Polaryzacja światła przy odbiciu., Schematy z Fizyka

Pobierz Polaryzacja światła przy odbiciu. i więcej Schematy w PDF z Fizyka tylko na Docsity!

Polaryzacja światła przy odbiciu.

Wprowadzenie Przeczytaj Animacja 3D Sprawdź się Dla nauczyciela

Czy to nie ciekawe?

W życiu codziennym stale obserwujemy przechodzenie światła przez szyby. Widzimy wtedy, że zwykle światło jednocześnie i wnika do wnętrza szkła, i odbija się od jego powierzchni. Okazuje się jednak, że przy odpowiednim doborze źródła światła i kąta jego padania światło może w ogóle się nie odbić. Decyduje o tym polaryzacja fali światła. W tym e‐materiale poznasz szczegóły tego zjawiska.

Twoje cele

dowiesz się, czym jest polaryzacja fali, poznasz różnicę pomiędzy falą spolaryzowaną a niespolaryzowaną, zrozumiesz, w jaki sposób kąt padania wpływa na odbicie światła, wykorzystasz zdobytą wiedzę do rozwiązania problemów i zadań.

0758 Polaryzacja światła przy odbiciu.

Rys. 2. Fala niespolaryzowana.

Współczynnik załamania

Przypomnijmy: współczynnikiem załamania światła nazywamy stosunek prędkości światła w próżni c do prędkości światła w ośrodku v:

Z dobrą dokładnością można przyjąć, że prędkość światła w powietrzu jest równa prędkości światła w próżni.

Światło spolaryzowane padające na powierzchnię

Przypuśćmy, że promień światła spolaryzowanego pada na powierzchnię dwóch ośrodków pod kątem α ≠ 0⁰. Płaszczyznę zawierającą promień padający oraz normalną nazywamy płaszczyzną padania. Na Rysunku 3. jest ona zaznaczona kolorem niebieskim.

Kiedy rozpatrujemy padanie światła spolaryzowanego na powierzchnię, wówczas musimy wyróżnić dwa podstawowe przypadki. Przedstawiono je na Rys. 3. W obu przypadkach promień światła porusza się nad prostą x:

a. pole elektryczne (czerwone wektory) fali elektromagnetycznej jest prostopadłe do płaszczyzny padania (niebieska płaszczyzna),

b. pole elektryczne harmonicznej fali elektromagnetycznej jest równoległe do płaszczyzny padania (czerwone wektory leżą na niebieskiej płaszczyźnie). Wtedy pole to tworzy kąt z granicą ośrodków. Kąt ten również leży na płaszczyźnie padania (niebieskiej płaszczyźnie).

n = υ^ c.

E^ →

E^ →

α

Rys. 3. Fala padająca na powierzchnię.

Zbadano jak w tych sytuacjach zależy wartość pola elektrycznego światła odbitego od kąta padania dla substancji o współczynniku załamania n. Rys. 4. przedstawia stosunek wartości amplitudy pola elektrycznego światła odbitego do amplitudy światła padającego E przy przechodzeniu światła z powietrza do ośrodka o współczynniku załamania n = 1, w zależności od kąta padania. Takim materiałem jest na przykład szkło.

Rys. 4. Stosunek wartości amplitudy pola elektrycznego światła odbitego do amplitudy światła padającego w zależności od kąta padania.

0

obserwuje się kolejne pojawianie się najsilniejszego odbicia (kiedy pole elektryczne odpowiada Rys. 3a.) i jego zanik (kiedy pole elektryczne odpowiada Rys. 3b.).

Całkowita polaryzacja przy odbiciu

Zastanówmy się jeszcze nad tym co będzie się działo, jeżeli na szybę pod kątem Brewstera padnie światło niespolaryzowane, na przykład ze zwykłej żarówki. Taką falę można rozłożyć na dwie fale spolaryzowane o prostopadłych kierunkach pola elektrycznego, jedną typu (a), drugą typu (b).

Każdą falę można rozłożyć na dwie fale spolaryzowane o dowolnie wybranych prostopadłych do siebie kierunkach pola elektrycznego. Wynika to z prostego faktu: każdy wektor na płaszczyźnie można przedstawić jako sumę dwóch wektorów do siebie prostopadłych (Rys. 6.). Dotyczy to zarówno fali spolaryzowanej, jak i fali niespolaryzowanej.

