Закон брюстера кратко и понятно

Обновлено: 04.07.2024

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными ориентациями колебаний светового вектора Е . Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора Е (и, следовательно, Н) называется естественным (а).

Направления колебаний вектора Е в световом луче

Если появляется преимущественное направление колебаний вектора Е (б), то имеем дело с частично поляризованным светом. Свет, в котором вектор Е (и, следовательно, Н) колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу, называется плоскополяризованным (линейно поляризованным).

Устройства, позволяющие выделять линейно поляризованный свет из естественного или частично поляризованного света, называются поляризаторами .

Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлектриков (например, воздуха и стекла), то часть его отражается, а часть преломляется и распространяется во второй среде.

Исследования показали, что в отраженном луче преобладают колебания s-типа , перпендикулярные плоскости падения (на рисунке они обозначены точками), в преломленном – колебания р-типа , параллельные плоскости падения (изображены стрелками).

Поляризация света при отражении и преломлении на границе воздух – стекло.

Степень поляризации (степень выделения световых волн с определенной ориентацией электрического (и магнитного) вектора зависит от угла падения лучей и показателя преломления. Шотландский физик Д. Брюстер (1781-1868) установил закон, согласно которому при угле падения iB (угол Брюстера), определяемого соотношением

(n₂₁ - показатель преломления второй среды относительно первой).

Если свет падает на границу раздела под углом Брюстера, то отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны.

Поляризация света при угле падения iB (угол Брюстера)

Если свет падает на границу раздела (например, воздуха и стекла), под углом Брюстера, то

Закон Брюстера справедлив при отражении от диэлектриков и неприменим при отражении от проводников.

"Элементарная Физика" на YouTube - интересные факты, законы физики, примеры решения задач в доступной и увлекательной форме.

Поляризация света возникает, когда свет отражается и преломляется на границе двух изотропных диэлектриков. Малюс был первым, кто обнаружил, что поляризованные волны могут создаваться таким образом. В его опытах по вращению кристалла вокруг луча, отраженного от стекла, было доказано, что интенсивность света периодически меняется. Он сравнил отражение света от стекла с прохождением светового луча через турмалин. Полного угасания света при этом отмечено не было: он только ослабевал, а затем его интенсивность усиливалась.

Наш опыт поляризации света показывает его минимальную интенсивность при параллельном расположении плоскости, проходящей через ось турмалиновой пластики, относительно плоскости падения света на зеркало. Максимальная интенсивность достигается тогда, когда угол поворота пластинки составляет 90 градусов. В таком эксперименте мы можем получить лишь частичную поляризацию волн, т.е. отраженный луч будет смесью поляризованного света с естественным.

Закон Брюстера

Если мы изменим угол наклона зеркала по отношению к лучу, то убедимся, что объем доли поляризованного света будет определяться углом падения α : чем больше угол, тем больше доля поляризованного света. При определенном значении угла можно достичь полной поляризации. Величина данного угла при этом определяется таким показателем, как относительное преломление диэлектрика. В 1815 г. Брюстер установил следующий закон:

Здесь α b – так называемый угол Брюстера, отраженный луч имеет плоскую поляризацию, а параметр n 12 является показателем преломления во второй среде относительно первой.

При дальнейшем увеличении угла падения волны можно заметить уменьшение поляризации света. Если же волна падает под углом полной поляризации, то преломленный и отраженный лучи сформируют прямой угол.

Экспериментальные данные подтверждают наличие колебательных движений электрического вектора в отраженном поляризованном свете, которые совершаются перпендикулярно основной плоскости падения луча. Если поляризация света при отражении и преломлении неполная, то это направление колебаний будет преимущественным.

Анализ преломленного света показывает наличие в нем частичной поляризации. Выраженное направление колебательных движений при этом будет располагаться в плоскости падения. При соединении отраженного и преломленного света получится так называемый первичный неполяризованный свет, из чего следует, что прозрачная пластина из диэлектрического материала совершает сортировку лучей, отражая преимущественно лучи с одним направлением колебаний и пропуская перпендикулярно направленные.

Достижение максимальной поляризации

Размеры доли поляризованного света в преломленном потоке будут зависеть от показателя преломления вещества, а также от того, под каким углом падает свет. Если он падает под углом Брюстера, то мы получим максимальную, а не полную поляризацию. Возможно дальнейшее повышение поляризации преломленных лучей при условии создания возможности их дополнительного преломления. Например, если свет падает на 8 - 10 пластинок (т.н. стопу Столетова) под углом Брюстера, то мы увидим полную поляризацию отраженного и преломленного пучков света. Интенсивность обоих пучков будет равна друг другу и будет составлять 0 , 5 интенсивности падающего света (если нет поглощения). Световые векторы в отраженном и преломленном пучках будут направлены перпендикулярно по отношению друг к другу.

