Корпускулярно-волновой дуализм
Опыты Лебедева убедили научный мир: свет способен оказывать давление на окружающие вещи. Перед исследователем возникло множество технических сложностей. Несмотря на это, он доказал, что фотоны света передают поверхностям ненулевой импульс, когда встречают преграду. Данное явление поставило ученых в тупик. Как можно было увязать волновые свойства и материальность массы воедино?
В итоге исследователям пришлось признать: любая элементарная частица – это одновременно и волна, и материальный объект. Фотоны имеют как признаки осциллятора (длину волны, частоту и амплитуду), так и характеристики материального вещества (массу, импульс и энергию). Это и есть принцип корпускулярно-волнового дуализма. Также требовалось понять, как именно существует и движется в пространстве, казалось бы, бесконечная волна с конечной массой. На помощь пришло понятие «квант» – это наименьший пакет некоего общего целого, который перемещается и взаимодействует с веществом. Например, поляризованный и естественный свет являются квантами электромагнитного поля. Но такая среда не единственная, подверженная квантованию. Существуют также кванты:
- гравитационного поля (гравитоны предсказаны только теоретически, к доказательству их существования ученые уже подошли очень близко);
- глюонного поля (глюоны, в отличие от гравитонов, найдены);
- коллективного взаимодействия узлов кристаллической решетки твердого тела (фононы, например, отвечают за превращение электромагнитного излучения в кристаллах в звук).
Однако чтобы представить, почему свет поляризуется, описанных выше знаний недостаточно. Требуется напрячь пространственное воображение.
Неполяризованный свет
Атомы на поверхности нагретой нити накаливания, которые генерируют электромагнитное излучение, действуют, независимо друг от друга. Каждое излучение можно приблизительно смоделировать в виде коротких цугов продолжительностью от 10 -9 до 10 -8 секунды. Электромагнитная волна, исходящая от нити накаливания, представляет собой суперпозицию этих цугов, каждый из которых имеет собственное направление поляризации. Сумма ориентированных случайным образом цугов образует волну, вектор поляризации которой изменяется быстро и беспорядочно. Такая волна называется неполяризованной. Все естественные источники света, включая Солнце, лампы накаливания, люминесцентные лампы и пламя, производят такое излучение. Однако естественный свет часто бывает частично поляризован из-за множественного рассеяния и отражения.
Таким образом, отличие поляризованного света от естественного состоит в том, что в первом колебания совершаются в одной плоскости.
Что такое поляризация света
Термин поляризации дает оценку поперечных волн. Представляет состояние вектора колеблющейся величины в плоскости, поперечной направленности распространения волны.
Поляризация прослеживается лишь на поперечных волнах.
Если тенденции колебаний светового вектора упорядочены, то освещение именуется поляризованным.
Колебания одинаковой частоты электромагнитных излучений могут иметь поляризирование:
- Линейную. Она перпендикулярно направлена распространению волны.
- Круговую. В связи с тенденцией верчения вектора индукции, поляризация правая либо левая.
- Эллиптическую. Возникает в промежутке с круговой и линейной поляризациями.
Волновые свойства света
То, что свет – это волна излучения с определенными волновыми свойствами, начали предполагать многие ученые еще в 17-18 веках. Опыты Юнга, Френеля, Ньютона явственно показали, что волновые характеристики выражаются в двух ключевых явлениях: дифракции и интерференции. Именно они имеют значения при доказательстве того, что мы имеем дело с волной.
Луч видимого диапазона излучения способен как бы огибать препятствия любой формы и засвечивать даже ту область, которая якобы находится в тени. Отклонение от прямолинейного распространения, которое невозможно для твердых частиц, получило название дифракции.
Также доказано, что излучение может накладываться друг на друга и как бы дополнять волны аналогичной природы, либо же «тушить», уменьшать их интенсивность. Это явление получило название интерференции.
Оно активно применяется, к примеру, при производстве автомобильных фар – в их стеклах есть специальная фактура, которая позволяет использовать интерференцию и максимально увеличивать интенсивность свечения.
Но утверждение, что свет – это только волна, также находит протесты. Так как другие опыты, скажем, русского ученого Вавилова, показывают, что ему свойственна двойственная характеристика.
Закон прямолинейного распространения света
Любой школьник, перешедший в 9-11 класс, должен знать, что свет в однородной среде распространяется по прямолинейной траектории, а его скорость равна 3х108 м/с. С такой скоростью луч долетает от Земли до Луны (расстояние между которыми 384 000 километров) всего примерно за 1,2-1,3 секунды!
