Поляризация света при отражении и преломлении. Закон Брюстера

 

Обозначим через θ_Бр угол, удовлет­воряющий условию

(7-6)

(n₁₂ – показатель преломления второй среды относительно первой). При угле падения θ₁= θ_Бр, отраженный луч полностью поляризован. Он содержит только колебания, перпендикулярные к плоскости падения; степень поляризации преломленного луча при угле падения, равном θ_Бр, достигает наибольшего значения, однако этот луч остается поляризованным только частично.

Соотношение (7-6) носит название закона Брюстера, а угол θ_Бр называют углом Брюстера. При падении света под углом Брюстера отраженный и пре­ломленный лучи взаимно перпендикулярны.

 

 

Линейная поляризация света одно из проявлений поперечной по отношению к направлению распространения электромагнитных волн анизотропии, вследствие "поперечности" колебаний векторов напряжённости электрическогоимагнитногополей волны, при которой отсутствует осевая симметрия волны по отношению к направлению её распространения. В результате поперечной анизотропии электромагнитной волны в пространстве появляются выделенные направления колебаний векторов и в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Свет, излучаемый отдельными атомами и молекулами среды (вещества), всегда полностью поляризован.

Степень поляризации того и другого луча зависит от угла падения луча. У каждой пары прозрачных сред существует такой угол падения, при котором отраженный свет становится полностью плоскополяризованным, а преломленный луч остается частично поляризованным, но степень его поляризации при этом угле максимальна. Этот угол называется углом Бpюстеpа. Угол Брюстера определяется из условия

 

где – относительный показатель преломления двух сред. Можно показать, что при падении волны под углом Брюстера отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны. Таким образом, пластинка диэлектрика сортирует лучи естественного света, отражая преимущественно лучи с одним направлением колебаний и пропуская перпендикулярные колебания.

Закон Брюстера может быть использован для изготовления поляризатора. В этом случае используют не отраженный, а преломленный луч, хотя он и не полностью поляризован. Чтобы получить высокую степень поляризации преломленного луча, его пропускают через стопу стеклянных пластинок: после прохождения каждой следующей пластинки стопы степень поляризации преломленного луча увеличивается. При достаточно большом числе пластинок проходящий через эту систему свет будет практически полностью плоскополяризованным, а интенсивность прошедшего света в отсутствие поглощения будет равна половине интенсивности падающего на стопу естественного света. Основными источниками поляризованного света в окружающей нас среде являются такие яркие горизонтальные поверхности как водная гладь, мокрый асфальт, снег, лед, стеклянные поверхности. По характеру воздействия на глаз или фотоплёнку плоскополяризованный свет ничем не отличается от неполяризованного.

Свет, как и любое электромагнитное излучение, состоит из распространяющихся колебаний электрического и магнитного полей, которые ориентированы под прямым углом друг к другу. Направление электрического поля определяет направление, в котором будет двигаться электрический заряд при прохождении электромагнитной волны. Поляризацией волны как раз и называетсянаправление электрического поля в волне.

Световые волны могут иметь линейную поляризацию (в этом случае колебания электрического поля происходят в фиксированной плоскости), круговую поляризацию (электрическое поле вращается подобно стрелке часов) или эллиптическую поляризацию (электрическое поле вращается, при этом его абсолютная величина зависит от направления). Закон Брюстера описывает линейную поляризацию света при отражении луча от поверхности. Согласно этому закону, при определенном угле падения свет полностью поляризуется параллельно отражающей поверхности, и величина этого угла зависит от свойств отражающего вещества. Угол падения, при котором происходит полная поляризация отраженного и преломленного света, называется углом Брюстера, и его тангенс равен коэффициенту преломления отражающего вещества. Даже при углах падения, заметно отличающихся от угла Брюстера, свет в значительной мере поляризуется, но в этом случае и для преломленного, и для отраженного луча характерна эллиптическая поляризация.

Коэффициент преломления света в веществеравен отношению скорости света в вакууме к скорости света в веществе. У обычного стекла, например, коэффициент преломления 1,5. Это означает, что свет, распространяющийся в вакууме со скоростью около 300 000 км/с, в стекле распространяется со скоростью всего лишь около 200 000 км/с. Следовательно, для стекла угол Брюстера, при котором происходит полная поляризация, составляет около 57°.

Вы наверняка встречались с явлением поляризации в быту. В частности, в наше время солнцезащитные очки часто делают антибликовыми, а достигается это благодаря тому, что в них вставлены поляризованные линзы. В солнечную погоду свет, отраженный от блестящих поверхностей (стекла, стали, воды), оказывается поляризованным преимущественно в горизонтальной плоскости (по закону Брюстера). А линзы антибликовых солнцезащитных очков пропускают только свет, поляризованный вертикально. Благодаря этому большинство бликов, отраженных от окружающих нас предметов, гасятся и не ослепляют нас.

