- •Тема 1. Кинематика поступательного движения
- •Тема 2. Кинематика вращательного движения
- •Тема 3. Динамика поступательного движения
- •Тема 4. Работа и энергия
- •Тема 5. Динамика вращательного движения
- •2. Элементы специальной теории относительности и механики сплошных сред
- •Тема 6. Основы специальной теории относительности
- •3. Термодинамика и молекулярная физика.
- •Тема 8. Феноменологическая термодинамика
- •Тема 9. Молекулярно-кинетическая теория
- •Тема 10. Элементы физической кинетики
- •4. Электричество и магнетизм
- •Тема 11. Основные характеристики и закономерности электростатики
- •Тема 12. Проводники и диэлектрики в электрическом поле
- •Тема 13. Постоянный электрический ток
- •Тема 14. Основные характеристики и закономерности магнитостатики
- •Тема 15. Вещество в магнитном поле
- •Тема 16. Явление электромагнитной индукции
- •Тема 17. Основы теории Максвелла для электромагнитного поля. Электромагнитные волны
- •5. Колебания и волны
- •Тема 18. Свободные гармонические колебания
- •Тема 19. Затухающие и вынужденные колебания. Сложение колебаний
- •Тема 20. Волны. Уравнение волны. Энергия волны
- •6. Волновая оптика
- •Тема 21. Интерференция света
- •Тема 22. Дифракция света
- •Тема 23. Поляризация света
- •Тема 24. Распространение света в веществе
- •7. Квантовая оптика
- •Тема 25. Тепловое излучение
- •Тема 26. Фотоэлектрический эффект
- •Тема 27. Эффект Комптона. Давление света
- •8. Квантовая физика и физика атома.
- •Тема 28. Атомная физика
- •Тема 29. Оптические квантовые генераторы
- •Тема 30. Элементы квантовой механики
- •9.Элементы ядерной физики и физики элементарных частиц. Физическая картина мира.
- •Тема 32. Основы физики атомного ядра
- •Тема 33. Элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия
Тема 23. Поляризация света
Как отмечалось выше, свет представляет собой электромагнитные колебания, распространяющиеся в виде электромагнитных волн с длиной волны порядка (3,8-7,6)∙10-7 м. Электромагнитная волна характеризуется вектором напряженностиэлектрического поля и вектором напряженностимагнитного поля. Эти векторы расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях и колеблются в одинаковых фазах.
Колебания векторов ив изотропной среде (среде, физические свойства которой одинаковы во всех направлениях) происходят перпендикулярно направлению распространения колебаний. Поэтому электромагнитные волны относятся к типу поперечных волн.
В большинстве случаев воздействие световых волн определяется вектором напряженности электрического поля, так как явления, наблюдаемые в веществе под действием света (люминесценция, фотоэффект и др.), связаны с воздействием на электроны.
Электромагнитные волны, излучаемые светящимся телом, – это результат отдельных волн, которые испускаются его атомными осцилляторами. Вследствие того, что атомы беспрерывно изменяют свою пространственную ориентацию, изменяется с большой частотой и направление колебаний вектора результирующей световой волны.
Если в световой волне колебания вектора напряженности электрического поля происходят по всевозможным направлениям в плоскости, перпендикулярной направлению распространения (к лучу), то свет называютестественным (рис. 7.15, а). Свет, в котором колебания светового векторакаким-то образом упорядочены, называютполяризованным.
Частично поляризованнымназывается свет с преимущественным направлением колебаний вектора(рис. 7.15, б). Если колебания вектора(а, следовательно, и) происходят только в одном направлении, перпендикулярном лучу, то свет называютплоскополяризованным(рис. 7.15, в).
Прибор, превращающий естественный свет в поляризованный, называют поляризатором. Он пропускает колебания, например, параллельные главной плоскости поляризатора и полностью задерживает колебания, перпендикулярные этой плоскости. В качестве поляризаторов могут использоваться среды, анизотропные в отношении колебаний вектора.
Прибор, определяющий направление колебаний (гасящий поляризованную волну) и предназначенный для анализа степени поляризации света, называют анализатором.
Один из способов получения поляризованного света состоит в использовании явления отражения и преломления света на поверхности диэлектрика. Пусть на черное зеркало (в этом зеркале устранено отражение от второй поверхности) падает естественный свет. Световые колебания, как и любые колебания, происходящие в одной плоскости, можно разложить по правилу параллелограмма на два колебания, происходящие в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Следовательно, естественный луч света можно представить как луч, в котором колебания происходят в двух взаимно перпендикулярных направлениях, например, в плоскости чертежа, которую считаем совпадающей с плоскостью падения (условно отмечаются стрелками) и в плоскости перпендикулярной (отмечаются точками). Эти два вида колебаний по-разному отражаются от зеркала из диэлектрика.
Если угол падения света на границу раздела двух диэлектриков (например, воздуха и стекла) с показателями преломленияn1иn2не равен нулю, то отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными (рис. 7.17). В отраженном свете преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения, в преломленном луче – колебания, параллельные плоскости падения.
Степень поляризации зависит от угла падения . При угле падения, удовлетворяющем условию
(7.16)
(n21– показатель преломления второй среды относительно первой),отраженный луч полностью поляризован, а преломленный луч поляризован максимально, но не полностью. Соотношение (7.16) называетсязаконом Брюстера. Уголназываютуглом Брюстераилиуглом полной поляризации.
Из закона Брюстера и закона преломления следует, что при падении света на диэлектрик под угломлуч, отраженный под этим углом, и луч преломленный взаимно перпендикулярны.
Двойное лучепреломление. В природе существуют кристаллы (например, исландский шпат), которые дают двойное лучепреломление. Это явление объясняется следующим образом.
Кристаллы – тела анизотропные, то есть их физические свойства, например, скорость распространения световых колебаний, различны в разных направлениях. Но особенностью кристалла является то, что в нем можно выделить оптическую ось. Она характеризуется тем, что свойства кристалла одинаковы во всех направлениях, которые составляют с оптической осью кристалла любые равные углы. Необходимо отметить, что оптическая ось не есть определенная линия, а только определенное направление. Плоскость, проходящая через падающий луч и оптическую ось кристалла, называетсяглавным сечением кристалла.
Скорость распространения света в кристалле зависит от угла между направлением колебаний и направлением главной оси кристалла:.
Если луч света идет вдоль оптической оси кристалла, то все его колебания перпендикулярны оптической оси (=900) и, следовательно, распространяются с одной и той же скоростью. Луч в этом случае не раздваивается, и двойного изображения нет.
Если луч света падает под некоторым углом к оптической оси кристалла, то можно разложить колебания в падающем луче на два взаимно перпендикулярных колебания: колебания, происходящие в плоскости сечения, и колебания, происходящие в плоскости, перпендикулярной главному сечению.
Колебания, перпендикулярные главному сечению кристалла (обозначены точками), распространяются в кристалле с той же скоростью, что и колебания луча, идущего вдоль оптической оси, так как при любом угле падения они составляют с осью кристалла угол 900.
Колебания, происходящие в плоскости главного сечения кристалла (обозначены стрелками), распространяются с другой скоростью, так как они составляют с осью кристалла другой угол, равный 900-.
Так как скорость распространения колебаний в кристалле зависит от угла , то есть, то колебания, перпендикулярные главному сечению, и колебания, лежащие в плоскости главного сечения, распространяются в кристалле с различной скоростью и, следовательно, имеют различный показатель преломления. Но при различном показателе преломления различны и углы преломления. В этом случае луч света раздваивается и дает двойное изображение. Лучи, колебания в которых перпендикулярны плоскости главного сечения, называютобыкновенными; лучи, колебания в которых происходят в плоскости главного сечения, называютнеобыкновенными.
Лучи обыкновенные и необыкновенные являются поляризованными лучами: обыкновенный луч поляризован в плоскости главного сечения, а необыкновенный луч – в плоскости, перпендикулярной плоскости главного сечения.
Призма Николя. Закон Малюса. Устройства, служащие для получения поляризованного света, называютполяризационными призмами. Поляризационная призма может служить и анализатором. Поляризационную призму Николя часто называют просто николь. Она представляет собой кристалл исландского шпата, имеющий форму параллелепипеда (рис. 7.18).
Кристалл разрезается наклонно по плоскости BEDPна две части, а затем склеивается канадским бальзамом. Показатель преломления канадского бальзамаn=1,549. Показатель преломления исландского шпата для обыкновенных лучейnо=1,658. Для необыкновенных лучей показатель преломления исландского шпата различен для разных направлений: для лучей, идущих параллельно длинным ребрам призмы, он равенne=1,515.
Пусть естественный луч падает на нижнюю грань призмы (рис. 7.18, б) в плоскости главного сечения (плоскости чертежа) под таким углом, что преломленные лучи, раздвоившись, идут почти параллельно продольным ребрам. Необыкновенный луч (е), дойдя до слоя канадского бальзама, вступает в него как в тело, более преломляющее и продолжает путь, не отклоняясь, так как слой канадского бальзама очень тонок. Обыкновенный же луч (о) встречает слой бальзама как среду менее преломляющую, и так как угол падения его больше предельного угла, то этот луч испытывает полное отражение и поглощается зачерненной гранью призмы. Из призмы выходит один только необыкновенный луч, колебания в котором параллельны главному сечению.
Если на анализатор падает поляризованный луч, плоскость поляризации которого составляет угол с плоскостью поляризации анализатора, то интенсивность прошедшего через анализатор луча определяетсязаконом Малюса:
, (7.17)
где – интенсивность луча, падающего на анализатор;I– интенсивность луча, выходящего из анализатора, без учета потерь в анализаторе в результате поглощения и рассеяния света.
Если пропустить естественный свет через два поляризатора, плоскости которых образуют угол , то из первого выйдет плоскополяризованный свет интенсивностью, а из второго – свет интенсивностью. Таким образом, интенсивность света, прошедшего через два поляризатора,
откуда (поляризаторы параллельны) и(поляризаторы скрещены). В последнем случае будет полное затмение поля зрения.