Rys. 6. Rozkładanie wektora pola elektrycznego na dwa prostopadłe do siebie kierunki.

W przypadku fali niespolaryzowanej, gdy ją rozłożymy na składowe okazuje się, że fala (a) częściowo się odbije (niebieska krzywa na Rys. 4.), a fala (b) wcale się nie odbije, tylko cała wniknie do szkła (czerwona krzywa na Rys. 4.). Zatem światło odbite będzie zawierać tylko jedną składową, czyli będzie całkowicie spolaryzowane , z kierunkiem pola elektrycznego jak na Rys. 1a.

Doświadczenie 2

Polaryzator jest urządzeniem przepuszczającym światło o konkretnej polaryzacji.

Do doświadczenia potrzebna jest szyba, zwykła lampa i polaryzator (na przykład okulary polaryzacyjne dla wędkarzy). Układ eksperymentalny przedstawiony jest na Rys. 7. Kąt padania światła na szybę powinien wynosić około 56⁰ - jest to wartość kąta Brewstera dla szkła.

Rys. 7. Rysunek przedstawiający drugie doświadczenie.

Podczas obracania polaryzatorem widzieć będziemy na przemian silne odbicie i całkowity zanik natężenia światła odbitego. Wykres natężenia światła w zależności od kąta, o jaki obrócimy polaryzator, przedstawiono na Rys. 8.

Rys. 8. Wykres natężenia światła w funkcji kąta, pod jakim ustawiony jest polaryzator.

I

Z prawa załamania wynika, że

przy czym to względny współczynnik załamania ( , gdzie i to

bezwzględne współczynniki załamania ośrodków; w naszym przypadku ośrodek 2 to ten, w którym leży promień załamany). Ponieważ dla kąta Brewstera mamy

to

i ostatecznie

Fala spolaryzowana

( ang.: polarised wave) – fala, której pole elektryczne drga wzdłuż jednej płaszczyzny.

sin αB

sin β =^ n,

n n = n n^21 n 1 n 2

αB + 90∘^ + β = 180∘,

sin αB

sin β =^

sin αB

sin(90∘−αB) =^

sin αB

cos αB =^ n

tg αB = n.

Animacja 3D

Polaryzacja światła przy odbiciu

Na animacji poniżej możesz zaobserwować falę elektromagnetyczną niespolaryzowaną, która uderza w pewną powierzchnię pod kątem Brewstera. Niebieskie linie są to kierunki biegu fali, natomiast bordowe – wartości pola elektrycznego. Dla uproszczenia symulacji pominięto część fali, która dostaje się pod powierzchnię. Część fali, która jest odbita, jest już spolaryzowana.

Polecenie 1

W jakiej płaszczyźnie będzie drgać pole magnetyczne fali odbitej?

Ćwiczenie 3

Wybierz poprawne odpowiedzi na pytania.

Prędkość światła w próżni wynosi 300 000 km/s, zaś prędkość światła w etanolu 220 000 km/s.

Ćwiczenie 4

Zaznacz poprawne stwierdzenia w zdaniu.

Pole magnetyczne fali elektromagnetycznej niespolaryzowanej w wyniku odbicia światła od granicy dwóch ośrodków {nie zmienia się} / {#ulega polaryzacji} ponieważ {jest polem niezależnym od pola elektrycznego} / {#jest zawsze prostopadłe do pola elektrycznego, które ulega polaryzacji}.

1. Jaki jest współczynnik załamania światła n dla etanolu?

2. Ile wynosi dla niego kąt Brewstera (zakładamy, że pierwszym ośrodkiem jest próżnia)?

Ćwiczenie 5

Ćwiczenie 6

Ćwiczenie 7

Uzupełnij poprawnie poniższe zdania.