 

Поляризация волн

Свойство поперечных волн – поляризация.

Поляризованной волной называется такая поперечная волна, в которой колебания всех частиц происходят в одной плоскости.
Такую волну можно получить с помощью резинового шнура, если на его пути поставить преграду с тонкой щелью. Щель пропустит только те колебания, которые происходят вдоль нее.

Устройство, выделяющее колебания, происходящие в одной плоскости, называется поляризатором.

Устройство, позволяющее определить плоскость поляризации (вторая щель) называется анализатором.

Поляризация света

Опыт с турмалином – доказательство поперечности световых волн.

Кристалл турмалина – это прозрачный, зеленого цвета минерал, обладающий осью симметрии.

В луче света от обычного источника присутствуют колебания векторов напряженности электрического поля Е и магнитной индукции Ввсевозможных направлений, перпендикулярных направлению распространения световой волны. Такая волна называется естественной волной.

При прохождении через кристалл турмалина свет поляризуется.
У поляризованного света колебания вектора напряженности Е происходят только в одной плоскости, которая совпадает с осьюсимметрии кристалла.

Поляризация света после прохождения турмалина обнаруживается, если за первым кристаллом (поляризатором) поставить второй кристалл турмалина (анализатор).
При одинаково направленных осях двух кристаллов световой луч пройдет через оба и лишь чуть ослабнет за счет частичного поглощения света кристаллами.

Схема действия поляризатора и стоящего за ним анализатора:

 

6. Энергия кванта. Скорость света при переходе из одной среды в другую:

У всех классических механических волн (в жидкостях, газах и твердых телах) главный параметр, определяющий энергию волны, — это ее амплитуда (точнее, квадрат амплитуды). В случае света амплитуда определяет интенсивность излучения. Однако при изучении явления фотоэффекта — выбивания светом электронов из металла — обнаружилось, что энергия выбитых электронов не связана с интенсивностью (амплитудой) излучения, а зависит только от его частоты. Даже слабый голубой свет выбивает электроны из металла, а самый мощный желтый прожектор не может выбить из того же металла ни одного электрона. Интенсивность определяет, сколько будет выбито электронов, — но только если частота превышает некоторый порог. Оказалось, что энергия в электромагнитной волне раздроблена на порции, получившие название квантов. Энергия кванта электромагнитного излучения фиксирована и равна

E = h ν,

Энергию квантов в физике принято выражать в электрон-вольтах. Это внесистемная единица измерения энергии. Один электрон-вольт равен энергии, которую приобретает электрон, когда разгоняется электрическим полем напряжением 1 вольт. Измерения скорости света в различных прозрачных веществах показали, что она всегда меньше, чем в вакууме. Например, в воде скорость света уменьшается в 4/3 раза. Отношение скорости света в вакууме к скорости света в веществе называется абсолютным показателем преломления вещества.

При переходе световой волны из вакуума в вещество частота остается постоянной (цвет не изменяется). Длина волны в среде с показателем преломления n изменяется:

 

7.Спектр. Условия образования спектров излучения. Характер распределения энергии в спектре. Непрерывные, линейчатые и полосатые спектры:

Спектр – электромагнитные излучения, в общем смысле называется зависимость интенсивности от его частоты, либо длины волны. Спектр излучения образуется при испускании возбужденными системами. Распределение энергии по частотам, т. е. спектральная плотность интенсивности излучения, для различных тел различно. Например, тело с очень черной поверхностью излучает электромагнитные волны всех частот, но кривая зависимости спектральной плотности интенсивности излучения от частоты имеет максимум при определенной частоте. Энергия излучения, приходящаяся на очень малые и очень большие частоты, ничтожно мала. При повышении температуры максимум спектральной плотности излучения смещается в сторону коротких волн.

А) Непрерывный спектр, или сплошной: излучают нагретые твердые тела, высокотемпературная плазма и сильно сжатые газы, газы при высоком давлении. Например: лампы накаливания, вспышки, ксеноновые лампы и т.д.

Б) Линейчатый спектр: состоит из двух пиков. Его излучают различные атомные газы или пары. Они не молекулярные, один атом. Например: лампа на улице, электросберигающие лампы, лазеры, газоразрядные трубки.

В) Полосатый спектр: атомные линии накладываются друг на друга. Состоит из атомных линий. Например: светодиодная лампа.

4. Фотометрия:

1.Предмет фотометрии. Кривая видимости глаза. Системы измерения фотометрических величин. Источники излучения в фотометрии. Основные фотометрические величины:

Фотометрия - это раздел оптики охватывающий вопрос измерения энергии света. Для измерения фотометрических величин используют две системы измерения: энергетическая (абсолютная) и визуальная. В визуальной изменение происходит в соответствие с восприятием ограничения человеческого глаза. Видимый диапазон спектра – 380 – 780 н.м.

Кривая видимости глаза. Спектральная характеристика глаза, определяющая относительную яркость эквивалентных по мощности потоков электромагнитного излучения в стандартизированных условиях. Ориентирована на светлое время. Все светоприемники работают в соответствии с этой кривой.

Виды фотометрических измерений:

1) сравнение силы света источников;

2) измерение полного потока от источника света;

3) измерение освещенности в заданной плоскости;

4) измерение яркости в заданном направлении;

5) измерение доли света, пропускаемой частично прозрачными объектами;

6) измерение доли света, отражаемой объектами.

2. Мощность излучения. Световой поток. Световая отдача:

Мощность излучения – это энергия излучения переносимая в единицу времени.

Световой поток — физическая величина, характеризующая количество «световой» мощности в соответствующем потоке излучения. Световой поток является величиной, пропорциональной потоку излучения, оценённому в соответствии с относительной спектральной чувствительностью среднего человеческого глаза. (Люмен)

Световая отдача — отношение излучаемого источником светового потока к потребляемой им мощности. Измеряется в люменах на ватт (лм/Вт). Является показателем эффективности и экономичности источников света.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность заключается в том, что в данной работе рассматривается явление поляризации с учетом диэлектрической и магнитной проницаемостей. Традиционно в учебниках по оптике рассматривается в оптической области явление при значении . В связи с открытием новых материалов с возникает интерес к изучению явлений прохождения и отражения света на границе раздела сред с учетом .

Из указанной актуальности темы вытекает проблема, которую можно сформулировать следующим образом: необходимо изучение поляризации света при отражении с учетом диэлектрической и магнитной проницаемостей для более подробного усвоения темы исследования.

Объект исследования: явление награнице раздела сред, поляризация света.

Предмет исследования: поляризация света приотражении с учетом диэлектрической и магнитной проницаемостей.

Цель исследования: расчет компонент электрического и магнитного поля в отраженном свете.

Задачи:

1. Ознакомиться с литературой по проблеме исследования: специальной, технической.

2. Изучить явление поляризацию света при отражении в зависимости от диэлектрической и магнитной проницаемости.

3. Изучить влияние диэлектрической и магнитной сред на поляризацию света.

Методы исследования, используемые при выполнении данной курсовой работы: теоретический анализ и обобщение научно-технической литературы по теме исследования.

Методологической и теоретической базой являются научно-методические труды и теоретические работы по физике таких ученых, как Д.В. Сивухин, М. Борн, Э. Вольф, И.В. Савельев и Г.С. Ландсберг.

Курсовая работа состоит из введения, трех параграфов по исследуемой теме, заключения, списка использованной литературы и приложения.

Поляризация света

Обратимся сначала к изучению явления поляризации света.

Для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение лишь одного из векторов, характеризующих электромагнитную волну. Обычно все рассуждения ведутся относительно светового вектора-вектора напряженности электрического поля (при действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества).

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы же излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора (рис. 1, а; луч перпендикулярен плоскости рисунка).

Рис. 1

В данном случае равномерное распределение векторов объясняется большим числом атомарных излучателей, а равенство амплитудных значений векторов - одинаковой (в среднем) интенсивностью излучения каждого из атомов. Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора называется естественным. Неполяризованный (естественный) свет испускают большинство типовых источников, например лампы накаливания.

Свет, в котором направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным. Так, если в результате каких-либо внешних воздействий появляется преимущественное (но не исключительное) направление колебаний вектора (рис. 1, б), то мы имеем дело с частично поляризованным светом. Свет, в котором вектор колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу (рис. 1,в), называется плоско поляризованным (линейно поляризованным).

Плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоско поляризованной волны и направление распространения этой волны, называется плоскостью поляризации. Плоско поляризованный свет является предельным случаем эллиптически поляризованного света-света, для которого вектор изменяется со временем так, что его конец описывает эллипс, лежащий в плоскости, перпендикулярной лучу (рис. 2,а).

Рис. 2

Если эллипс поляризации вырождается в прямую (при разности фаз , равной нулю или ), то имеем дело с рассмотренным выше плоско поляризованным светом, если в окружность (при и равенстве амплитуд складываемых волн), то имеем дело с циркулярно поляризованным светом (рис. 2,б и рис.2,в соответственно).