Цели:
Образовательные:
- Расширить представление об естественном свете.
- Дать определение явления поляризации света.
- Показать учащимся значимость поперечных свойств света для доказательства электромагнитной природы света.
Воспитательные: Воспитание мировоззренческого мышления.
Развивающие: Развитие самостоятельности мышления, интеллекта, умение систематизировать материал, формулировать выводы по изученному материалу.
Демонстрации:
- Поляризация света поляроидами фронтально и индивидуально. На столах лабораторное оборудование: поляроиды, лампа, экран.
- Плакат с изображением колебаний векторов
и 
в линейно-поляризованной электромагнитной волне. - Показ слайдов с помощью информационно-компьютерных технологий.
Основное содержание материала: Определение явления поляризации. Понятие естественного и поляризованного света. Поперечность световых волн. Доказательство электромагнитной природы света. Поляроиды, их применение, поляризатор.
План.
- История открытия поляризации.
- Понятие об естественном и о линейно-поляризованном свете.
- Значение поляризации для доказательства электромагнитной природы света.
- Аналогия колебаний световой волны с механическими колебаниями.
- Поляризация света при отражении и преломлении.
- Оптическая активность вещества и вращение плоскости поляризации.
- Применение явления поляризации.
- Подведение итогов.
Ход урока
На доске записывается тема лекции, объявляется цель, проговаривается структура изложения материала. На доске записаны контрольные вопросы, на которые учащиеся должны ответить после изложения материала учителем. Поляризация – греч.«polos», лат. «polus» – конец оси, полюс.
Учитель: Понятие поляризации света было введено в оптику английским ученым Исааком Ньютоном в 1706 г. и объяснено Джеймсом Клерком Максвеллом. На этапе развития волновой природы света, природа световых волн была неизвестна, хотя накапливались экспериментальные факты в пользу поперечности электромагнитных волн.
Учитель. Выполняя домашнее задание, надо было повторить понятия: электромагнитная волна, поперечная волна, гипотеза Максвелла об электромагнитных волнах, волновой цуг, естественный свет, анизотропия кристалла.
Что представляет собой электромагнитная волна?
Ученик. Электромагнитная волна представляет собой взаимосвязанные колебания векторов напряженности электрического и магнитного полей, перпендикулярных друг к другу и направлению распространения волны.
Что такое поперечная волна?
Поперечная волна – это волна, в которой направление колебаний частиц перпендикулярны направлению распространения волны.
Что представляют собой электромагнитные волны с точки зрения гипотезы Максвелла?
По гипотезе Максвелла электромагнитные волны распространяются в пространстве с конечной скоростью – скоростью света с=3
и являются поперечными.
Что такое волновой цуг?
Волновой цуг – волна, излучаемая отдельным атомом в течение времени, в котором атом находится в возбужденном состоянии: t=
с.
Учитель. Что такое естественный свет?
Ученик. Естественный свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов, поэтому световая волна – это набор волновых цугов с беспорядочно меняющейся фазой.
Свет, у которого световой вектор колеблется беспорядочно одновременно во всех направлениях, перпендикулярных лучу, называется естественным.
Что такое анизотропия кристалла?
Анизотропия – это зависимость физических свойств кристалла от направления.
Учитель.
Впервые опыты по поляризации света с исландским шпатом были поставлены голландским ученым Х. Гюйгенсом в 1690 г. Пропуская световой луч сквозь исландский шпат, Гюйгенс открывает поперечную анизотропию светового луча, обусловленную анизотропией свойств кристалла. Это явление было названо двойным лучепреломлением. Если кристалл поворачивать относительно направления первоначального луча, то поворачиваются оба луча после выхода из кристалла. В 1809 году французский инженер Э. Малюс открыл закон, названный его именем. В опытах Малюса свет последовательно пропускался через две одинаковые пластинки из турмалина. Свет направляпся перпендикулярно поверхности кристалла турмалина, вырезанного параллельно оптической оси. При вращении кристалла вокруг оси луча, изменение интенсивности светового луча не происходит. Если на пути луча поставить второй, идентичный первому кристалл турмалина, то интенсивность прошедшего сквозь эти пластинки света, меняется в зависимости от угла α между осями кристаллов согласно закону Малюса:
=
φ
Интенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной 
φ. В продольной волне все направления в плоскости, перпендикулярной лучу, равноправны, поэтому ни закон Малюса, ни двойное лучепреломление не смогли объяснить данное явление с точки зрения продольных волн.