Światło odbite od powierzchni ośrodka jest całkowicie spolaryzowane, jeżeli źródło światła wysyła falę świetlną do normalnej. Światło odbite jest zaś częściowo spolaryzowane, jeżeli źródło światła wysyła falę świetlną do normalnej.

pod dowolnym kątem różnym od kąta Brewstera, 0 o^ oraz 90o^ prostopadłą

pod jednym z kątów: kątem Brewstera, 0 o^ lub 90o^ pod kątem 0 o

pod kątem Brewstera

Pod jakim kątem nad horyzontem znajduje się Słońce, jeżeli promienienie odbite od tafli jeziora są całkowicie spolaryzowane? Współczynnik załamania światła dla wody n = 1,33. Wynik w stopniach zaokrąglij do dwóch cyfr znaczących.

Odpowiedź: Słońce znajduje się stopni nad horyzontem.

Hubert za pomocą polaryzatora zbadał, że gdy światło z jego żarówki pada na szybę pod kątem α = 60°, to światło odbite od niej jest całkowicie spolaryzowane. Oblicz prędkość światła w materiale, z którego jest zrobiona jego szyba. Wynik podaj z dokładnością do trzech cyfr znaczących. Przyjmij prędkość światła równą 3·10 m/s.

Odpowiedź:

Prędkość światła w tym materiale wynosi ·10 m/s.

8

8

Dla nauczyciela

Scenariusz lekcji:

Imię i nazwisko autora: Józef Ginter

Przedmiot: Fizyka Temat zajęć: Polaryzacja światła Grupa docelowa: III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres rozszerzony

Podstawa programowa

Cele kształcenia – wymagania ogólne I. Wykorzystanie pojęć i wielkości fizycznych do opisu zjawisk oraz wskazywanie ich przykładów w otaczającej rzeczywistości. II. Rozwiązywanie problemów z wykorzystaniem praw i zależności fizycznych.

Zakres rozszerzony Treści nauczania – wymagania szczegółowe I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:

2. posługuje się materiałami pomocniczymi, w tym tablicami fizycznymi i chemicznymi oraz kartą wybranych wzorów i stałych fizykochemicznych;
3. przeprowadza obliczenia liczbowe posługując się kalkulatorem;
4. przeprowadza wybrane obserwacje, pomiary i doświadczenia korzystając z ich opisów; planuje i modyfikuje ich przebieg; formułuje hipotezę i prezentuje kroki niezbędne do jej weryfikacji;
5. wyodrębnia zjawisko z kontekstu, nazywa je oraz wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla jego przebiegu. X. Fale i optyka. Uczeń:
6. rozróżnia fale poprzeczne i podłużne; opisuje światło jako falę elektromagnetyczną poprzeczną; rozróżnia światło spolaryzowane i niespolaryzowane;
7. opisuje jakościowo zjawisko polaryzacji światła przy odbiciu.

Kształtowane kompetencje kluczowe:

Zalecenia Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2018 r.

kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji, kompetencje cyfrowe, kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii, kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się.

Cele operacyjne:

Uczeń:

1. opisuje, na czym polega polaryzacja fali,
2. wymienia różnice pomiędzy falą spolaryzowaną a niespolaryzowaną,
3. tłumaczy, w jaki sposób kąt padania wpływa na odbicie światła,
4. wyznacza kąt Brewstera i współczynnik załamania danego ośrodka.

Strategie nauczania

strategia eksperymentalno‐obserwacyjna - dostrzeganie i definiowanie problemów oraz odkrywanie rzeczywistości poprzez eksperymenty

Metody nauczania pogadanka, wykład informacyjny

Formy zajęć: praca w parach, praca indywidualna

Środki dydaktyczne: szklane płytki, telefony komórkowe, karty pracy z instrukcją wykonania doświadczenia

Materiały pomocnicze: e‐materiał „Polaryzacja światła”

PRZEBIEG LEKCJI

Faza wprowadzająca:

Nauczyciel pyta uczniów, czy przeglądali się kiedyś w szybie lub oglądali odbicie jakiegoś przedmiotu w szybie. Zadaje kolejne pytanie: od czego zależy, czy dany przedmiot odbija się w szybie? Uczniowie odpowiadają na podstawie swojego doświadczenia oraz intuicji a nauczyciel, w razie potrzeby, stara się ich naprowadzić na takie pojęcia, jak kąt padania i kąt odbicia.

Faza realizacyjna: