Поляризация волн в курсе физики средней школы

3. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ВОЛН

В КУРСЕ ФИЗИКИ СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ

Как защитить водителя автомобиля от слепящего действия света фар встречного автомобиля? Как рыбаку на море и фотографу в студии устранить зеркальные блики? Почему при определенном освещении лобовое стекло троллейбуса кажется пятнистым, а при аварии оно рассыпается на кусочки, размеры которых одинаковы с размерами пятен? Как конструктору новой техники определить места концентрации механических напряжений в нагруженных деталях машин, а мостостроителям до начала строительства моста испытать его конструкцию с помощью модели, выполненной из оргстекла? Как определить оптическое качество выращиваемых кристаллов? Как быстро определить концентрацию сахарного раствора на плодоовощном комбинате? Как фармацевту отличить обладающий лечебным действием препарат от его зеркально симметричного по строению и абсолютно бесполезного для больного «брата-близнеца»? Как выяснить, обладает ли собственным магнитным полем небесное тело, долететь до которого нельзя? Как измерить большие токи и напряжения? Как сформировать сверхкороткие (с длительностью ~ 10^-9 – 10^-15 с) световые импульсы? Каким образом кодировать изображения и сигналы, например, для целей стереоскопического видения плоских изображений? Как обеспечить выполнение логических операций в сверхбыстродействующих вычислительных машинах? Как получить информацию о кинетике свертывания крови, о свойствах белковых молекул, биологических мембран, кристаллов, полупроводниковых и металлических веществ?

Ответить на эти и многие другие вопросы можно, хорошо познакомившись с явлением поляризации волн, свойствами поляризованного излучения и особенностями его взаимодействия с различными веществами как в отсутствие, так и при наличии внешних полей (механических напряжений, электрических или магнитных воздействий). Однако, к сожалению, эту очень важную как с образовательной, так и с профориентационной точки зрения тему авторы школьных учебников излагают лишь качественно, давая отрывочные сведения только о линейной поляризации и только световых волн. Вопросы же практического применения поляризации волн не обсуждаются вовсе.

Главные цели предлагаемой лекции, содержание которой может быть предложено учащимся классов с углубленным изучением физики, следующие:

·  познакомить учащихся с основными поляризационными явлениями и историей их открытия; убедить учащихся, что поляризация – свойство любых по природе поперечных волн;

·  опираясь на математические знания учащихся, сформировать у них чёткие представления о типах и формах поляризации;

·  познакомить школьников с методикой анализа поляризованных пучков и областями практического применения изучаемого явления.

Опыты и демонстрации, сопровождающие лекцию, могут быть выбраны учителем с учётом возможностей школьного физкабинета, а часто – изготовлены из подручных средств.

Явление поляризации света было открыто Эразмусом Бартолинусом, датским учёным, в 1669 году. В своих опытах Бартолинус использовал кристаллы исландского шпата ( ), имеющие форму ромбоэдра. Если на такой кристалл падает узкий пучок света, то, преломляясь, он даёт два пучка несколько различного направления (рис. 3.1).

 

Если падающий пучок довольно узок, а кристалл достаточно толст, то из него выходят два пучка, параллельных первоначальному, вполне разделенных пространственно. Даже в том случае, когда первичный пучок перпендикулярен к естественной грани кристалла, преломленный пучок разделяется на два (рис. 3.2), причем один из них представляет продолжение первичного, а второй уклоняется так, что угол преломления отличен от нуля. Это обстоятельство и ряд других отступлений от обычных законов преломления дали повод назвать второй из этих лучей необыкновенным (е), сохраняя за первым название обыкновенного (о). Различие в отклонении обоих лучей показывает, что по отношению к ним кристалл имеет различные показатели преломления ( и  соответственно) и скорости волн (; ). Исследуя явление при различных направлениях преломленных лучей внутри кристалла, можно обнаружить, что обыкновенный луч имеет для всех направлений один и тот же показатель преломления, а показатель преломления необыкновенного луча зависит от направления. При вращении кристалла необыкновенный луч перемещается вокруг обыкновенного по окружности (рис. 3.2). Описанное явление назвали дву(луче)преломлением.

 

В 1690 году Христиан Гюйгенс, голландский учёный, обнаружил, что каждый из полученных  указанным способом лучей ведёт себя при прохождении через второй кристалл исландского шпата иначе, чем обычные лучи. В зависимости от ориентации кристаллов относительно друг друга каждый из лучей, раздваиваясь во втором кристалле, даёт два луча различной интенсивности, а при некоторых ориентациях – только один луч, а интенсивность второго в этом случае падает до нуля (рис. 3.3).

 

В 1808 году, наблюдая через кристалл исландского шпата свет, отраженный под большим углом от окна Люксембургского дворца в Париже, французский учёный Этьен Луи Малю заметил, что при повороте кристалла вокруг луча интенсивность двух получающихся при этом пучков периодически меняется: , , где  - угол между главными направлениями кристаллов-поляризаторов,  - интенсивность падающего пучка. Кроме того, для интенсивностей о- и е – лучей в отсутствие поглощения выполняются правила Малю: ; . Именно Малю ввёл в обращение термин поляризация света.