Исходя из прямолинейного распространения света, выводятся многие понятия, такие как тень, угол падения и отражения, и многое другое. Разный раздел науки по-разному использует эти данные, но они имеют большое значение в технике и теории.
Подытоживая скажем, что лексическое значение греческого слова «фотон» четко передает его смысл – это свет. Свет одновременно является и электромагнитной волной, и потоком частиц фотонов, которые распространяются от источника излучения и заполняют собой все окружающее пространство по законам прямолинейного распространения, дифракции, интерференции и т. д.
И естественное, и искусственное освещение имеют одинаковые свойства, за исключением, разве что длины волны, ее амплитуды и других, более конкретных характеристик каждой волны.
Дисперсия света
Значение абсолютного показателя преломления среды определяется в основном свойствами этой среды; однако оно зависит еще от длины волны (частоты) света.
Поочередно пропуская через трехгранную призму пучки монохроматического света разной цветности, направленные на грань призмы под одним и тем же углом падения (рис. 17.30, где Щ — щель, Ф — фильтр, Э — экран), можно обнаружить, что фиолетовые лучи отклоняются от первоначального на-правления сильнее, чем красные. Следовательно, угол преломления красных лучей (~beta_k) больше, чем фиолетовых (~beta_f(beta_k > beta_f).) Из закона преломления
следует, что (~n_f > n_k.) А так как абсолютный показатель преломления (n = frac{c}{upsilon},) где (~c) и (~upsilon) — скорости света соответственно в вакууме и среде то отсюда вытекает, что красный свет распространяется в среде быстрее, чем фиолетовый:
Поскольку цвет, воспринимаемый глазом, определяется только частотой световой волны, то цвет при переходе из вакуума в вещество или из одного вещества в другое не изменяется.
Зависимость скорости распространения световых волн в среде (показателя преломления среды) от частоты (длины волны) света называется дисперсией света.
Дисперсия света представляется в виде зависимости (~n = f(v).) Опыт показывает, что для большинства веществ показатель преломления уменьшается с уменьшением частоты (с увеличением (~lambda)). Дисперсию такого рода называют нормальной. Кривая зависимости (~n = f(lambda).)
для стекла (рис. 17.31) — кривая дисперсии — показывает, что эта зависимость нелинейная. Показатель преломления стекла в области коротких длин волн изменяется быстрее, чем в области длинных.
В парах йода и в некоторых жидкостях наблюдали аномальную дисперсию: показатель преломления увеличивается с увеличением (~lambda), т.е. в них скорость распространения (~upsilon_k < upsilon_f.)
Дисперсию можно объяснить с точки зрения электромагнитной теории. Так как скорость света в вакууме не зависит от частоты, а дисперсия наблюдается только в веществе, то она связана со строением вещества (для объяснения используем электронную теорию строения вещества, разработанную X. Лоренцом в 1880 г.).
Поскольку атомы и молекулы сами могут являться источниками электромагнитных колебаний, они не остаются безучастными, когда на них воздействует внешняя электромагнитная волна (свет). В веществе возникают вынужденные электромагнитные колебания электронов в атомах. Атомы начинают излучать электромагнитные волны, которые накладываются на внешнюю волну. Частоты вынужденных колебаний совпадают с частотой внешней волны, но их фазы могут отличаться от фазы внешней волны (в зависимости от структуры частиц вещества, их ориентации и т.д.). Это приводит к тому, что скорости прохождения результирующей электромагнитной волны через данное вещество при разных частотах будут неодинаковыми. Различие между скоростями тем больше, чем сильнее вынужденные колебания электронов, т.е. чем ближе частота световой волны к собственной частоте колебаний электронов. Поэтому скорость света в веществе зависит от частоты световой волны. Дж. Максвелл показал, что
где (~varepsilon) и (~mu) — диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества. В результате вынужденных колебаний молекул среды изменяется поляризуемость молекул и, соответственно, (~varepsilon).
Сложности восприятия поляризации как понятия
Надеемся, мы прояснили для читателей понятия естественного и поляризованного света. Однако избежать трудностей в пространственном восприятии этих понятий невозможно. Что же необходимо сделать, чтобы осознать, как вращается вектор амплитуды?
Первым барьером может стать непонимание, что такое вектор. Прежде всего, это направление движения. Когда человек ведет машину, вектор его движения – это то, куда направлен нос автомобиля и в какую сторону развернуты шины, а не куда смотрят глаза человека. Если бы все водители поняли это, возможно, на наших дорогах было бы меньше аварий. Как мы уже упоминали, в случае волны вектор амплитуды – это направление, в котором «колеблется» волна в конкретный момент времени.
Второй барьер может заключаться в непонимании процессов излучения. Для восполнения пробелов стоит вспомнить, что такое электронные уровни в атомах и почему переход между ними сопровождается либо излучением, либо поглощением энергии. Поняв, откуда берутся фотоны, читатель, возможно, лучше разберется в поляризации света.
Естественный и поляризованный свет отличаются ненамного. Если для человека непонятно, почему, мы еще раз повторим: получить поляризованный свет сразу при излучении довольно непросто. Но выделить изо всех возможных хаотически направленных колебаний естественного света только некоторые конкретные гораздо проще. Сделать это можно с помощью специальных кристаллических или полимерных веществ.
Волны бывают двух видов. В продольных колебательное возмущение параллельно направлению их распространения. Примером может служить прохождение звука в воздухе. Поперечные волны состоят из возмущений, которые находятся под углом 90° к направлению перемещения. Так, например, волна, проходя горизонтально через массу воды, вызывает вертикальные колебания на ее поверхности.
Поляризация света кристаллом
Обычные диэлектрики анизотропны и особенности света при попадании на них зависят главным образом от угла падения. Свойства кристаллов отличаются, при попадании на них света можно наблюдать эффект двойного преломления лучей. Это проявляется так: при прохождении через структуру образуется два преломленных луча, которые идут в разных направлениях, их скорости также различаются.
Чаще всего в экспериментах используют одноосные кристаллы. В них один из пучков преломления подчиняется стандартным законам и именуется обыкновенным. Второй образуется иначе, его называют необыкновенным, так как особенности его преломления не соответствуют обычным канонам.
Так выглядит двойное лучепреломление на схеме.
Если вращать кристалл, то обыкновенный луч останется неизменным, а необыкновенный будет перемещаться по окружности. Чаще всего в экспериментах используют кальцит или исландский шпат, так как они хорошо подходят для исследований.
На основании экспериментов с кристаллами Этьен Луи Малюс сформулировал закон в 1810 году, который получил его имя. Он вывел четкую зависимость линейно-поляризованного света после его прохождения через поляризатор, сделанный на основе кристаллов. Интенсивность луча после прохождения кристалла уменьшается пропорционально квадрату косинуса угла, образованного между плоскостью поляризации входящего луча и фильтра.
Закон Умова
Любой рассеянный свет с неба представляет собой солнечные лучи, которые претерпели многочисленные отражения от молекул воздуха, а также не раз переломились в ледяных кристаллах либо каплях воды. Вместе с этим, процесс поляризации характерен не только для направленного отражения (к примеру, от воды), но и для диффузного. В 1905 году было доказано, что чем темнее поверхность, от которой отражается световая волна, тем большей является степень поляризации. В историю это вошло, как закон Умова, названный в честь физика, которому удалось доказать эту зависимость. Если рассмотреть её на элементарном примере с асфальтным шоссе, то получается, что во влажном состоянии оно является более поляризованным, чем в сухом виде.
Спектральный состав света
Как показал в своих экспериментах английский естествоиспытатель Ньютон, обычный белый свет – это набор многих цветов, то есть волн с различной длиной, которые в результате взаимодействия складываются в один белый. Длина волн видимого спектра лежит в диапазоне 380-780 нанометров.
Наука смогла доказать, что практически любой вариант излучения не является монохроматичным – то есть, состоящим из волн только одной длины. Почти любой источник света испускает определенный спектр излучения, в котором есть разброс по длинам волн.
Если излучение имеет более короткие волны, нежели 380 нм, то они относятся к ультрафиолетовому свету, если большие 780 нм – инфракрасному. За их пределами сверху и снизу есть и другие типы излучения: гамма-лучи, рентгеновские волны, микроволновой диапазон.
Поляризация света для
В нашем блоге уже можно найти статьи про преломление, дисперсию и дифракцию света. Теперь пришло время поговорить о том, в чем заключается сущность поляризации света.
В самом общем смысле правильнее говорить о поляризации волн. Поляризация света, как явление, представляет собой частный случай поляризации волны. Ведь свет представляет собой электромагнитное излучение в диапазоне, воспринимаемом глазами человека.
Что такое поляризация света
Поляризация – это характеристика поперечных волн. Она описывает положение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.
Если этой темы не было на лекциях в университете, то вы, вероятно, спросите: что это за колеблющаяся величина и какому направлению она перпендикулярна?
Как выглядит распространение света, если посмотреть на этот вопрос с точки зрения физики? Как, где и что колеблется, и куда при этом летит?
Электромагнитная волна
Свет – это электромагнитная волна, которая характеризуется векторами напряженности электрического поля E и вектором напряженности магнитного поля Н. Кстати, интересные факты о природе света можно узнать из нашей статьи.
Согласно теории Максвелла, световые волны поперечны. Это значит, что векторы E и H взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости распространения волны.
Поляризация наблюдается только на поперечных волнах.
Для описания поляризации света достаточно знать положение только одного из векторов. Обычно для этого рассматривается вектор E.
Если направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, свет называется поляризованным.
Возьмем свет на рисунке, который приведен выше. Он, безусловно, поляризован, так как вектор E колеблется в одной плоскости.
Поляризация света
Поляризация света по определению – это выделение из естественного света лучей с определенной ориентацией электрического вектора.
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
Откуда берется поляризованный свет?
Свет, который мы видим вокруг себя, чаще всего неполяризован. Свет от лампочек, солнечный свет – это свет, в котором вектор напряженности колеблется во всех возможных направлениях. Но если вам по роду деятельности приходится весь день смотреть в ЖК-монитор, знайте: вы видите поляризованный свет.
Естественный, поляризованный и частично поляризованный свет
Чтобы наблюдать явление поляризации света, нужно пропустить естественный свет через анизотропную среду, которая называется поляризатором и «отсекает» ненужные направления колебаний, оставляя какое-то одно.
Анизотропная среда – среда, имеющая разные свойства в зависимости от направления внутри этой среды.
В качестве поляризаторов используются кристаллы. Один из природных кристаллов, часто и давно применяемых в опытах по изучению поляризации света — турмалин.
Еще один способ получения поляризованного света — отражение от диэлектрика. Когда свет падает на границу раздела двух сред, луч разделяется на отраженный и преломленный. При этом лучи являются частично поляризованными, а степень их поляризации зависит от угла падения.
Поляризация отражением
Связь между углом падения и степенью поляризации света выражается законом Брюстера.
Когда свет падает на границу раздела под углом, тангенс которого равняется относительному показателю преломления двух сред, отраженный луч является линейно поляризованным, а преломленный луч поляризован частично с преобладанием колебаний, лежащих в плоскости падения луча.
Линейно поляризованный свет — свет, который поляризован так, что вектор E колеблется только в одной определенной плоскости.
Практическое применение явления поляризации света
Поляризация света – не просто явление, которое интересно изучать. Оно широко применяется на практике.
Пример, с которым знакомы почти все – 3D-кинематограф. Еще один пример – поляризационные очки, в которых не видно бликов солнца на воде, а свет фар встречных машин не слепит водителя. Поляризационные фильтры применяются в фототехнике, а поляризация волн используется для передачи сигналов между антеннами космических аппаратов.
Фото, сделанные с применением поляризационного фильтра и без него
Поляризация — не самое сложное для понимания природное явление. Хотя если копнуть глубоко и начать основательно разбираться с физическими законами, которым она подчиняется, могут возникнуть сложности.
Поляризация света
Определение 2
Поляризация света — это явление выделения из пучка естественного света лучей с определенной ориентацией электрического вектора.
Как же получить поляризованный свет?
Определение 3
Французским инженером Э. Малюсом в 1809 году был открыт названный в его честь закон. В экспериментах Малюса свет последовательно пропускался сквозь пару одинаковых пластинок из турмалина (прозрачное кристаллическое вещество зеленоватого оттенка). Они могли поворачиваться друг относительно друга на угол φ, как это проиллюстрировано на рисунке 3.11.2.
Рисунок 3.11.2. Наглядный пример закона Малюса.
Интенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной cos2 φ:
I~cos2φ.
Двойное лучепреломление точно также, как и закон Малюса не может быть объяснено с точки зрения теории продольных волн. Для продольных волн направление распространения луча представляет собой ось симметрии. В них любые направления в плоскости, нормальной, то есть перпендикулярной, лучу, равноправны.
