Использование цифровой лаборатории Relab при изучении темы «Поляризация света» в курсе физики 11-го класса

Среди многих физических опытов большой интерес представляют опыты с поляризованным светом. Испускаемый любым источником естественный свет - электрической лампой, свечей, Солнцем - не поляризован, то есть он состоит из колебаний, направление которых, оставаясь перпендикулярными направлению распространения волны, быстро и беспорядочно меняется.

В настоящее время явление поляризации света и особенности взаимодействия поляризованного света с веществом нашли широкое применение в научных исследованиях кристаллохимической и магнитной структуры твердых тел, оптических свойств кристаллов, природы состояний, ответственных за оптические переходы, для получения информации о труднодоступных объектах, в частности, в астрофизике. Поляризованный свет широко используется во многих областях техники, например, при необходимости плавной регулировки интенсивности светового пучка при исследованиях напряжений в прозрачных средах, для увеличения контраста и ликвидации световых бликов в фотографии, при создании светофильтров и модуляторов излучения [1].

Интерес к данному явлению обусловлен возможностями эффективного применения в ряде отраслей производственной деятельности. Внедрение поляризационных материалов в нашу жизнь означает экономическую эффективность, простоту, удобство. Таким образом, предметом исследовательского интереса является практическое применение явления поляризации.

Свет есть поперечная электромагнитная волна, в которой векторы напряженности электрического поля и магнитной индукции взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Именно с этой особенностью связаны явления поляризации света [3].

Слово «поляризация» означает, что колебания происходят в каком-нибудь одном направлении.

Понятие «поляризация» света было введено в 1803 году Малюсом при исследовании отражения света от поверхности стекла. Преобразование состояния поляризации света при распространении в кристаллах впервые наблюдалось Бартолинусом в 1640 году, когда было обнаружено двойное лучепреломление в исландском шпате. Для описания состояния поляризации света в настоящее время используются матричные формализмы Джонса и Мюллера, а также сфера Пуанкаре [1]. Возрождение интереса к поляризационной оптике в настоящее время связано с бурным развитием фундаментальных и прикладных исследований в оптике и квантовой электронике. К этому периоду относится разработка Джонсоном матричного метода для описания состояния поляризованного света. Результатом этого всплеска стало создание оптического метода исследования тонких пленок и поверхности твердого тела - эллипсометрии. К фундаментальным результатам можно отнести обнаруженное в 1991 году влияние состояния поляризации света на процесс его распространения - оптический эффект Магнуса [2].

Существует линейно-поляризованный свет, в котором вектор напряжённости Е имеет одно единственное направление колебаний, эллиптически-поляризованный, в котором вектор Е описывает эллипс (в частном случае, когда вектор Е описывает окружность, свет называют циркулярно-поляризованным). Частично поляризованным называется свет, в котором есть преимущественное, но не единственное направление колебаний вектора Е. Частично поляризованный свет можно рассматривать как смесь естественного с линейно поляризованным.

Для получения поляризованного света и его обнаружения существуют специальные физические приборы, называемые в первом случае поляризаторами, а во втором анализаторами. Обычно они устроены одинаково.

Получение поляризованного света может осуществляться следующими способами:

• путём отражения от диэлектриков. Степень поляризации зависит от угла падения лучей и показателя преломления;
• при пропускании света сквозь анизотропную среду. Все прозрачные кристаллы (кроме кристаллов кубической системы, которые оптически изотропны) обладают способностью двойного лучепреломления, то есть раздваивания каждого падающего на них светового пучка. Если на толстый кристалл исландского шпата направить узкий пучок света, то из кристалла выйдут два пространственно разделенных луча, параллельных друг другу и падающему лучу.
• с помощью поляризаторов. Типичным представителем поляризационных призм является призма, называемая часто ни́колем. Любое устройство с цветным жидкокристаллическим экраном - монитор, ноутбук, телевизор, DVD-плеер можно использовать в качестве поляризатора.

Поляризованный свет используется в науке, в технике, в быту, именно поэтому его изучение актуально в наше время. Очень популярен фотоупругий анализ: архитекторы, конструкторы, разрабатывая проекты новых деталей, сооружений, машин, должны знать, как распределится в них нагрузка, в какой из части она будет наибольшей. С этой целью изготовляется точная модель детали из целлулоида и просматривается в поляризованном свете. Подвергая модель различным нагрузкам, мы ясно увидим на целлулоиде все узлы напряжений и легко можем определить, где нужно усилить конструкцию или, наоборот, облегчить [1].

Геологи, исследуя в поляризованном свете различные минералы и изделия, могут отличать природные от искусственных, поддельные от настоящих. Фотографы могут уничтожить мешающие им блики от стекла, полированных поверхностей, воды, надевая на объектив поляризационный фильтр. Водителям автомашин в ночное время очень мешают вести машину слепящие фары встречных машин, но водитель избавляется от этих помех, надев поляризационные очки.

Рассмотрим опыты, доказывающие изменение интенсивности света в зависимости от угла между осями поляризатора и анализатора; вращение плоскости поляризации в растворах сахара с использованием датчика освещённости цифровой лаборатории Relab.

Тема исследования: «Изучение поляризации света с использованием цифровой лаборатории Relab».

Объект исследования: свет.

Предмет исследования: поляризация света.

Цель исследования: определение освещённости при прохождении света через поляроиды и при распространении света в жидкостях с использованием датчика освещённости цифровой лаборатории Relab.

Задачи исследования:

• изучение, анализ, обобщение литературы по проблеме;
• наблюдение и изменение интенсивности света в зависимости от угла между осями поляризатора и анализатора с помощью датчика освещённости;
• наблюдение за вращением плоскости поляризации в растворах сахара;
• обработка и анализ полученных материалов.

Список использованного оборудования, представлен в таблице1.

Таблица 1. Оборудование, используемое в ходе исследования

№	Название приборов и материалов	Количество
1	Мультидатчик Point ФИЗ-1 (с датчиком освещённости)	1
2	USB кабель	1
3	Ноутбук Lenovo	1
4	Линейка	1
5	Штатив с муфтой	1
6	Лапка штатива	4
7	Прозрачная лампа накаливания мощностью 60 Вт	1
8	Поляроид (кристалл турмалина)	2
9	Удлинитель	1
10	Фотоаппарат цифровой	1

Порядок проведения эксперимента:

1. Определение освещённости при прохождении света через поляроиды.

• В одной лапке штатива закрепить электрическую лампу мощностью 60 Вт на высоте 45 см над поверхностью стола.
• Под лампой в других лапках штатива закрепить параллельно друг другу два поляроида на расстоянии 10 см друг от друга так, чтобы их плоскости пропускания совпадали, то есть освещённость была максимальной.
• На расстоянии 10 см от нижнего поляроида в лапке штатива установить мультидатчик Point ФИЗ-1 с датчиком освещённости, подключенный к USB разъёму ноутбука Lenovo.
• Включить лампу и запустить программу измерений Relab Lite. Запустить сбор данных кнопкой «Пуск» и измерить уровень освещённости под нижним поляроидом (рис.1).

Измерение уровня освещённости при совпадении плоскостей пропускания поляроидов

• Нижний поляроид повернуть по часовой стрелке на 300, 600, 900 и вновь измерить уровень освещённости под ним (рис.2, рис. 3).
• Полученные результаты подвергнуть анализу.

2. Определение освещённости при распространении света в жидкостях.

• Два поляроида закрепить в лапках штатива на расстоянии 15 см друг от друга так, чтобы их плоскости пропускания были перпендикулярны, то есть освещённость была минимальной.
• Под нижним поляроидом на расстоянии 5 см в лапке штатива закрепить электрическую лампу мощностью 60 Вт.
• На расстоянии 10 см над верхним поляроидом в лапке штатива закрепить датчик освещённости, подключенный к USB разъёму ноутбука Lenovo (рис. 4).

• На нижний поляроид поочерёдно поставить стаканы с жидкостями объёмом 200 мл разной плотности: пресной водой плотностью 1000 кг/м3, раствором сахара плотностью 1190 кг/м³, раствором сахара плотностью 1220 кг/м³.
• В каждом случае включить лампу и запустить программу измерений Relab Lite. Запустить сбор данных кнопкой «Пуск», измерить уровень освещённости над верхним поляроидом (рис. 5).
• Полученные результаты подвергнуть анализу.

Обобщаются результаты эксперимента:

Во-первых, наибольший уровень освещённости наблюдается при совпадении осей симметрии двух поляроидов, так как световые лучи от лампы проходят через оба поляроида (рис. 6, табл. 2, рис. 7). При повороте нижнего поляроида смещается положение его оси симметрии относительно верхнего поляроида и уровень освещённости падает, что доказывает поперечность световой волны. Верхний поляроид преобразует свет лампы в плоскополяризованный и играет роль поляризатора. Нижний поляроид позволяет определить плоскость поляризации верхнего поляроида, и играет роль анализатора.

Естественные поляроиды кристаллы турмалина позволили выделять линейно поляризованный свет из естественного света. Их действие основано на поляризации света при его отражении или преломлении на границе раздела двух сред.

Таблица 2. Зависимость уровня освещённости от угла между осями симметрии поляризаторов

Во-вторых, пресная вода не оказывает влияние на ориентацию плоскости поляризации световой волны, так как уровень освещённости практически не изменяется. Поэтому пресная вода не является оптически активным веществом. При прохождении плоскополяризованного света через раствор сахара излучение частично проходит через второй поляризатор, и уровень освещённости возрастает, следовательно, раствор сахара вращает плоскость поляризации световой волны. Поэтому раствор сахара является оптически активным веществом. При увеличении плотности раствора сахара уровень освещённости возрастает (рис. 8, табл. 3).

Вращение плоскости поляризации растворами сахара обусловлено взаимодействием электромагнитной волны с асимметричными молекулами растворенного оптически активного вещества. Такие молекулы не обладают зеркальной симметрией, то есть при их отражении в зеркале получается иная форма. Левая молекула является зеркальным отображением правой. Молекулы с одинаковой химической формулой, но разной структурой поворачивают плоскость поляризации в разных направлениях.

Таблица 3. Зависимость уровня освещённости от рода жидкости

Практическая значимость работы состоит в том, что использование данного подхода позволит существенно сократить время на организацию и проведение работ, повысить точность и наглядность экспериментов, быстро обработать и проанализировать полученные данные при изучении темы «Поляризация света» на уроках физики в 11 классе.

Работа в выбранном направлении может быть продолжена изучением вопроса поляризации света при его отражении от диэлектрика.

Список литературы

1. Наука и жизнь. В мире поляризованного света http://www.nkj.ru/archive/articles/13930/.
2. Общая физика. Оптика. Ч. 4 Оптика: лаборат. практикум /Н. Ю. Бачева; под общ. ред. Т.А.Герцен. - Пермь: Издательство Перм. ГОм. Техн. ун-та, 2006. - 62 с.
3. Физика. Оптика. Квантовая физика. 11 кл. Профильный уровень: учеб. Для общеобразоват. Учреждений / Г.Я.Мякишев, Ф.З.Синяков. - 10-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2012.- 462 с.