Дисперсія світла. Поляризація світла

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

Хвильова й квантова оптика

УРОК 7/44

Тема. Дисперсія світла. Поляризація світла

Мета уроку: дати поняття про дисперсію та поляризацію світла й пояснити їх з погляду електромагнітної теорії.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

ПЛАН УРОКУ

Контроль знань	2 хв.	1. Що називають інтерференцією світла? 2. Що називають дифракцією світла?
Демонстрації	5 хв.	Відео-фрагменти фільму “Дисперсія світла”
Вивчення нового матеріалу	28 хв.	1. Дисперсія світла. 2. Забарвлення предметів. 3. Застосування явища дисперсії. 4. Поляризація світла
Закріплення вивченого матеріалу	10 хв.	1. Навчаємося розв’язувати задачі. 2. Контрольні питання

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Дисперсія світла

Уже в І ст. н. е. було відомо, що під час проходження через прозорий монокристал формою шестикутної призми сонячне світло розкладається в кольорову смужку – спектр. Ще раніше, в IV ст. до н. е., давньогрецький учений Аристотель

висунув свою теорію кольорів. Він вважав, що основним є сонячне (біле) світло, а всі інші кольори отримують із нього шляхом додавання різної кількості темного світла. Таке уявлення про світло панувало в науці аж до XVII ст., незважаючи на те, що були проведені численні досліди з розкладання сонячного світла за допомогою скляних призм.

Веселка як приклад дисперсії білого світла

Досліджуючи природу кольорів, Ньютон придумав і виконав цілий комплекс різних оптичних експериментів. Зробивши невеликий отвір у ставні вікна затемненої кімнати, Ньютон поставив на шляху пучка променів, що проходили через цей отвір, скляну призму. На протилежній стіні він одержав зображення у вигляді смужки кольорів, що чергуються. Отриманий у такий спосіб спектр сонячного світла Ньютон розділив на сім кольорів веселки – червоний, жовтогарячий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий. У наступних дослідах з дисперсії Ньютонові вдалося з’єднати кольорові промені в біле світло. У результаті своїх досліджень Ньютон, на відміну від Аристотеля, дійшов висновку, що в разі змішування “білизни й чорноти ніяких кольорів не виникає…”. Всі кольори спектра містяться безпосередньо в сонячному світлі, а скляна призма лише розділяє їх, тому що скло по-різному заломлює різні кольори. Найбільш сильно заломлюються фіолетові промені, найслабше – червоні.

O Дисперсія світла – це залежність швидкості світла в речовині від частоти світла, що проходить через неї.

Різним швидкостям поширення хвиль відповідають різні абсолютні показники заломлення середовища (n = с/).

O Дисперсія світла – це залежність показника заломлення від частоти світлової хвилі.

З дослідів Ньютона випливає, що абсолютний показник заломлення зростає зі збільшенням частоти світла. З огляду на те, що довжина хвилі обернено пропорційна частоті (? = с/v), можна стверджувати, що абсолютний показник заломлення зменшується відповідно до збільшення довжини світлової хвилі. Крім того, звідси випливає, що в разі заданої частоти довжина хвилі більша в тому середовищі, де швидкість хвилі більша.

Досліди показали, що кольори визначають саме за допомогою частоти світлової хвилі, тому, наприклад, довжина хвилі червоного світла у воді менше, ніж у вакуумі (або повітрі). Так що висновок Юнга треба уточнити в такий спосіб:

O кожний колір характеризується своєю частотою хвилі.

З часом учені встановили той факт, що, розглядаючи світло як хвилю, кожний колір слід співвідносити із певною довжиною хвилі. Дуже важливо, що ці довжини хвиль міняються безперервно, відповідаючи різним відтінкам кожного кольору.

2. Забарвлення предметів

O Забарвлення – властивість предметів відбивати, перевипромінювати й розсіювати світло, що визначає їх візуальне сприйняття – кольори, які людина сприймає за певних умов.

Термін “забарвлення” не є повним синонімом слова “колір” і зазвичай його використовують стосовно об’єктів, що не мають постійного або певного кольору. Забарвлення того самого об’єкта може бути дуже мінливим, а колір – значно більш постійна характеристика, яку можна схарактеризувати спектром випромінювання. Забарвлення предметів може виникати з двох причин:

1) виключення будь-якого кольору зі складу білого світла внаслідок поглинання речовиною світлових хвиль із певною довжиною хвилі. У результаті відбите від речовини світло набуває забарвлення. Наприклад, зелений колір листя рослин обумовлений тим, що хлорофіл, який входить до їх складу, поглинає в основному червоні промені. Всі інші кольори спектра листя відбиває, але біле світло після виключення з його складу червоних кольорів сприймається оком як зелене;

2) поділ кольорів у пучку білого світла через те, що хвилі з різною довжиною хвилі заломлюються або розсіюються речовиною по-різному, а також у результаті інтерференції або дифракції. Наприклад, внаслідок того, що хвилі різної довжини заломлюються по – різному, пучок білого світла після заломлення в призмі розкладається в кольоровий спектр; під час інтерференції променів, відбитих двома поверхнями тонкої плівки, виникає райдужне забарвлення (мильні бульбашки, крила комах); оскільки хвилі різної довжини по-різному розсіюються на скупченнях молекул у повітрі, виникає блакитний колір неба.