Пример 1
В поперечной волне, к примеру, в бегущей по резиновому жгуту волне, направление колебаний и перпендикулярное ему направление не равноправны (рис. 3.11.3).
Рисунок 3.11.3. Поперечная волна в резиновом жгуте. Частицы совершают колебательные движения вдоль оси y. При повороте щели S затухнет волна.
Выходит, что асимметрия относительно направления распространения луча – это решающий признак, отличающий поперечную и продольную волны. Первым высказал догадку о поперечности световых волн Т. Юнг в 1816 году. Независимо от Юнга Френель тоже выдвинул концепцию поперечности световых волн, и даже смог обосновать ее с помощью большого количества опытов. Им была создана теория двойного лучепреломления света в кристаллах.
В середине 60-х годов XIX века Максвелл, взяв за основу совпадение известных значений скоростей распространения света и электромагнитных волн, сделал вывод о природе света. Ученый решил, что свет – это частный случай электромагнитных волн. К тому времени экспериментальным путем была подтверждена поперечность световых волн. По этой причине Максвелл предположил, что она является еще одним важным аргументом в пользу его выводов насчет электромагнитной природы света.
Пропала необходимость во введении особой среды распространения волн – эфира, который приходилось рассматривать как твердое тело. Благодаря этому электромагнитная теория света приобрела должную стройность.
В условиях электромагнитной волны вектора E→ и B→ направлены перпендикулярно друг к другу и находятся в плоскости, которая перпендикулярна направлению распространения волны плоскости. (рис. 2.6.3)
Рисунок 2.6.3. Синусоидальная (гармоническая) электромагнитная волна. Векторы E→, B→и υ→ взаимно перпендикулярны.
Определение 4
В каждом из процессов взаимодействия света с веществом электрический вектор E→ играет основную роль. По данной причине его называют световым вектором.
Первые шаги на пути к открытию дисперсии
Еще задолго до того, как явление разложение спектра было описано и объяснено с точки зрения современной физики и представлений о волновой природе облучения, люди наблюдали и пытались понять суть этого явления.
Так он выяснил, что солнечные лучи могут иметь разный цвет. И попытался описать суть этого явления. Ученый объяснил это тем, что разный оттенок свет приобретает из-за разного «количества темноты» в нем. Если темноты много, тогда освещение становится фиолетовым, если мало, то красным.
Уже тогда ученый сделал предположение, что белый спектр является основным и состоит из множества оттенков.
Почему поляризуется свет?
Фотоны излучаются, когда электроны в атомах переходят из более высокого в более низкое положение. Рассмотрим один-единственный фотон, испущенный каким-нибудь атомом. Характеристика такого кванта совершенно конкретна. Этот фотон будет колебаться в определенном направлении, а вектор его амплитуды будет лежать в одной плоскости. Таким образом, одиночный фотон всегда поляризован линейно. Следовательно, один из способов получения поляризованного света – когерентное вынужденное излучение множества одинаковых атомов. Но такой метод не всегда применим, а соответствующие устройства (лазеры) не всем доступны. Однако свет Солнца или обычной лампы накаливания получить достаточно просто. Чтобы их поляризовать, надо поставить на пути излучения такую преграду, которая пропускает дальше только один вид колебаний, а все остальные задерживает. Так что другие способы получения поляризованного света связаны с созданием фильтров для естественного излучения.
Как правило, на такое способны кристаллы с заданным строением или полимерные мембраны, в которых волокна расположены в определенном направлении. Первым естественным поляризатором, обнаруженным учеными, стал кристаллический кварц из Исландии, так называемый исландский шпат. А первым искусственным поляризатором была органическая мембрана с добавлением ионов йода. Сейчас в промышленных масштабах используют поляроидные пленки, зажатые между двумя плоскими стеклами.
Свойства света
Так как свет обладает диализом, он показывает волновые свойства, а в некоторых опытах проявляет себя как частицы. Поляризация, как и сказано выше, раскрывает его волновой характер. И, ко всему прочему, доказывает поперечность его волн. Такой вывод был сделан исходя из опытов Малюса. Он пропускал луч света через турмалиновые пластины, поворачивая их на угол φ относительно друг друга.
На рисунке ниже этот эксперимент проиллюстрирован.
Так, интенсивность свечения была прямо пропорциональна cos²φ.
(I approx cos²φ.)
Преломление луча на двое не может существовать с точки зрения продольного характера волн. Для него характерно представление направления луча в качестве оси симметрии. В то время как для поперечных колебаний характерна асимметрия. Это и стало еще одним решающим признаком, выделяющим природу поперечного движения волн света.
А в середине 60-х годов девятнадцатого века Джеймс Клерк Максвелл сделал вывод о том, что свет – это электромагнитные волны. Такое решение было принято на основании совпадения известного значения скорости света и скорости распространения электромагнитных волн. Уже к этому времени поперечность световых волн была доказана. Поэтому Максвелл справедливо полагал, что поперечность электромагнитных волн является еще одним важнейшим доказательством электромагнитной природы света.
Закон Малюса
Если читателю кажется, что два поляризатора – это такая игра, что-то вроде упражнения для ума, то он ошибается. С помощью второго фильтра можно определить направление и степень поляризации потока света. Эти данные используют как непосредственно, например, при оценке свойств далеких галактик и туманностей, так и опосредованно, для оценки качества поверхностей.
Закон Малюса для поляризованного света выражается формулой:
I = k х I0 хcos2φ, где I – интенсивность конечного потока света, I0 – начального, k – коэффициент пропускания поляризатора,φ – угол между плоскостями поляризации падающего света и поляризатора.
Для релятивистского случая добавляются циклические частоты поляризованных волн. Но эти компоненты учитываются, только если источник света движется со скоростью, близкой к скорости света. Для применения расширенной формулы Малюса не обязательно преодолевать триста тысяч километров в секунду. Релятивистской считается скорость, равная одному проценту от скорости света в вакууме.
Однако дотошный читатель спросит: «А как же быть с циркулярной и эллиптической поляризацией?» Как мы уже упоминали выше, ответ прост. Необходимо представить этот вид поляризации как сумму двух линейно поляризованных волн.
Какова скорость света?
Скорость света рассчитывается в двух субстанциях – в вакууме и прозрачной среде. В первом случае ее показатели неизменны. В космическом пространстве скорость света является фундаментальной постоянной единицей и составляет 299 792 458 метров в секунду.
Считается, что помимо света, с аналогичной скоростью в природе распространяются электромагнитные излучения (например, рентгеновские лучи или радиоволны) и, возможно, гравитационные волны. Скорость света, находящегося в прозрачной среде, может меняться в зависимости от фазы колебательных движений.
В связи с этим различают фазовую скорость, которая обычно (но необязательно) меньше скорости в вакууме, и групповую – всегда меньше скорости в вакууме.
Практическое применение явления
Многие примеры современного использования поляризации основаны на успокоении яркости солнечных лучей во избежание усталости глаз. Так, поляроидные фильтры используют моряки, чтобы погасить свечение водных бликов, которые мешают обзору. Также они могут использоваться на иллюминаторах самолетов, пароходов или на окнах поездов.
Отличным примером будет и фото- и видеотехника. Для съемки на открытом воздухе при ярком освещении используются поляризационные фильтры, которые убирают «засвет» и выравнивают светотеневой баланс изображения.
В астрофизике или спектроскопии такие фильтры тоже используются. Они позволяют вычленять участки из исследуемого спектра и провоцирующие изменения насыщенности или цветовых оттенков. Чаще всего их применяют для изучения звездных скоплений, туманностей и различных космических тел.
Практическое применение поляризации света
Рассматриваемое явление используется в повседневной жизни намного чаще, чем кажется. Знание законов распространения электромагнитных волн помогло в создании различного оборудования. Основные варианты таковы:
- Специальные поляризационные фильтры для фотоаппаратов позволяют избавиться от бликов при фотосъемке.
-
Очки с таким эффектом часто используют водители, так как они убирают блики от фар встречного транспорта. В результате даже дальний свет не может ослепить водителя, что повышает безопасность.
- Оборудование, применяемое в геофизике позволяет изучить свойства облачных масс. Также с его помощью изучают особенности поляризации солнечного света при прохождении через облака.
- Специальные установки, фотографирующие космические туманности в поляризованном свете помогают изучать особенности возникающих там магнитных полей.
- В машиностроительной отрасли применяют так называемый фотоупругий метод. С его помощью можно четко определить параметры напряжения, возникающие в узлах и деталях.
- Оборудование используется при создании театральных декораций, а также в концертном оформлении. Еще одна сфера применения – витрины и выставочные стенды.
- Приспособления, определяющие уровень сахара в крови человека. Работают за счет определения угла поворота плоскости поляризации.
- На многих предприятиях пищевой промышленности используют оборудование, способное определять концентрацию того или иного раствора. Также есть приспособления, способные за счет применения свойств поляризации контролировать содержание белков, сахаров и органических кислот.
- 3D-кинематография работает именно за счет использования рассматриваемого в статье явления.
Знание основных особенностей поляризации позволяет объяснить множество эффектов, которые встречаются вокруг. Также это явление широко используется в науке, технике, медицине, фотографии, кинематографе и многих других сферах.
Что такое поляризация света
Поляризация света доказывает, что свет это поперечная волна. То есть, речь идет о поляризации электромагнитных волн в целом, а свет – это одна из разновидностей, свойства которой подчиняются общим правилам.
Поляризацией называют свойство поперечных волн, вектор колебания которых всегда перпендикулярен направлению распространения света или чего-то еще. То есть, если выделить из света лучи с одинаковой поляризацией вектора, то это и будет явление поляризации.
Чаще всего мы видим вокруг себя неполяризованный свет, так как у него вектор напряженности двигается во всех возможных направлениях. Чтобы он стал поляризованным, его пропускают через анизотропную среду, она отсекает все колебания и оставляет только одно.
Сравнение обычного и поляризованного света.
Фильтры
Существует ряд фильтров, которые способны пропускать лишь лучи с определённой ориентацией. Если смотреть через них на поляризованный световой поток и одновременно поворачивать, будет меняться яркость. В том случае, когда поляризация света будет совпадать с направлением пропускания, она станет максимальной, а при полном расхождении – минимальной. Приобрести такие фильтры можно в обычных магазинах, специализирующихся на продаже фототехники. При взгляде через них на чистое небо, при условии что Солнце находится сбоку, в определенный момент во время поворачивания станет видна полоса чёрного цвета. Она является доказательством того, что исходящие от этого участка неба световые волны являются поляризованными.
Общие сведения
В зимнее время, когда температура воздуха опускается до -20C, можно увидеть в небе появление горизонтальных колонн света. Они образуются после заката или перед восходом, когда Солнце находится на линии горизонта. Для появления этого удивительного атмосферного феномена должна быть высокая влажность воздуха и холодная погода.
Интересный факт: люди долго верили в то, что это природное явление имеет божественное происхождение, ему приписывали множество сверхъестественных знамений. Одна из легенд гласила, что человек, увидевший этот феномен на линии горизонта, станет могущественным и богатым, ему небесные светила подарят свое покровительство. В некоторых уголках мира до сих пор люди верят, что появление таких феноменов, которые происходят под воздействием света и наблюдаются в холодное время года, сулит усиление морозов.
С развитием уфологии стали появляться невероятные факты о том, что столбы света образуют инопланетяне, которые наблюдает за нами из своих тарелок, приблизившись к земле. Часто возникали рисунки и кадры в видеофильмах, как человек при помощи светящейся колонны поднимается в тарелку к пришельцам, а затем ничего об этом не помнит.
Ученые-физики развеяли все мифы о происхождении световых столбов. Оказалось, что появление такого вертикального света зависит от насыщенности перистых облаков и воздуха кристаллами льда. При морозной погоде находящиеся близко к поверхности земли кристаллы отражают свет Луны, планет, звезд или Солнца. Причиной образования этого необычного явления также могут стать обычные фонари, фары машин и прожекторы.
Примеры поляризации света и способ её устранения
Поляризация света, источником которого является чистое небо, – это лишь самый простой и широко использующийся пример этого явления. Другими довольно распространёнными случаями можно назвать блики, что лежат на стеклянных витринах и поверхности воды. При необходимости устранить их можно при помощи специальных поляроидных фильтров, которыми чаще всего пользуются фотографы. Они становятся незаменимыми, если нужно запечатлеть на фото какие-либо защищённые стеклом картины либо музейные экспонаты. Принцип их действия основан на том факте, что любой отражённый свет в зависимости от угла своего падения имеет ту или иную степень поляризации. Таким образом, при взгляде на блик можно без труда подобрать такой угол расположения фильтра, при котором он будет подавлен, вплоть до полного исчезновения. Аналогичного принципа придерживаются производители качественных противосолнечных очков. Благодаря использованию в их стекле поляроидных фильтров можно убрать мешающие блики, исходящие от поверхности мокрого шоссе либо морской поверхности.
Источник:
