Выучить лекционный материал

20.02.2015

Урок 44 (11 класс)

Тема. Дисперсия и поляризация света

Дисперсия света

Занимаясь усовершенствованием телескопов, Ньютон обратил внимание на то, что изображение, даваемое объективом, по краям окрашено. Он заинтересовался этим и первый «исследовал разнообразие световых лучей и проистекающие отсюда особенности цветов, которых до того времени никто даже не подозревал» (слова из надписи на надгробном памятнике Ньютону). Радужную окраску изображения, получаемого с помощью линзы, наблюдали, конечно, и до него. Было замечено также, что радужные края имеют предметы, рассматриваемые через призму. Пучок световых лучей, прошедших через призму, окрашивается по краям.

Опыт Ньютона был гениально прост. Ньютон догадался направить на призму световой пучок малого поперечного сечения. Пучок солнечного света проходил в затемненную комнату через маленькое отверстие в ставне. Падая на стеклянную призму, он преломлялся и давал на противоположной стене удлиненное изображение с радужным чередованием цветов. Стилизованное изображение опыта Ньютона показано на рисунке 8.42. Следуя многовековой традиции, согласно которой радуга считалась состоящей из семи основных цветов, Ньютон тоже выделил семь цветов: фполетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Саму радужную полоску Ньютон назвал спектром.

Закрыв отверстие красным стеклом, Ньютон наблюдал на стене только красное пятно, закрыв синим стеклом — синее пятно и т. д. Это означало, что не призма окрашивает белый свет, как предполагалось раньше. Призма не изменяет свет, а лишь разлагает его на составные части (см. рис. I на цветной вклейке). Белый свет имеет сложный состав. Из него можно выделить пучки различных цветов, и лишь совместное их действие вызывает у нас впечатление белого цвета.

В самом деле, если с помощью второй призмы, повернутой на 180° относительно первой, собрать все пучки спектра, то опять получится белый свет (см. рис. II на цветной вклейке). Выделив какую-либо часть спектра, например зеленую, и заставив свет пройти еще через одну призму, мы уже не получим дальнейшего изменения окраски.

Другой важный вывод, к которому пришел Ньютон, был сформулирован им в трактате «Оптика» следующ;им образом: «Световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости» (для них стекло имеет различные показатели преломления). Наиболее сильно преломляются фполетовые лучи, меньше других — красные. Зависимость показателя преломления света от его цвета Ньютон назвал дисперсией¹.

Показатель преломления зависит и от скорости света в веществе. Абсолютный показатель преломления . Луч красного цвета преломляется меньше из-за того, что красный свет имеет в веществе наибольшую скорость, а луч фполетового цветапреломляется больше, так как скорость для фполетового света наименьшая. Именно поэтому призма и разлагает свет. В пустоте скорости света разного цвета одинаковы. Если бы это было не так, то, к примеру, спутник Юпитера Ио, который наблюдал Рёмер, казался бы красным в момент выхода спутника из тени. Но этого не наблюдается.

Впоследствии была выяснена зависимость цвета от физической характеристики световойволны: ее частоты колебаний v (или длины волны ). Поэтому можно дать более глубокое определение дисперсии, чем то, к которому пришел Ньютон. Дисперсией называется зависимость показателя преломления среды от частоты световой волны.

Зная, что белый свет имеет сложный состав, можно объяснить удивительное многообразие красок в природе. Если предмет, например лист бумаги, отражает все падающие на него лучи различных цветов, то он будет казаться белым. Покрывая бумагу слоем красной краски, мы не создаем при этом свет нового цвета, но задерживаем на листе некоторую часть имеющегося. Отражаться теперь будут только красные лучи, остальные же поглотятся слоем краски. Трава и листья деревьев кажутся нам зелеными потому, что из всех падающих на них солнечных лучей они отражаются лишь зеленые, поглощая остальные. Если посмотреть иа траву через красное стекло, пропускающее только красные лучи, то она будет казаться почти черной.

Явление дисперсии, открытое Ньютоном, первый шаг к пониманию природы цвета. Основательно понять дисперсию смогли лишь после того, как была выяснена зависимостьцвета от частоты колебаний (или длины световой волны).
¹ От латинского слова dispersio — рассеяние.

Поляризация света

Когда мы ранее рассматривали электромагнитные волны, то выяснили, что они являются поперечными. Это означает, что колебание векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля происходит в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Также эти векторы перпендикулярны друг другу (см. Рис. 1).

Рис. 1. Перпендикулярность волн

Но мы ничего не говорили об ориентации этих векторов в плоскости колебания. Рассмотрим колебание вектора напряженности электрического поля.

В естественном свете колебания происходят по всем возможным направлениям (см. Рис. 2).

Рис. 2. Колебания в естественном свете

Линейно- ( плоско-) поляризованный свет – если колебания происходят в одном направлении (см. Рис. 3).

Рис. 3. Линейно-поляризованный свет

Поляризованный свет получают при помощи поляризаторов. Например, это может быть поляроид, который представляет собой особую тонкую кристаллическую пенку, которая нанесена на какую-либо поверхность. Если посмотреть через поляризатор на естественный свет и покрутить его вокруг своей оси, то ничего не произойдет. Свет лишь станет менее интенсивным и приобретет характерную окраску (см. Рис. 4).

Рис. 4. Поляризованный свет

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 (см. Рис. 5).