Условие: докажите перпендикулярность отраженного и преломленного пучка света по отношению друг к другу при падении пучка света на границу двух веществ под углом Брюстера.

Решение

Для доказательства нам потребуется основная формулировка закона Брюстера t g a b = n 12 , а также закон преломления sin ( a b ) sin γ = n 12 .

Поскольку мы знаем, что:

t g ( a b ) = sin ( a b ) cos ( a b ) .

Сравнение двух ранее выведенных формул показывает, что:

t g ( a b ) = sin ( a b ) cos ( a b ) = sin ( a b ) sin γ .

Также очевидно следующее:

cos ( a b ) = sin ( γ ) ; a b + γ = π 2

Согласно закону отражения, можно записать:

Подставим полученное значение:

Ответ: Из β + γ = π 2 следует, что между отраженным и преломленным лучом в данном случае угол 90 ° . Это нам и требовалось доказать.

Условие: определите угол к горизонту для Солнца, при котором его лучи, отражающиеся от поверхности воды, будут иметь максимальную поляризованность. Показатель преломления в воде взять равным 1 , 33 .

Решение

Задача также основана на применении закона Брюстера. Округлим показатель преломления до единицы и запишем:

Из уравнения выразим угол падения, при котором лучи будут иметь наибольшую поляризацию:

a b = a r c t g ( n ) .

В таком случае угол к горизонту, под которым должно быть Солнце для максимальной поляризации отраженных лучей, будет равен:

Наиболее просто поляризационный свет можно получить из естественного света при отражении световой волны от границы раздела двух диэлектриков.

Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлектриков (например, воздух-стекло), то часть его отражается, а часть преломляется и распространяется во второй среде.

Закон Брюстера:

При угле падения, равном углу Брюстера і_Б_р: 1. отраженный от границы раздела двух диэлектриков луч будет полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения; 2. Степень поляризации преломленного луча достигает максимального значения меньшего единицы; 3. Преломленный луч будет поляризован частично в плоскости падения; 4. Угол между отраженным и преломленным лучами будет равен 90°; 4. Тангенс угла Брюстера равен относительному показателю преломления

n₁₂ - показатель преломления второй среды относительно первой. Угол падения (отражения) - угол между падающим (отраженным) лучом и нормалью к поверхности. Плоскость падения - плоскость, проходящая через падающий луч и нормаль к поверхности.

Поляризованный свет можно получить из естественного с помощью поляризаторов - анизотропных кристаллов, пропускающих свет только в одном направлении (исландский шпат, кварц, турмалин).

Поляризатор, анализирующий в какой плоскости поляризован свет, называется анализатором.

Если на анализатор падает плоско поляризованный свет амплитудой Е₀ и интенсивности I₀ ( ), плоскость поляризации которого составляет угол φ с плоскостью анализатора, то падающее электромагнитное колебание можно разложить на два колебания; с амплитудами и , параллельное и перпендикулярное плоскости анализатора.

Сквозь анализатор пройдет составляющая параллельная плоскости анализатора, то есть составляющая , а перпендикулярная составлявшая будет задержана анализатором. Тогда интенсивность прошедшего через анализатор света будет равна ( ):

- закон Малюса

Закон Малюса: Интенсивность света, прошедшего через поляризатор, прямо пропорциональна произведению интенсивности падающего плоско поляризованного света I₀ и квадрату косинуса угла между плоскостью падающего света и плоскостью поляризатора.

Если на поляризатор падает естественный свет, то интенсивность вышедшего из поляризатора света I₀ равна половине I_ест, и тогда из анализатора выйдет

Поляризация света при отражении и преломлении

Поляризованный свет можно получить, используя отражение или преломление света от диэлектрических изотропных сред (например, от стекла). Если угол падения света на границу раздела двух диэлектриков отличен от нуля, отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения (на рис. 5.9 эти колебания обозначены точками), в преломленном луче – колебания, параллельные плоскости падения (на рис. 5.9 они изображены двусторонними стрелками).

Степень поляризации того и другого луча зависит от угла падения луча. У каждой пары прозрачных сред существует такой угол падения, при котором отраженный свет становится полностью плоскополяризованным, а преломленный луч остается частично поляризованным, но степень его поляризации при этом угле максимальна (рис. 5.10). Этот угол называется углом Бpюстеpа. Угол Брюстера определяется из условия

где – относительный показатель преломления двух сред. Можно показать, что при падении волны под углом Брюстера отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны.