3. Застосування явища дисперсії

Відкриття явища дисперсії дозволило пояснити утворення веселки й інших подібних метеорологічних явищ. Заломлення світла у водяних крапельках або крижаних кристаликах, що плавають в атмосфері, супроводжується завдяки дисперсії у воді або льоді розкладанням сонячного світла. Обчислюючи напрямок заломлення променів у випадку сферичних водяних крапель, ми одержуємо картину розподілу кольорових дуг, що точно відповідає спостережуваним у веселці. Аналогічно, розгляд заломлення світла в кристаликах льоду дозволяє пояснити явища кіл навколо Сонця й Місяця морозної пори року, утворення так званих помилкових сонць і т. ін.

Знаючи, що біле світло має складну структуру, можна пояснити дивне розмаїття фарб у природі. Покриваючи папір шаром, наприклад, червоної фарби, ми не створюємо при цьому світла нових кольорів, але затримуємо на аркуші деяку частину наявного. Відбиватися тепер будуть тільки червоні промені, інші ж поглине шар фарби. Трава й листя дерев здаються нам зеленими, тому що з усіх сонячних променів, які падають на них, вони відбивають лише зелені, поглинаючи інші. Якщо подивитися на траву через червоне скло, що пропускає лише червоні промені, то вона буде здаватися майже чорною.

4. Поляризація світла

На початку XIX століття, коли Т. Юнг і О. Френель розвивали хвильову теорію світла, природа світлових хвиль була невідома. На першому етапі передбачалося, що світло являє собою поздовжні хвилі, які поширюються в певному гіпотетичному середовищі – ефірі. Під час вивчення явищ інтерференції й дифракції питання про те, якими є світлові хвилі – поздовжніми або поперечними, було другорядним по суті. У той час здавалося неймовірним, що світло – це поперечні хвилі, тому що за аналогією з механічними хвилями довелося б припускати, що ефір – це тверде тіло (поперечні механічні хвилі не можуть поширюватися в газоподібному або рідкому середовищі). Однак поступово накопичувалися експериментальні факти, які свідчили на користь поперечності світлових хвиль.

Справді, світло є окремим випадком електромагнітних хвиль, а в цих хвилях коливання напруженості електромагнітного поля увесь час відбуваються в одній площині (назвемо її площиною поляризації), а коливання магнітної індукції – у перпендикулярній площині.

Поляризаційний фільтр для фотоапарата

Майже у всіх звичайних джерелах світла відбувається неузгоджене випромінювання світла величезною кількістю атомів. Тому результуюча світлова хвиля містить багато “маленьких” світлових хвиль із різними площинами поляризації. Таке світло називають природно-поляризованим, або неполяризованим.

O У загальному випадку поляризація світла характеризує нерівноправність різних напрямків у площині, перпендикулярній до напрямку поширення хвилі.

У сучасних експериментах для одержання лінійно поляризованого світла застосовують так звані поляроїди – тонкі прозорі полімерні плівки. Часткова поляризація відбувається внаслідок заломлення й відбиття.

Застосування поляризації світла:

– поляризатори у фотографії (коли обертати поляризатор, обертається площина поляризації, тим самим посилюючи або послабляючи ефект пригнічення відбиття);

– поляроїди на автотранспорті (для захисту водіїв від осліплення світлом фар зустрічних автомобілів);

– дія сахаромерів (дозволяють вимірювати концентрацію цукру в речовині);

– поляризоване скло в рідкокристалічних індикаторах і екранах (перегляд стереоскопічних зображень і фільмів).

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Перший рівень

1. Як можна спостерігати явище дисперсії світла?

2. Чому Ньютон зробив зі свого досліду висновок, що біле світло є складовим?

3. Чим пояснюється розкладання білого світла на кольорові пучки?

4. Чи спостерігається дисперсія світла у разі проходження через вакуум?

Другий рівень

1. На скляну призму направляють промінь червоного або зеленого світла. Чи спостерігатиметься розкладання цього світла на якісь кольорові промені?

2. Чому під час проходження через трикутну скляну призму широкого пучка білого світла райдужне забарвлення з’являється тільки біля країв пучка?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Якісні питання

1. На зошиті написано червоним олівцем “відмінно” і зеленим – “добре”. Є два скельця – зелене й червоне. Через яке скло треба дивитися, щоби побачити слово “відмінно”?

2. Одним із недоліків перших телескопів Галілея було райдужне забарвлення країв зображень. Поясніть це явище.

Один із телескопів Галілея

2). Навчаємося розв’язувати задачі

1. У повітрі довжина хвилі світла 700 нм. Яка довжина хвилі у вакуумі?

2. Довжина хвилі світла у воді 435 нм. Яка довжина хвилі цього світла в повітрі?

3. Яка довжина хвилі жовтого світла пар натрію у склі з показником заломлення 1,56? Довжина хвилі цього світла в повітрі дорівнює 589 нм.

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ

– Дисперсія світла – залежність показника заломлення від частоти світлової хвилі.

– За заданої частоти довжина хвилі більша в тому середовищі, де швидкість хвилі більша.

– Кожний колір характеризується своєю частотою хвилі.

– Фронт хвилі – це сукупність точок простору, до яких у цей момент дійшла хвиля.

– Принцип Гюйгенса: кожну точку фронту хвилі можна розглядати як джерело вторинних хвиль. Нове положення фронту хвилі постає як огинаюча цих вторинних хвиль.

Домашнє завдання

1. Підр.: §25(п. 3).

2. 3б.:

Рів1 № 14.2; 14.3; 14.4; 14.6.

Рів2 № 14.29; 14.30; 14.33; 14.34.

Рів3 № 14.17, 14.35; 14.45; 14.46.

3. Д: підготуватися до самостійної роботи № 10.