Рис. 5. Смена интенсивности

Аналогичный опыт можно проделать и с механическими волнами. Можно возбудить колебания шнура, которые быстро будут менять свое направление. Если мы пропустим этот шнур через щель, то она выделит колебания в одной плоскости. Таким образом, получится поляризованная волна (см. Рис. 6).

Рис. 6. Поляризованная волна

Если мы пропустим шнур через две таких щели, то:

1. Если эти щели будут параллельны друг другу, колебания будут проходить полностью (см. Рис. 7).

Рис. 7. Полное прохождение колебания

2. Если щели будут перпендикулярны друг другу, то после второй щели колебания полностью погасятся (см. Рис. 8).

Рис. 8. Погашение колебаний

Помимо поляроидов, существуют естественные поляризаторы. Например, пластинки из турмалина или исландского шпата, которые вырезаны определенным способом. Эти вещества представляют собой кристаллы с определенной симметрией, которые называются одноосными. При прохождении естественного света через такую пластину на выходе получается плоскополяризованный свет (см. Рис. 9).

Рис. 9. Турмалин

Рис. 10. Исландский шпат

Также свет отраженный или преломленный большинством неметаллических поверхностей является частично поляризованным.

Частично поляризованный свет – смесь естественного и поляризованного света.

Помимо линейной поляризации, существуют другие виды поляризации:

1. Круговая (см. Рис. 11).

2. Эллиптическая.

Рис. 11. Круговая поляризация

При круговой и эллиптической поляризации вектор напряженности электрического поля в плоскости колебаний описывает круг или эллипс.

Явление поляризации электромагнитных волн находит огромное применение. Например, в трехмерном кинематографе оно используется для разделения изображения для левого и правого глаза. В обычной видео- и фотоаппаратуре поляризационные фильтры используются для улучшения качества изображения. Также на качественные солнечные очки наносится поляризационная пленка, для того чтобы избавиться от бликов, которые получаются при отражении света.

Именно опыты с поляризатором доказали поперечность электромагнитных волн и еще раз подтвердили теорию Максвелла. Поляризовать продольные волны невозможно, так как колебание продольных волн происходит вдоль направления распространения волны.

Явление поляризации света в очередной раз доказывает волновую природу света.

Опыты с турмалином. Рассмотрим подробно один из таких экспериментов, очень простой и эффектный. Это опыт с кристаллами турмалина (прозрачными кристаллами зеленой окраски).

Кристалл турмалина 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 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. 8.60). Можно подумать, что свет только частично поглотился в турмалине и приобрел зеленоватую окраску. Больше ничего, кажется, и не произошло. Но это не так. Световая волна проявила новые свои свойства.

Эти новые свойства проявляются, если пучок света заставить пройти через второй точно такой же кристалл турмалина (рис. 8.61, 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. 8.61, 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. 8.61, в). Он целиком поглощается вторым кристаллом. Как это можно объяснить?
Поперечность световых волн. Из описанных выше опытов следуют два вывода: во-первых, световая волна, идущая от источника света, полностью симметрична относительно направления распространения (при вращении кристалла вокруг луча в первом опыте интенсивность не менялась); во-вторых, волна, вышедшая из первого кристалла, не обладает осевой симметрией (в зависимости от поворота второго кристалла относительно луча интенсивность прошедшего света изменяется).

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 врапдением второй пластины, считая световую волну продольной, невозможно.

Полное объяснение опыта можно получить, сделав два предположения.

Первое предположение относится к самому свету. Свет — поперечная волна. В падаюпдем от обычного источника пучке световых волн происходят колебания всевозможных направлений, перпендикулярных направлению распространения волн (рис. 8.62).

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.

Световой поток, в котором колебания происходят по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения волн, называется естественным светом. Такое название оправданно, так как в обычных условиях источники света излучают такой поток. Данное предположение объясняет результат первого опыта. Вращение кристалла турмалина не меняет интенсивность прошедшего света, потому что падающая волна обладает осевой симметрией (несмотря на то, что она поперечная).

Второе предположение относится не к световой волне, а к кристаллу. Кристалл турмалинаобладает способно стью пропускать световые волны с колебаниями, происходящими в одной определенной плоскости (плоскость Р на рисунке 8.63). 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 плоскополяризованная волна. При скрещенных кристаллах (угол между их 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 получить 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 (рис. 8.64). 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.

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 провести те же опыты, что и с кристаломтурмалина. Преимущество поляроидов в том, что можно получать 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 — поперечном направлении.

Домашнее задание:

Выучить лекционный материал.

2. Ответить на вопросы:
1. На тетради написано красным карандашом «отлично» и зеленым — «хорошо». Имеется два стекла — зеленое и красное. Через какое стекло надо смотреть, чтобы увидеть слово «отлично»?

2. Почему только узкий световой пучок дает спектр после прохождения сквозь призму, а у широкого пучка окрашенными оказываются лишь края?

3. Что такое дисперсия света?

4. Чем отличается естественный свет от поляризованного?

5. «Комната, в которую вступил Иван Иванович, была совершенно темна, потому что ставни были закрыты, и солнечный луч, проходя в дыру, сделанную в ставне, принял радужный цвет и, ударяясь в противоположную стену, рисовал на ней пестрый ландшафт из крыш деревьев и развешанного на дворе платья, все только в поращенном виде» (Н. В.Гоголь. «Повесть о том, как поссорился Иван Иванович с Иваном Никифоровичем»). Объясните это явление.