Рефераты. Реферат: Двойное лучепреломление электромагнитных волн

Реферат: Двойное лучепреломление электромагнитных волн

Управление образования.

Администрация г. Екатеринбурга.

Реферат по физике

на тему:

Двойное лучепреломление электромагнитных волн.

Исполнитель: Полынин

Дмитрий Алексеевич.

Руководитель: Коврижных

Юрий Тимофеевич.

Екатеринбург

1997

Оглавление.

Поляризация света

1. Свойства электромагнитных волн

магнитного полей.

Возможность существования электромагнитных волн обусловлена тем, что
существует связь между переменными электрическим и магнитным полями.
Переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле.
Существует и обратное явление: переменное во времени электрическое поле
порождает вихревое магнитное поле.

) разделены условно на следующие основные диапазоны: радиоволны,
инфракрасные волны, рентгеновские лучи, видимый спектр, ультрафиолетовые
волны и гамма - лучи. Такое разделение электромагнитных волн основано на
различии их свойств при излучении, распространении и взаимодействии с
веществом.

в электромагнитной волне в простейшем случае меняются по гармоническому
закону. Уравнениями плоской электромагнитной волны, распространяющейся в
направлении Z, являются:

(1)

-начальная фаза колебаний.

на наименьший угол виден происходящем против часовой стрелки (рис. 1).

рис. 1

электромагнитной волны вдоль оси OZ в данный момент времени t.

рис. 2

в электромагнитной волне колеблются в одинаковой фазе (синфазно), т.е.
они одновременно обращаются в нуль и одновременно достигают максимальных
значений.

в пространстве.

2. Поляризация света.

Виды поляризованного света.

электрического поля (при действии света на вещество основное значение
имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в
атомах вещества).

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества
атомов. Атомы же излучают световые волны независимо друг от друга,
поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется
всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора (рис. 3, а;
луч перпендикулярен плоскости рисунка).

рис. 3

называется естественным. Неполяризованный (естественный) свет испускают
большинство типовых источников, например лампы накаливания.

колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу (рис.
3,в), называется плоско поляризованным (линейно поляризованным).

изменяется со временем так, что его конец описывает эллипс, лежащий в
плоскости, перпендикулярной лучу (рис. 4,а).

рис. 4

и равенстве амплитуд складываемых волн), то имеем дело с циркулярно
поляризованным (поляризованным по кругу) светом (рис. 4,б и рис. 4,в
соответственно).

3. Поляризаторы. Закон Малюса.

, например кристаллы. Из природных кристаллов, давно используемых в
качестве поляризаторов, следует отметить турмалин. Турмалин сильно
поглощает световые лучи, в которых электрический вектор перпендикулярен
к оптической оси. Если же электрический вектор параллелен оси, то такие
лучи проходят через турмалин почти без поглощения. Поэтому естественный
свет, пройдя через пластинку турмалина, наполовину поглощается и
становится линейно поляризованным с электрическим вектором,
ориентированным параллельно оптической оси турмалина.

Таким же свойством обладают поляроиды, более удобные в обращении. Они
представляют собой искусственно приготовленные коллоидные пленки,
служащие для получения поляризованного света. Поляроид, подобно
турмалину, действует, как один кристалл и поглощает световые колебания,
электрический вектор которых перпендикулярен к оптической оси.

Явление поляризации света имеет место и при отражении или преломлении
света на границе двух изотропных диэлектриков. Этот способ поляризации
был открыт Малюсом, который случайно заметил, что при поворачивании
кристалла вокруг луча, отраженного от стекла, интенсивность света
периодически возрастает и уменьшается, т.е. отражение от стекла
действует на свет подобно прохождению через турмалин. Правда, при этом
не происходило полного погасания света при некоторых определенных
положениях кристалла, а наблюдалось лишь его усиление и ослабление.

Существуют и другие способы получения поляризованного света.

Итак, всякий прибор, служащий для получения поляризованного света,
называется поляризатором. Тот же прибор, применяемый для исследования
поляризации света, называется анализатором.

образуют между собой некоторый угол (рис. 5).

. Отношение интенсивностей пропорционально отношению квадратов амплитуд:

и, следовательно

Это соотношение имеет название закон Малюса:

между анализатором и поляризатором.

Закон был сформулирован Малюсом в 1810 году и подтвержден тщательными
фотометрическими измерениями Араго.

Двойное лучепреломление.

1. Явление двойного лучепреломления.

Фундаментальным свойством световых лучей при их прохождении в кристаллах
является двойное лучепреломление, открытое в 1670 году Бартолином и
подробно исследованное Гюйгенсом, опубликовавшим в 1690 году свой
знаменитый “Трактат о свете, в котором изложены причины того, что
происходит при отражении и преломлении и, в частности, при
необыкновенном преломлении в кристаллах из Исландии.” Явление двойного
лучепреломления объясняется особенностями распространения света в
анизотропных средах.

Если на кристалл исландского шпата направить узкий пучок света, то из
кристалла выйдут два пространственно разделенных луча, параллельных друг
другу и падающему лучу.

рис. 6

)(рис. 6).