Таким образом, пластинка диэлектрика сортирует лучи естественного света, отражая преимущественно лучи с одним направлением колебаний и пропуская перпендикулярные колебания.

Рис. 5.11а

Рис. 5.11б

Закон Брюстера может быть использован для изготовления поляризатора. В этом случае используют не отраженный, а преломленный луч, хотя он и не полностью поляризован. Чтобы получить высокую степень поляризации преломленного луча, его пропускают через стопу стеклянных пластинок: после прохождения каждой следующей пластинки стопы степень поляризации преломленного луча увеличивается. При достаточно большом числе пластинок проходящий через эту систему свет будет практически полностью плоскополяризованным, а интенсивность прошедшего света в отсутствие поглощения будет равна половине интенсивности падающего на стопу естественного света.

Основными источниками поляризованного света в окружающей нас среде являются такие яркие горизонтальные поверхности как водная гладь, мокрый асфальт (рис. 5.11а), снег, лед (рис. 5.11б), стеклянные поверхности (рис. 5.11в). По характеру воздействия на глаз или фотоплёнку плоскополяризованный свет ничем не отличается от неполяризованного.

Рис. 5.11в

Этот свет создает оптические помехи, приводит к ухудшению видимости при рыбной ловле, вождении автомобиля.

Рис. 5.11г

Блики могут неожиданно возникнуть на дороге, заставая водителей врасплох, особенно на мокрой дороге весной или осенью, когда солнце находится низко над горизонтом (рис. 5.11г).

Закон Брюстера:

Поляризатор, анализирующий в какой плоскости поляризован свет, называется анализатором.

- закон Малюса

Поляризация света при отражении и преломлении

Рис. 5.11а

Рис. 5.11б

Рис. 5.11в

Этот свет создает оптические помехи, приводит к ухудшению видимости при рыбной ловле, вождении автомобиля.

Рис. 5.11г

Закон Брюстера — закон оптики, выражающий связь показателя преломления диэлектрика с таким углом падения света, при котором свет, отражённый от границы раздела, будет полностью поляризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. При этом преломлённый луч частично поляризуется в плоскости падения, причём поляризация преломленного луча достигает наибольшего значения. Легко установить, что в этом случае отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны. Соответствующий угол называется углом Брюстера [1] .

Это явление оптики названо по имени шотландского физика Дэвида Брюстера, открывшего его в 1815 году.

Закон Брюстера записывается в виде:

$\operatorname<tg></p> <p>\left( _> \right)=_>,$

где _>" width="" height="" />
— показатель преломления второй среды относительно первой, а _>" width="" height="" />
— угол падения (угол Брюстера).

При отражении от одной пластинки под углом Брюстера интенсивность линейно поляризованного света очень мала (около 4 % от интенсивности падающего луча). Поэтому для того, чтобы увеличить интенсивность отраженного света (или поляризовать свет, прошедший в стекло, в плоскости, параллельной плоскости падения) применяют несколько скрепленных пластинок, сложенных в стопу — стопу Столетова. Легко проследить по чертежу происходящее. Пусть на верхнюю часть стопы падает луч света. От первой пластины будет отражаться полностью поляризованный луч (около 4 % первоначальной интенсивности), от второй пластины также отразится полностью поляризованный луч (около 3,75 % первоначальной интенсивности) и так далее. При этом луч, выходящий из стопы снизу, будет все больше поляризоваться в плоскости, параллельной плоскости падения, по мере добавления пластин.

Две фотографии оз. Чёрного, сделанные фотоаппаратом без поляризующего фильтра и с ним. На правой фотографии он повёрнут таким образом, что отражённый свет почти полностью отфильтровывается и блики исчезают.

Содержание

Полное преломление

По́лное преломле́ние — эффект, проявляющийся при падении продольных плоско-поляризованых волн на границу раздела разнородных сред, и заключающийся в отсутствии отраженной волны. Эффект возможно наблюдать только в случае падения потока вертикально поляризованной волны (направление вектора напряженности электромагнитного поля — в плоскости падения) на границу раздела сред под углом Брюстера. При этом, согласно закону преломления, в отраженном потоке будут содержаться только горизонтально поляризованные составляющие, а так как падающий поток не содержал горизонтально поляризованных волн, то энергия отраженного потока будет равна 0 (то есть отсутствовать). Таким образом, вся энергия падающего потока будет в преломленных волнах.

Понятие полного преломления имеет важное значение для радиосвязи: большинство штыревых антенн излучает именно вертикально поляризованные волны. Таким образом, если волна падает на поверхность раздела (землю, воду или ионосферу) под углом Брюстера, отраженной волны не будет, соответственно канал будет отсутствовать.

Читайте также: