Поперечность световых волн и электромагнитная теория света конспект кратко
Обновлено: 05.07.2024
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Задачи урока:
общеобразовательные :
познакомить с экспериментальным доказательством поперечности световых волн;
ознакомить со свойствами поляризованного света;
показать аналогию между поляризацией механических, электромагнитных и световых волн;
сообщить о примерах использования поляроидов в технике.
воспитательные :
помочь учащимся осознать значимость изучаемого материала;
формировать научное мировоззрение;
развивающие :
Содействовать развитию у учащихся умений выделять главное в познавательном объекте;
Создать условия для развития у школьников умения структурировать информацию;
развивать умение производить наблюдения, делать выводы, обобщать;
показывать связь данной темы с другими науками;
развивать речь, мышление, интеллект.
Тип урока: комбинированный урок изучения нового материала.
Оборудование : два кристалла турмалина, поляроиды на каждой парте, компьютер, виртуальная модель поляризации света, проектор, экран.
Организационный момент (1 мин).
Актуализация знаний (7 мин).
Мотивация и целеполагание (2 мин).
Изучение нового материала (25 мин).
Закрепление изученного материала (5 мин).
Подведение итогов (3 мин).
Домашнее задание (2 мин).
Организационный момент .
Проверка готовности учащихся к уроку, приветствие.
Актуализация знаний.
На какие два типа делят все волны?
Какие волны называют продольными?
Какие волны называют поперечными?
Что колеблется в поперечной механической волне?
К какому типу волн относится звуковая волна?
Какому типу волн относится электромагнитная волна? Почему?
Мотивация и целеполагание.
Явления интерференции и дифракции не оставляют сомнений в том, что распространяющийся свет обладает свойствами волн. Но каких волн – продольных или поперечных? Цель нашего сегодняшнего урока – найти ответ на этот вопрос.
Изучение нового материала.
Длительное время основатели волновой оптики Юнг и Френель считали световые волны продольными, т. е. подобными звуковым волнам. В то время световые волны рассматривались как упругие волны в эфире, заполняющем пространство и проникающем внутрь всех тел. Такие волны, казалось, не могли быть поперечными, так как поперечные волны могут существовать только в твердом теле. Но как могут тела двигаться в твердом эфире, не встречая сопротивления? Ведь эфир не должен препятствовать движению тел. В противном случае не выполнялся бы закон инерции.
Однако постепенно набиралось все больше и больше экспериментальных фактов, которые никак не удавалось истолковать, считая световые волны продольными.
Рассмотрим один из них (демонстрация кристалла турмалина, рассказ о нем).
Опыт 1 : Возьмем прямоугольную пластинку турмалина так, что одна из ее сторон совпадает с направлением его оптической оси. Направим нормально на такую пластинку пучок света от электрической лампы. Обнаружим, что световой пучок, пройдя через кристалл турмалина, стал чуть менее интенсивен и приобрел зеленоватую окраску. Других видимых изменений светового пучка не видно. Если пластинку вращать вокруг пучка, никакого изменения интенсивности света, прошедшего через нее, это не вызовет.
Вывод: свет только частично поглотился в турмалине и приобрел зеленоватую окраску. Вращение пластинки вокруг пучка света не влияет на его интенсивность, следовательно, световая волна, идущая от источника, полностью симметрична.
Опыт 2 : Расположим вторую такую же пластинку из турмалина параллельно первой. Обнаружим, что световой пучок, пройдя через вторую пластинку, стал еще менее интенсивен.
Вывод: световой пучок еще более ослабляется за счет поглощения во втором кристалле.
Опыт 3 : Будем поворачивать вторую пластинку вокруг пучка, оставляя первую неподвижной. Мы заметим, что по мере увеличения угла между осями интенсивность света уменьшается. И когда оси перпендикулярны друг другу, свет не проходит совсем. Он целиком поглощается вторым кристаллом.
Вывод : изменение интенсивности света происходит только тогда, когда свет, прошедший одну из пластинок, встречает другую, ось которой меняет свое направление по отношению к оси первой. Следовательно, световая волна, вышедшая из первого кристалла, не обладает осевой симметрией.
Попробуем теперь ответить на вопрос сегодняшнего урока: к какому типу волн относится световая волна?
В продольной волне колебания происходят вдоль направления распространения волны, т.е. ось симметрии волны совпадает с направлением колебаний. Если бы световая волна, согласно Юнгу и Френелю, была продольной, вращение второй пластинки турмалина не привело бы к ослаблению интенсивности света. Следовательно, свет – поперечная волна.
В падающем от обычного источника пучке волн присутствуют колебания всевозможных направлений, перпендикулярных направлению распространения волн.
Световая волна с колебаниями по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения, называется естественной.
Однако поперечность волны не объясняет изменения интенсивности света при повороте второго кристалла. Для объяснения этого явления рассмотрим виртуальную модель проведенных экспериментов.
Естественный свет проходит через кристалл турмалина. Будем поворачивать кристалл вокруг направления распространения волны (с помощью бегунка внизу окна программы) (см. Приложение рис.1-5).
Вывод: Вращение кристалла турмалина не меняет интенсивность прошедшего света, так как падающая волна обладает осевой симметрией (несмотря на то, что она поперечная). Однако световая волна, прошедшая через кристалл, отличается от исходной: теперь в ней присутствуют колебания, лежащие только в одной определенной плоскости. Такой свет называется плоскополяризованным .
Пусть теперь естественный свет проходит через две параллельные пластинки одноосного кристалла. Пластинки расположены таким образом, что их оси симметрии параллельны. При этом интенсивность света, прошедшего через вторую пластинку, максимальна (экран максимально освещен) (см. Приложение рис. 6).
Будем поворачивать вторую пластинку вокруг направления распространения световой волны с помощью второго бегунка. При этом на экране отображается значение угла поворота. Интенсивность света, прошедшего через вторую пластинку, уменьшается (экран темнеет) (см. Приложение рис.7).
Продолжим поворачивать вторую пластинку. Когда угол между осями кристаллов достигнет 90°, свет не будет проходить через вторую пластинку (экран черный) (см. Приложение рис.8).
При дальнейшем поворачивании второй пластинки (угол между осями > 90°) интенсивность света начинает увеличиваться. Амплитуда колебаний при этом равна проекции амплитуды волны, прошедшей через первый кристалл, на направление оси второго кристалла (см. Приложение рис.9).
Когда оси кристаллов вновь параллельны, интенсивность света, прошедшего через оба кристалла, снова максимальна (см. Приложение рис.10).
Вывод : кристалл турмалина преобразует естественный свет в плоскополяризованный.
Наряду с кристаллами турмалина способностью поляризовать свет обладают поляроиды .
Поляроид представляет собой тонкую (0,1 мм) пленку кристаллов герапатита, нанесенную на целлулоид или стеклянную пластинку. Прозрачные пленки (полимерные, монокристаллические и др.), преобразуюют неполяризованный свет в линейно поляризованный, т.к. пропускают свет только одного направления поляризации. Поляроиды изобретены американским ученым Э. Лэндом в 1932 году.
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. Устанавливая на пути отраженного и преломленного лучей анализатор (например, турмалин), можно убедиться в том, что отраженный и преломленный лучи частично поляризованы: при поворачивании анализатора вокруг лучей интенсивность света периодически усиливается и ослабевает (полного гашения не наблюдается!). Дальнейшие исследования показали, что в отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения, в преломленном - колебания, параллельные плоскости падения.
Проверка на опытах поляризованности света, испускаемого различными источниками.
Закрепление изученного материала:
Чем отличается естественный свет от поляризованного?
В чем заключается явление поляризации?
Можно ли экспериментально доказать, что световые волны поперечные?
Что называют поляроидом?
Подведение итогов урока.
Кристалл турмалина (поляроид) преобразует естественный свет в плоскополяризованный. Поляризация - одно из волновых свойств света. Различные источники света могут испускать как поляризованный, так и неполяризованный свет. При помощи поляроидов можно управлять интенсивностью света. Явление поляризации света встречается в природе, широко используется в современной технике. Свет – это поперечная волна.
Домашнее задание.
§ 51. Дополнительно: Найти материал о применении поляроидов и о поляризованном свете (в виде доклада).
Электромагнитная теория света берет начало от работ Максвелла.
В основе электромагнитной теории света лежит факт совпадения скорости света со скоростью распространения электромагнитных волн.
Из теории Максвелла следовало, что электромагнитные волны являются поперечными.
К тому времени поперечность световых волн уже была доказана экспериментально.
Поэтому Максвелл обоснованно считал поперечность электромагнитных волн еще одним важным доказательством справедливости электромагнитной теории света.
После того как Герц экспериментально получил электромагнитные волны и измерил их скорость, электромагнитная теория света была впервые экспериментально подтверждена.
Было доказано, что электромагнитные волны при распространении проявляют те же свойства, что и световые: отражение, преломление, интерференцию, поляризацию и др.
В конце XIX в. было окончательно установлено, что световые волны возбуждаются движущимися в атомах заряженными частицами.
С признанием электромагнитной теории света постепенно исчезли все затруднения, связанные с необходимостью введения гипотетической среды — эфира, который приходилось рассматривать как твердое тело.
Световые волны — это не механические волны в особой всепроникающей среде — эфире, а электромагнитные волны.
Электромагнитные процессы подчиняются не законам механики, а законам электромагнетизма.
Эти законы и были установлены в окончательной форме Максвеллом.
В электромагнитной волне векторы и перпендикулярны друг другу.
В падающем от обычного источника пучке световых волн происходят колебания всевозможных направлений, перпендикулярных направлению распространения волн.
Световая волна обладает осевой симметрией, являясь в то же время поперечной.
Световой поток, в котором колебания происходят по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения волн, называется естественным светом. В обычных условиях источники света излучают иенно такой поток.
То есть в естественном свете колебания напряженности электрического поля и магнитной индукции происходят по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения волны.
Если свет поляризован, то колебания векторов и происходят не по всем направлениям, а в двух определенных плоскостях.
Возникает естественный вопрос: если речь идет о направлении колебаний в световой волне, то, собственно говоря, колебания какого вектора — или — имеются в виду?
Специально поставленные опыты доказали, что на сетчатку глаза или фотоэмульсию действует электрическое поле световой волны.
В связи с этим за направление колебаний в световой волне принято направление вектора напряженности электрического поля.
Открытие электромагнитной теории света — одно из немногих открытий, сделанных на кончике пера, т. е. теоретически.
Всеобщее признание электромагнитная теория получила, однако, лишь после своего экспериментального подтверждения.
Световые волны. Физика, учебник для 11 класса - Класс!ная физика
Являются ли световые волны поперечными или продольными.
Какова истинная природа света.
Что такое инфракрасное и ультрафиолетовое излучения.
Ключевые слова
Поперечность световых волн; поляризационные фильтры электромагнитная природа света; инфракрасные волны; ультрафиолетовые волны; видимое излучение.
Основное содержание урока
В твёрдых телах, жидкостях и газах могут распространяться продольные волны, в которых могут возникать упругие деформации сжатия и растяжения.
Поперечные волны могут распространяться только в твёрдых телах, в которых возникают упругие деформации сдвига.
Поперечная волна, возбуждаемая на упругом шнуре, свободно проходит через две решётки из параллельных брусьев, расположенных вертикально.
Если брусья второй решётки горизонтальны, то они полностью погасят вертикальную поперечную волну.
Поляризационный фильтр – устройство, которое способно пропускать световые волны, если направление колебаний совпадает с некоторым направлением в плоскости фильтра. Это направление называют оптической осью фильтра.
Свет проходит через поляризационный фильтр при любой ориентации оси фильтра, лишь его яркость немного уменьшается.
В волне, прошедшей через фильтр, колебания осуществляются только в направлении, параллельном оптической оси фильтра.
Свет свободно проходит через два фильтра, оси которых параллельны.
Световая волна является поперечной.
Если свет – волна, то для его распространения необходима среда.
Если свет – поперечная волна, то среда должна быть твёрдой.
Невидимая упругая среда, заполняющая всё мировое пространство получила название светоносного эфира.
Максвелл теоретически доказал возможность существования электромагнитных волн, способных распространяться в вакууме, и определил их скорость. Из теории Максвелла также следовало, что электромагнитные волны являются поперечными.
Экспериментальное открытие Герцем электромагнитных волн подтвердило основные положения электромагнитной теории Максвелла.
Всё это позволило сделать вывод о том, что свет – это электромагнитная волна.
Длины волн видимого света заключены в интервале от 0,4 мкм – фиолетовый свет, до примерно 0,75 мкм – красный свет.
Электромагнитные волны с длинами волн менее 0,4 мкм и примерно до 10 нм называют ультрафиолетовым излучением.
Электромагнитные волны с длинами волн от 0,75 мкм до примерно 2 мм называют инфракрасным излучением.
Интерференция и дифракция объясняют свойства распространения света. Остаётся единственный вопрос: о каких волнах вообще идёт речь? О продольных или поперечных?
Уже знакомые по линейной оптике Юнг и Френель считали, что световое волны представляют собой продольные волны и распространяются аналогично звуковому сигналу.
Однако наука не стояла на месте, а число экспериментальных данных бесконечно росло. Появлялись новые противоречия, догадки и опровержения. Большинство результатов говорили, что свету присущи свойства, характерные только для продольных волн. Но не могут же колебания меняться в одной и той же волне?
Опыты с турмалином
Проведём эксперимент с кристаллами турмалина. Вообще, кристалл турмалина представляет собой одноосный кристалл зелёного цвета. Вырежем прямоугольную пластину турмалина таким образом, чтобы одна из её граней была параллельна оси кристалла. Теперь направим на неё пучок света от искусственного (лампы) или естественного (Солнца) источника. Рассмотрим случай, когда пучок падает нормально на пластину. Вращение пластины вокруг пучка не меняет интенсивности света, прошедшего через неё. Сделаем предположение, что часть цвета поглотилась турмалином.
Теперь установим сразу два таких кристалла турмалина и пустим свет через них. Наблюдается аналогичная ситуация поглощения турмалином, только уже во втором кристалле. Попробуем вращать второй кристалл, не затрагивая первый. Мы обнаружим, что происходит гашение света.
Получается, что по мере увеличение угла между осями интенсивность света падает. В момент, когда оси становятся перпендикулярны друг другу, наблюдается исчезновение светового пучка. Проще говоря, второй кристалл полностью поглощает свет.
Из этих экспериментов можно сделать два вывода:
- Световая волна, которая идёт от источника света, полностью симметрична относительно направления распространения;
- Волна, которая миновала первый кристалл, не обладает осевой симметрией.
Поперечность световых волн
Известно, что продольные волны характеризуются полной симметрией по отношению к направлению распространения. Исходя из этого, получается, что опыт с вращающийся пластиной не поддаётся объяснениям. Выйти из этого тупика можно, сделав два предположения.
Допустим, что свет – это поперечная волна.
Обычный источник генерирует световые пучки, в которых колебания происходят во всевозможных направлениях, ориентированных перпендикулярно направлению распространения волн.
Мы предположили, что имеем дело с поперечной волной, поэтому она обладает осевой симметрией.
Совокупность световых пучков, в которых колебания векторов Е и В происходят по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения волн, называется естественным светом. Собственно, это и объясняет постоянство интенсивности света при вращении кристалла турмалина.
Второе допущение связано с кристаллом. Кстати, забыли упомянуть, что кристаллу турмалина присуще пропускная способность колебаний в строго определённой плоскости.
В свою очередь, свет, в котором колебания вектора напряженности происходят только в одной конкретной плоскости, называется поляризованным или плоскополяризованным.
Из этих свойств становится ясно, что из первого кристалла выходит именно плоскополяризованная волна. В случае скрещённых кристаллов (то есть тогда, когда между их осями 90°) пучок не проходит сквозь второй кристалл. Но тогда, когда угол между осями не прямой, то фиксируются колебания, амплитуда которых равна проекции амплитуды волны, прошедшей через первый кристалл, на направление оси второго кристалла.
Поляроиды
Не только кристаллы турмалина поляризуют свет. Аналогичными свойствами обладают и поляроиды. Они представляют собой тонкую плёнку (0,1 мм) кристаллов герапатита на целлулоиде или стеклянной пластинке. Главное преимущество поляроидов в том, что они способствуют получению больших поляризующих поверхностей. Единственный недостаток этих кристаллов на плёнках – фиолетовый оттенок, который оттеняет белый свет.
Электромагнитная (волновая) теория света
Электромагнитная теория связана с работами Максвелла. Фундамент теории основан на факте совпадения скорости света со скоростью распространения электромагнитных волн.
На момент создания этой теории уже была доказана поперечность световых волн, поэтому Максвелл в своих доказательствах свободно апеллировал этим фактом, тем самым формулируя электромагнитную теорию света.
Экспериментально подтвердить волновую теорию света удалось Герцу. Он установил, что электромагнитные волны при распространении ведут себя так же как и световые. Они отражаются, преломляются, поляризуются и т.д. В конце 19 века была уже подтверждённая гипотеза о том, что световые волны возбуждаются движущимися в атомах заряженными частицами.
Максвелл смог однозначно сказать, что электромагнитные процессы подчиняются законам электромагнетизма, а не законам механики. Так, например, электромагнитные волны могут распространяться только в вакууме, а механические волны – только в упругих средах.
На сетчатку глаза или фотоэмульсию влияет электрическое поле световой волны. Поэтому направление колебаний в световом пучке принято связывать с вектором напряжённости электрического поля.
Несмотря на то, что волновая теория долгое время оставалась недоказанной, спустя много лет она стала основополагающей теорией для объяснения многих физических явлений.
Читайте также: