брюстера. Легко показати, що при падінні світла під кутом Брюстера відбитий і заломлений промені взаємно перпендикулярні. Відбитий кут Брюстера дає змогу одержати лінійно поляризоване світло, однак його інтенсивність невелика і для скла (n=1,5) дорівнює близько 15%, тобто основна його частина поширюється в напрямі заломлення хвилі, яка поляризована не повністю. Для збільшення ступеня поляризації заломлених хвиль їх треба пропустити через стопку скляних пластинок. Так для i=i_β стопка з десяти скляних пластинок дає змогу одержати майже стовідсоткову поляризацію заломлених хвиль.

Поляризатор – це прилад, який дозволяє отримати поляризоване світло.

Аналізатор – це прилад, який дозволяє аналізувати властивості поляризованого світла.

17.2 Демонстраційні експерименти під час вивчення хвильової оптики.

Оптику звичайно поділяють на геометричну та фізичну. Геометрична оптика, що є теоретичною основою оптотехніки, ґрунтується на геометричних уявленнях і не торкається питань природи світла. Дію оптичних прикладів вона розглядає як результат відбивання та заломлення нескінченно вузьких пучків. Друга частина оптики становить фізична оптика, під якою розуміють всю сукупність питань, пов’язаних з природою світла: явища інтерференції, дифракції та поляризації світла, фотоелектричний ефект, фотохімічна дія, люмінесценція, тиск світла, тощо.

Особливістю оптичних дослідів є те, що більшість з них слід проводити в повністю або частково затемненій аудиторії, демонстрування окремих явищ потребує штучних прийомів для того, щоб зробити світлові пучки видимими всьому класу, а для цього потрібні пояснення; в окремих випадках в утворенні зображень бере участь око спостерігача, отже, для всіх учнів класу повинні бути однакові умови для дослідів і спостережень.

Ці особливості оптичного експерименту вимагають від учителя виконання всього комплексу фізичного експерименту: демонстраційних дослідів, лабораторних робіт і фронтального експерименту, практикуму, самостійних домашніх дослідів. Самостійні досліди і спостереження з оптики велику значення, тому методику виконання цього виду експерименту докладно розглянемо пізніше.

Промисловість випускає достатню кількість оптичних прикладів які в сукупності з деякими побутовими приладами забезпечують можливість викладання оптики на експериментальній основі. Бажано урізноманітнювати досліди з оптики на ту саму тему. Це збуджуватиме інтерес учнів до вивчення фізики, сприятиме розвитку їх фізичного мислення, привчатиме знаходити спільне в різних дослідах і пояснювати суть явища.

Під час проведення демонстрацій з оптики слід дотримуватися правил техніки безпеки, особливо під час проведення дослідів з потужними джерелами ультрафіолетового світла. Тривале та інтенсивне опромінювання ультрафіолетовим світлом шкідливе для людини, може викликати сильні опіки. Під дією ультрафіолетового світла, а також потужного лазерного променя може виникнути опік ока, що іноді призводить до тимчасової втрати зору. Тому в дослідах з ртутно-кварцовими лампами насамперед слід захищати очі від прямої дії променів на око.

Демонстраційний експеримент з вивчення хвильових властивостей світла в наш час досить розроблений. На сьогодні випущено різні набори пристроїв, які дають змогу, продемонструвати класичні досліди з інтерференції, дифракції та поляризації. Переважна більшість пропозицій, пов’язаних з удосконаленням фізичного експерименту з цих питань, стосується поліпшення умов спостереження інтерференційних і дифракційних картин у загальновідомих демонстраціях.

Використання в навчальному експерименті лазерів значно полегшує вивчення хвильової оптики, оскільки ці джерела монохроматичного світла, яким властива часова і просторова когерентність, дають можливість значно ефективніше і виразніше поставити всі експерименти з класичної оптики, ніж при використанні звичайних джерел світла.

Запровадження лазерів у шкільній демонстрацій експеримент безсумнівно сприятиме підвищенню як експериментального, так і наукового рівня викладання питань оптики.

Програма середньої школи передбачає вивчення таких питань хвильової оптики, як властивості та застосування рентгенівського проміння. Значення його для загального політехнічного навчання загальновідоме. На жаль, після заборони використовувати в шкільному експерименті рентгенівські трубки, ефективність вивчення в школі важливих питань сучасної фізики значно знизилося. В зв’язку з цим заслуговує на увагу досвід зарубіжних фірм, які для демонстраційного експерименту виготовляють рентгенівські установки, цілком безпечні у використанні. У цих установках рентгенівські трубки розмішені в металевих камерах. У камері проти антикатода зроблено отвір, крізь який пучок рентгенівських променів спрямовують на флуоресціюючий екран. Камеру з трубкою та екран розміщують на демонстраційному столі на такий висоті. Щоб пучок рентгенівських променів проходив над головами учнів.