Лаб практ КСЕ часть 1 предварительный

иззеркаларешетку?Вслучае,когданаправлениещелей(ипрутьеврешетки) совпадаетснаправлениемэлектрическоговекторасветовойволны,непроизойдет ничего – такие щели не будут мешать движению зарядов, не будут мешать им излучать вторичную волну и такая решетка будет «работать» зеркалом. То есть в случае, когда направление прутьев решетки совпадает с направлением поляризации падающей волны, волна не пройдет. Но если прутья решетки будут перпендикулярны направлению электрического вектора,тоситуацияизменитсярадикально,ведьвэтомслучаезарядынесмогут смещаться под действием электрического поля падающей волны, они не будут излучать вторичную волну и некому будет компенсировать первичную волну за решеткой. По существу, в этом случае решетка окажется как бы непроводящей, свободные заряды в металле – как бы связанными, а наша решетка – как бы «пустым местом», через которое световая волна спокойненько пройдет.

Рис. 55. Отражение светового луча от зеркала

Вывод прост: металлическая решетка с достаточно часто расположенными прутьями является поляризатором для электромагнитных волн, причем направление пропускания этого поляризатора перпендикулярно направлениюпрутьеврешетки.Такиеполяризаторы-решеткидействитель-

но практически используются для радиоволн сантиметрового диапазона. И для света их можно было бы использовать, если бы кто-нибудь дога-

71

дался, как изготовить проволочную решетку с расстоянием между прутьями порядка десятых или сотых долей микрометра. Впрочем, решить эту задачу можно и «обходным путем»: взять побольше достаточно длинных молекул, плавающих в каком-нибудь «киселе», нанести этот «коктейль» в виде пленки на прозрачную основу, ориентировать молекулы в одном направлении (например, внешним электрическим полем) и после этого дать «киселю» застыть. После этого мы получим искомую «решетку», вмонтированную в прозрачную пленку; в этой решетке вместо прутьев будут проводящие вдоль своей оси длинненькие молекулы. Полученные таким путем пленки называются поляроидами и практически используется очень широко.

Рис. 56. Отражение светового луча от поверхности диэлектрика в случае, когда луч поляризован в плоскости падения

Рис. 57. Отражение светового луча от поверхности диэлектрика в случае, когда луч поляризован перпендикулярно плоскости падения

72

Итак, любая электромагнитная волна – и свет в том числе – является поперечной и потому просто обязана обладать какой-либо поляризацией. Как же поляризован естественный свет, с которым мы имеем дело постоянно,заисключениемтоговремени,когдаспим?Аникак.Онтакиназывается – неполяризованным. Конечно, это название, освященное традицией, на самом деле неправильно. Строго говоря, неполяризованным свет не может быть в принципе; ведь это – поперечная волна, а любая поперечная волна обязана иметь ту или иную поляризацию. Просто состояние поляризации естественного света постоянно хаотически (случайно) изменяется, и какого-либо преимущественного состояния поляризации у него нет.

Если же у света имеется некоторое преимущественное (но не исключительное) направление поляризации, то такой свет называется частичнополяризованным. Частично-поляризованный свет можно рассматривать как смесь неполяризованного (точнее – хаотически-поляризованного) и полностью поляризованного в каком-нибудь направлении света. Частично-поляризованный свет в природе встречается очень часто и просто несправедливо, что он не называется естественным. Для того чтобы естественный (неполяризованный) свет стал частично-поляризованным (а иногда – и полностью поляризованным), достаточно преднамеренно или непреднамеренно поставить его в условия, при которых разные направления поляризации неравноправны, а такие ситуации сами собой возникают сплошь и рядом.

Например, частичная поляризация света возникает при его отражении от диэлектрика (см. рис. 56, 57), ведь ясно, что коэффициент отражения луча на рис. 56 и на рис. 57 вовсе не обязаны совпадать; одно дело, когда электрический вектор лежит в плоскости падения, другое – когда он перпендикулярен этой плоскости. Они и не совпадают. Более того, существует угол падения, именуемый углом Брюстера (α=arctg n, где n – относительный показатель преломления на границе сред), при котором луч 2 просто отсутствует (коэффициент отражения равен 0). При падении луча неполяризованного света на границу раздела двух сред под углом Брюстера отраженный луч света оказывается полностью поляризован в направлении, перпендикулярном плоскости падения 1.

А часто ли в жизни луч света отражается от границы раздела двух диэлектриков? Да легче сказать, когда он этого не делает. Ведь все твердые и жидкие тела в природе – это металлы или диэлектрики (что не стихи – то проза, что не металл – то диэлектрик). Поэтому гладкой поверхностью диэлектрика является и поверхность оконного стекла, и любая окрашенная или лакированная поверхность, и линолеум, и ламинат, и поверхность любой декоративной пленки, и гладь Волги за окном… При отражении от любой из этих поверхностей неполяризованный свет становится

1 Припадениисветаизвоздуханастекло(n=1,5)уголБрюстераравенпримерно560.

73

частично-поляризованным, а при отражении под углом Брюстера – полно- стью-поляризованным. Поэтому мир вокруг нас наполнен частично-поля- ризованным светом и очень обидно, что глаза человека устроены так, что мы не чувствуем поляризацию. А насекомые, например, чувствуют, и это позволяет им даже в пасмурный день знать, в какой точке неба на самом

деле находится Солнце.

Многообразны и применения поляризованного света в технике. Вжидкокристаллическихдисплеях(LCD-дисплей)каждыйпиксель(точка) состоит из двух скрещенных поляризаторов, между которыми находится капля жидкого кристалла. Если на жидкий кристалл не подается никакое напряжение, то свет от источника (расположенного за экраном) наружу (к нам) не проходит, и мы видим черную точку. Если же подать на жидкий кристалл небольшое электрическое напряжение, то в нем происходит некоторый поворот плоскости поляризации света и часть света (какая – зависит от поданного напряжения) проходит через второй поляризатор и вы- ходитнаружу–мывидимсветящуюсяточку.Такработаютпрактическивсе современныедисплеикомпьютеров,калькуляторов,мобильныхтелефонов и электронных наручных часов.

Рис. 58. Схематический план устройства пикселя жидкокристаллического дисплея

Порядок выполнения работы

Установка для выполнения работы выглядит очень просто (см. рис. 59). Основной частью установки является «поляризационная труба» (1). Это – два поляроида в круглой оправе, вставленные в общую трубку (см. рис 60). Направление пропускания поляроидов обозначено заостренными

74

металлическими штырьками, укрепленными на оправах. Поляроиды можно поворачиватьвтрубке,изменяяуголмеждунаправлениямипропусканияполяроидов. Их можно даже вытащить из трубки – вот только делать это Вам совершенно незачем. Кроме того, Вам потребуется настольная лампа (2) и набор отражающих поверхностей (пластина из затемненного стекла (3), пластина из оргстекла (4), лазерный диск (5).

Рис. 59. Общий вид установки для изучения поляризации: 1 – «поляризационная труба», 2 – настольная лампа, 3 – пластина из затемненного стекла,

4 – пластина из оргстекла, 5 – лазерный диск

75

Рис. 60. Труба поляризационная (общий вид): 1 – первый поляризатор; 2 – штырек, указывающий направление пропускания первого поляризатора; 3 – второй поляризатор; 4 – штырек, указывающий направление пропускания второго поляризатора

Рис. 61. Поляризационная труба с параллельным направлением пропускания обоих поляризаторов. В этом случае она работает как один поляризатор «повышенного качества» (происходит «двойная очистка» неполяризованного света)

76

Рис. 62. Поляризационная труба со скрещенными поляризаторами. Если бы поляризаторы были идеальны, в ней всегда была бы чернота, ведь все, что пропускает первый поляризатор, будет задержано вторым. На самом деле при наблюдении яркого источника белого света он все-таки чуть-чуть виден и окрашен в синие тона. Это означает, что в синей части спектра качество наших поляризаторов хуже, чем в красной

Вы должны сделать следующее:

1.ПроверитьзаконМалюсаипознакомитьсяспонятием«скрещенные поляризаторы». Для этого выберите хорошо освещенный объект

(подоконник или	лампочку, или вид за	окном, а лучше все
это по очереди)	и наставьте на него	свою «поляризацион-

ную трубу». Начните с одинаково направленных указателей поляризации (штырьки параллельны, см. рис. 61). При этом Вы увидите выбранный объект как через солнечные очки. В этом нет ничего удивительного: при пропускании через первый поляризатор естественного (неполяризованного) света половина мощности пучка (поляризованная «не как надо») поглощается и лишь половина (поляризованная «как надо») проходит через поляризатор. Зато эта половина уже линейно-поляризована и потомучерезвторойполяризатор(стемжесамымнаправлениемпропускания) проходит целиком. Не отрывая трубу от глаза и не изменяя положения дальнего от глаза поляризатора, поворачивайте ближний к глазу поляризатор, следя за интенсивностью «картинки».

77

В соответствии с законом Малюса, интенсивность прошедшего через два поляризатора света зависит от угла между их направлениями пропускания по закону I=I0 cos2 α (см. рис. 63). Это означает, что при угле в 900 между направлениями пропускания поляризаторов («скрещенные поляризаторы») изображение исчезнет вообще. При угле в 1800 (направления пропускания опять параллельны) интенсивность изображения опять будет максимальна, при угле

в2700 междунаправлениямипропусканияполяризаторыопятьокажутся скрещенными и изображение опять исчезнет, а при угле поворота

в3600 (полный поворот) ситуация вернется к исходной (3600=00).

2.Выясните, где вокруг Вас свет неполяризован, где частично поляризованигдеполяризованполностью.Дляэтогоустановитеодинаковые направления пропускания обоих поляризаторов (направьте штырьки в одну сторону). При этом Ваша «поляризационная труба» работает как один, но достаточно качественный поляризатор, направление пропускания которого указано общим направлением штырьков. Направьте «поляризационную трубу» на интересующий Вас источник света и медленно поворачивайте ее вокруг своей оси. Если изображение при этой процедуре не изменяется, значит, оно сформировано неполяризованным светом. Если освещенность изменяется при повороте поляризатора с периодом 900, то изображение сформировано частично поляризованным светом, причем на- правлениедоминирующейполяризации–этотонаправлениепропу- скания поляризатора, при котором освещенность максимальна.Если при определенном положении направления пропускания поляризатора свет полностью исчезает, то он полностью поляризован.

Исследуйте таким способом: а) настольную лампу; б) лампу дневного света;

в) если солнце светит в окно – солнечные блики на поверхности стола. Если Ваш стол лакированный или ламинированный, то при повороте направления пропускания поляризатора яркость блика должна изменяться;

г) отражение настольной лампы в стеклянной пластине при разных углах падения света на стекло (см. рис. 59 – на нем как раз в стеклянной пластине виднеется отражение лампочки; именно это отражение и следует рассматривать через «поляризационную трубу»). При произвольном угле падения света на пластину яркость отражения лампочки в стекле должна изменяться при поворотенаправленияпропусканияполяризатора,априуглепадения около 560 и вертикальном направлении пропускания поляризатора отражение лампы в стекле должно исчезать);

78

д) монитор компьютера; е) экран собственного и соседского мобильника;

ж) циферблат собственных часов.

Запишите результаты своих исследований в конспект в виде следующей таблицы:

Результаты исследований

Источник света	Неполяризован-	Частично	Поляризован-
	ный свет	поляризованный	ный свет
		свет
Настольная лампа
Лампа дневного
света
на потолке
Солнечный блик
на поверхности
стола
Изображение
лампы в стеклян-
ной пластине
Изображение
лампы в плекси-
глазовой пластине
Изображение
лампы в лазерном
диске
Экран мобиль-
ника
Монитор компью-
тера
Циферблат часов

В этой таблице для каждого исследованного Вами источника света поставьте крестик в соответствующей графе в зависимости от того, каким оказался его свет – неполяризованным, частично-поляризованным или полностью поляризованным.

79

Рис. 63. Закон Малюса – зависимость интенсивности светового луча, прошедшего через два поляризатора, от угла между их направлениями пропускания

Контрольные вопросы

1.Кто открыл поляризацию света?

2.Поперечны или продольны электромагнитные волны?

3.Что такое момент импульса механической системы? Скаляр это или вектор? Куда направлен?

4.Что такое орбитальный момент импульса?

5.Что такое внутренний момент импульса?

6.Любое ли значение может иметь орбитальный момент импульса микрочастицы?

7.Любое ли значение может иметь внутренний момент импульса микрочастицы?

8.Что такое спин?

9.Что такое бозон? Приведите примеры бозонов.

10.Что такое фермион? Приведите примеры фермионов.

11.Что такое скалярная частица?

12.Что такое векторная частица?

13.Что такое продольная волна? Приведите примеры.

14.Что такое поперечная волна? Приведите примеры.

15.Звук – это продольная или поперечная волна?

16.Свет – это продольная или поперечная волна?

17.Что такое поляризация?

18.Что такое направление поляризации световой волны?

19.Что такое поляризатор? Как устроен поляроид?

80