Учитель. На пути солнечного света можно поставить специальное устройство – поляризатор, выделяющее одно из всех направлений колебаний вектора 
. Свет, у которого направление колебаний вектора 
строго фиксировано, называется линейно-поляризованным или плоско-поляризованным.
Под поляризацией света понимают выделение из естественного света световых колебаний с определенным направлением электрического вектора.
Эксперимент с двумя поляроидами, лампой, экраном.
Проделаем опыт с двумя одинаковыми прямоугольными пластинками из турмалина, вырезанными из кристалла параллельно его оптической оси. Оптическая ось кристалла – это направление, параллельное плоскости, в которой происходит колебание светового вектора.
Наложим одну пластину на другую так, чтобы их оси совпадали по направлению. Через сложенную пару пропустим узкий пучок света.
Будем вращать одну из пластин, при этом заметим, что яркость светового потока ослабевает и свет гасится, когда пластина повернется на 90°,т.е. угол между оптическими осями кристаллов составит 90°. При дальнейшем вращении пластинки проходящий световой поток вновь начнет усиливаться и когда пластинка повернется на 180°, интенсивность светового потока вновь станет прежней. Возвращаясь в исходное положение, пучок снова слабеет, проходит через минимум и доходит до прежней интенсивности при возвращении пластины в исходное положение. Таким образом, при повороте пластинки на 360° яркость светового потока, проходящего через обе пластины, два раза достигает «max» и два раза «min».
Учитель: В чем причина изменения яркости светового потока? Отметим, что результат не зависит от того, какой из кристаллов вращается и на каком расстоянии друг от друга они находятся. Проделаем еще раз опыт.
Будем поворачивать первый кристалл вокруг луча.
Наблюдается ли изменение яркости?
Ученик: Нет.
Учитель: Будем поворачивать второй кристалл относительно луча. Что наблюдаем?
Ученик: Видим, что яркость светового потока меняется.
Учитель: Что можно сказать о световой волне, идущей от источника света? Каково ее отличие от волны, прошедшей через первый кристалл?
Ученик: Кристалл турмалина способен пропускать световые колебания только в том случае, когда они направлены определенным образом относительно его оси.
Световая волна, идущая от источника света, является поперечной, первый кристалл, являясь анизотропным, пропускает световые колебания, лежащие в одной определенной плоскости, параллельной оптической оси, поэтому при повороте второго кристалла на 90°, когда угол между оптическими осями составит 90°, световой поток гасится.
Учитель: Действие турмалиновой пластинки заключается в том, что она пропускает колебания, электрический вектор которых параллелен оптической оси. Колебания, вектор которых перпендикулярен оптической оси, поглощаются пластинкой. Явление поляризации доказывает, что свет – поперечная волна. Делаем вывод, что световая волна – это частный случай электромагнитной волны.
Плоскость, в которой происходят световые колебания, после выхода из кристалла, является плоскостью колебаний.
Плоскостью поляризации является плоскость, в которой совершает колебания вектор индукции 
.
Световая волна, прошедшая первый кристалл, является линейно-поляризованной или плоско-поляризованной.
Запись в тетради: 1) Гипотеза Максвелла:
а) с=
- скорость света.
- Световая волна – поперечная волна и является частным случаем электромагнитной волны:
⊥
; 
⊥ 
- Плоскость колебаний – плоскость, в которой колеблется вектор напряженности электрического поля, т.е. плоскость, которая параллельна оптической оси кристалла.
- Плоскость поляризации – плоскость, в которой совершает колебания вектор индукции магнитного поля.
- Линейно-поляризованная световая волна – волна, в которой колебания векторов напряженности электрического поля
и вектора магнитной индукции В будут происходить в строго определенных направлениях. - Световой вектор – вектор напряженности электрического поля
, применяемый для описания световой волны, т.к. световые ощущения в органах зрения вызывает преимущественно электрическая составляющая электромагнитной волны. - Поляризация света – выделение из естественного света световых колебаний с определенным направлением электрического вектора.
- Поляризатор – устройство, выделяющее одно из всех направлений колебаний вектора
. - Анализатор – устройство, позволяющее выяснить какова плоскость колебаний света.
- Поляризатор и анализатор – поляроиды- взаимозаменяемы, т.к. их разница заключается в функциях:
- поляризатор выделяет из естественного света пучок с одним направлением колебаний вектора
, а анализатор определяет, каково направление колебаний. - Поляроид – прозрачная пленка, которая может служить поляризатором и анализатором света.
Для лучшего понимания проведем аналогию колебаний световой волны с механическими колебаниями.
Опыт. Если резиновый шнур присоединить к ротору генератора электродвигателя, то шнур будет колебаться во всех направлениях, подобно колебанию вектора напряженности 
. На пути шнура поставим вертикальную щель.
Что наблюдаем?
Ученик: Пройдут только те колебания, направления которых вертикальны и параллельны щели.
Поляризация света наблюдается при явлениях отражениях и преломлениях, т.е. при падении световой волны на границу раздела сред. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения, а в преломленном – параллельные плоскости падения.
Если световая волна распространяется в однородной среде, то поляризации света не происходит. Свет частично поляризуется при отражении от поверхности диэлектрика.
У световой волны, проходящей через растворы сахара, глюкозы, ряда кислот наблюдается поворот плоскости поляризации. Угол поворота пропорционален концентрации вещества в растворе. Такие растворы являются оптически активными. Степень оптической активности у разных веществ различна. Для измерения угла поворота применяют поляриметры. Для всех активных веществ угол поворота плоскости колебаний пропорционален толщине слоя и концентрации раствора.
Запись в тетради:
Оптически активные вещества: сахар, глюкоза, некоторые кислоты.
Угол поворота плоскости колебаний: 
,
К – удельное вращение;
с – концентрация,
l – толщина слоя.
Поляриметр – прибор для измерения угла поворота плоскости поляризации в оптически активных веществах.
Применение поляризации.
Использование поляриметров:
- в пищевой промышленности для определения концентрации раствора, сахара (сахариметры), белков, различных органических кислот;
- в медицине для определения концентрации сахара в крови по углу поворота плоскости поляризации;
Использование поляроидов:
- при оформление витрин, театральных декораций;
- при фотографировании для устранения бликов при помощи поляризационных фильтров;
- в геофизике – при изучении свойств облаков при определении характеристик поляризации света, рассеянного облаками.
- В космических исследованиях – при фотографировании туманностей в поляризованном свете исследуют структуру магнитных полей.
- В автотранспорте – для защиты водителей от слепящего действия фар встречных автомашин.
- В машиностроении использование фотоупругого метода – изучение напряжений, возникающих в деталях машин.
Краткие итоги подводим, отвечая на вопросы (слайд)
- Какое свойство световых волн доказано с помощью явления поляризации?
- Что называют поляризацией?
- Что представляет излучение отдельного атома?
- Что представляет собой естественный свет?
- Почему явление поляризации света доказывает, что свет является частным случаем электромагнитной волны?
- Свет, отраженный от поверхности воды, частично поляризован. Как убедиться в этом, применяя поляроид?
Заключение.
Учитель: С каким свойством световых волн вы познакомились на уроке?
На уроке мы познакомились со свойством световых волн –поляризацией. Поляризация световых волн при прохождении света через анизотропные среды – кристаллы экспериментально доказывает поперечность световых волн.
Световая волна, в которой колебания светового вектора происходят в определенной плоскости, называется поляризованной. Свет, создаваемый естественным источником, не поляризован.
Литература:
- Н.М. Годжаев «Оптика», – Москва: «Высшая школа», 1977.
- Мякишев, А.З. Синяков, Б.А. Слободсков. Физика, Оптика, – Москва: «Высшая школа», 2003.
- А.А. Пинский Физика, 11 кл., – Москва: «Просвещение», 2002.