Направление в кристалле, по которому луч света распространяется не
испытывая двойного лучепреломления, называется оптической осью
кристалла. А плоскость, проходящая через направление луча света и
оптическую ось кристалла, называется главной плоскостью (главным
сечением) кристалла. Анализ поляризации света показывает, что на выходе
из кристалла лучи оказываются линейно поляризованными во взаимно
перпендикулярных плоскостях.

Раздвоение луча в кристалле всегда происходит в главной плоскости. Так
как при вращении кристалла вокруг падающего луча главная плоскость
поворачивается в пространстве, то одновременно поворачивается и
необыкновенный луч. Рассмотрим некоторые наиболее простые случаи
распространения света в кристалле.

рис. 7

параллелен оптической оси (рис. 7), то положение главной плоскости не
определено. В частности, плоскость рисунка является главной плоскостью,
но такой же является, например, и перпендикулярная ей плоскость. Условия
распространения лучей с любой поляризацией одинаковы, и они не
раздваиваются.

идет перпендикулярно оптической оси (рис. 7), то электрический вектор,
лежащий в главной плоскости, параллелен оси. Электрический вектор,
перпендикулярный оси, лежит при этом в плоскости, нормальной к главной,
так что условия распространения для этих составляющих электрического
поля световой волны неодинаковы: лучи не раздваиваются, но имеют
различную скорость распространения.

идет под произвольным углом к оптической оси, то условия
распространения указанных выше составляющих также неодинаковы: лучи
распространяются по различным направлениям и с различными скоростями
(рис. 7).

Луч, имеющий электрический вектор, перпендикулярный оптической оси, во
всех этих случаях находится в одинаковых условиях, так что законы его
распространения не должны зависеть от направления распространения; это и
есть обыкновенный луч, подчиняющийся обычным законам преломления.

).

2. Волновые поверхности.

необыкновенного луча является переменной величиной, зависящей от
направления луча.

для всех направлений, кроме направления оптической оси, и обуславливает
явление двойного лучепреломления в одноосных кристаллах..

внутри одноосного кристалла находится точечный источник света.

), то эллипсоид описан вокруг сферы (эллипсоид скоростей растянут в
направлении, перпендикулярном оптической оси) и одноосный кристалл
называется отрицательным (рис. 8,б).

3. Построение Гюйгенса.

Большой заслугой Гюйгенса является создание стройной теории прохождения
световой волны через кристалл, объясняющей возникновение двойного
лучепреломления. Примененный им метод прост и нагляден, а как способ
определения направления обыкновенного и необыкновенного лучей сохранил
свое значение и по сей день.

В основе объяснения двойного лучепреломления лежит принцип Гюйгенса, в
котором постулируется, что каждая точка, до которой доходит световое
возбуждение, может рассматриваться как центр соответствующих вторичных
волн. Для определения волнового фронта распространяющейся волны в
последующие моменты времени следует построить огибающую этих вторичных
волн.

В качестве примера построения обыкновенного и необыкновенного лучей
рассмотрим преломление плоской волны на границе анизотропной среды,
например положительной (рис. 9). Оптическая ось положительного кристалла
лежит в плоскости падения под углом к преломляющей грани кристалла.
Параллельный пучок света падает под углом к поверхности кристалла.

рис. 9

необыкновенного луча колеблется в плоскости рисунка.

Из построения можно сделать очевидные заключения:

В кристалле происходит двойное лучепреломление. Построения Гюйгенса
позволяет определить направления распространения обыкновенного и
необыкновенного лучей.

Направление необыкновенного луча и направление нормали к
соответствующему волновому фронту не совпадают.

(рис. 10).

рис. 10

Проекции световых векторов этих волн на соответствующие оси изменяются
по закону:

(2)

, и равенстве амплитуд складываемых волн, эллипс превращается в
окружность.

:

-длина волны в вакууме.

рис. 11

, между колебаниями которых будет существовать разность фаз (рис. 11,б).

, называется пластинкой в полволны.

, в пластинке будет распространяться только один луч (необыкновенный или
обыкновенный), так что свет на выходе из пластинки останется плоско
поляризованным.

Экспериментальная часть.

1. Установка.

.

Рис. 12.

2. Измерения.

источник дает не плоско поляризованную волну. Это видно из рисунка 13
(система координат полярная).

Рис. 13.

волна становится плоско поляризованной (рис. 14).

Рис. 14.

, в зависимости от толщины древесины волна превращается из плоско
поляризованной в эллиптически поляризованную(в моем случае- это почти
плоско поляризованная волна). Это объясняется тем, что обыкновенный и
необыкновенный лучи распространяются в анизотропной древесине с
различной скоростью, и при выходе имеют разные амплитуды при взаимно
перпендикулярной плоскости колебаний (рис. 15).

рис. 15.

Литература.

Першинзон Е.М., Малов Н.Н., Эткин В.С. «Курс общей физики. Оптика и
атомная физика.» Москва, Просвещение, 1981.

Ландсберг Г.С. «Оптика.» Москва, Наука, 1976.

Михайличенко Ю.П. «Двойное лучепреломление сантиметровых
электромагнитных волн. Методические указания.» Томск, 1986.

А. Портис. «Берклеевский курс физики. Физическая лаборатория.» Москва,
Наука, 1972.