Выполнила ученица 9 "А" класса МБОУ "Университетский лицей"

Пикулева Элина Витальевна,

г. Петрозаводск, 2023 год.

 

Введение

Занятия наукой - это не всегда расшифровка непонятных формул и скучные подсчеты. Наука, и тем более физика рассказывает нам об окружающем мире, свои знания важно уметь применять на практике. Не стоит думать, что одни и те же законы будут действовать всегда, мир устроен сложнее. Разве могут два прозрачных тела, стоя в ряд, не пропускать свет? А один луч «разрезаться» на два? Как обычный сахар может изменить «свет»? На эти и многие другие вопросы мы постараемся ответить с помощью одного из самых занимательных разделов физики – «Оптика».

Глава 1. Свет. Поляризация света

В природе существуют объекты, при прохождении через которые свет как будто бы ведет себя не по законам оптики, к которым мы привыкли на уроках физики. Такие среды называют оптически активными или анизотропными средами. Материал называется анизотропным, если его свойства зависят от направления. В общем случае, свойства анизотропных материалов несимметричны относительно любой плоскости или оси. Что же необычного можно увидеть, если пропустить луч света через анизотропный материал?

Свет

Для начала стоит выяснить, что же собой представляет свет. Свет можно рассматривать либо как поток частиц – фотонов, либо как электромагнитную волну. Если рассматривать свет как электромагнитную волну, то его можно разложить на две составляющие - электрическую и магнитную (рис. 1). Силовые характеристики электрических и магнитных полей перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения волны.

рис. 1. Световая волна. Колебания векторов напряженности электрического (E) и магнитного (H) поля.

 

 

Поляризация света

По способу распространения свет может быть поляризованным и неполяризованным. Неполяризованный свет – это естественный свет. Примерами такого света можно считать солнечный свет или свет настольной лампы. В неполяризованном свете амплитуды колебаний, которые направлены в разные стороны, в среднем равны.

Поляризованный свет – это свет, из которого «убраны» лишние электромагнитные колебания. В таком свете оставлены только те колебания, которые лежат в определённой плоскости, называемой плоскостью поляризации. В поляризованном свете амплитуды колебаний по разным направлениям различны. Степень поляризации света может быть разной. Например, если свет не полностью поляризован, то говорят, что он частично поляризован.

Для того, чтобы получить поляризованный свет используют специальное оптически активное вещество – поляризатор. В качестве поляризатора используют некоторые природные кристаллы либо специальную полимерную плёнку. Физической причиной поляризации света в этих веществах является эффект двойного лучепреломления с полным поглощением необыкновенного луча, о чем будет рассказано ниже.

Проведем опыт, наглядно показав поляризацию света.

 

Опыт 1. Поляризация света

Цель: продемонстрировать явление поляризации света

Оборудование: В этом и следующих наших опытах будем использовать установку (фото 1.1 - 1.3), которую мы собрали для проведения описанных в работе экспериментов. Она состоит из вращающегося и неподвижного поляризаторов, экрана и измерительной шкалы. В качестве поляризаторов использована полимерная пленка. Эту установку мы собрали, использовав конструктор MI ROBOT и запрограммировали контроллер в среде программирования LEGO MINDSTORMS. Также мы будем использовать второй поляризатор (фото 1.4, 1.5) и закрепленную на особой подставке лазерную указку (фото 1.6, 1.7).

фото 1.1. Экспериментальная установка. Столик и вращающийся поляризатор.

фото 1.2. Экспериментальная установка. Измерительная шкала.

фото 1.3. Экспериментальная установка. Контроллер.

фото 1.4. Поляризатор. Вид сбоку.	фото 1.5. Поляризатор. Вид спереди.
фото 1.6. Лазерная указка в держателе. Вид сбоку.	фото 1.7. Лазерная указка в держателе. Вид спереди.

Поставим поляризаторы так, чтобы они были перпендикулярны друг другу. Включим лазерную указку и направим луч сквозь оба поляризатора (фото 1.8). На экране не появилось световое пятно. Начнем поворачивать первый поляризатор. Вращая поляризатор, наблюдаем увеличение интенсивности светового пятна (фото 1.9). Заметно, что за время полного оборота пятно света дважды становится максимально ярким и дважды почти погасает. Максимально ярко оно светится, когда угол между поляризаторами 0⁰, исчезает же, когда угол между поляризаторами равен 90⁰.

 

 

Вывод: мы показали возможность поляризации света с помощью двух поляризаторов.

Аналогичный эффект наблюдается на природном кристалле турмалина (рис. 2).

рис. 2. Прохождение света через пластинки турмалина.

Описанный выше опыт с двумя поляризаторами «нужен» не только для демонстрации интересного физического явления. Поляризация используется и в нашей повседневной жизни. Например, поляризационной пленкой покрыты жидкокристаллические мониторы, дисплеи мобильных телефонов. В солнцезащитных очках антибликовое покрытие наносят с обеих сторон линзы. Используют поляризационные фильтры для фотоаппаратов, чтобы «убирать» ненужный поляризованный свет.

 

Глава 2. Двойное лучепреломление

Двойное лучепреломление – это оптическое свойство анизотропных материалов, в которых показатель преломления (n), равный отношению скорости распространения света в вакууме к скорости распространения света в данной среде, зависит от направления распространения света. В таких материалах может наблюдаться эффект расщепления луча света на две составляющие. При прохождении света через такой материал образуется не один, а два преломленных луча с разным направлением распространения и поляризацией. Преломленные по законам классической оптики лучи называют обыкновенными лучами, а преломленные иным образом лучи - необыкновенными.

Обыкновенный и необыкновенный лучи являются линейно поляризованными.  Их плоскости поляризации взаимно перпендикулярны. Известно, что скорость распространения и показатель преломления (n_o​) обыкновенного луча не зависят от направления в материале. Скорость и показатель преломления (n_e)​ необыкновенного луча зависят от направления распространения .

Примером таких материалов может служить исландский шпат (кальцит). У такого оптически анизотропного кристалла наблюдается два изображения, одно из них неподвижно, а второе смещается на разные расстояния при повороте кристалла. 

Различают одноосные и двуосные кристаллы. В одноосных кристаллах при распространении света вдоль оси, называемой оптической осью, показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей равны​ и двойное лучепреломление отсутствует. Одноосные кристаллы бывают положительными, если n_o​<n_e​, и отрицательными - если n_o​>n_e​.

Для двуосных кристаллов характерно наличие двух оптических осей, вдоль которых нет двойного лучепреломления, а по всем остальным направлениям оно наблюдается.

Двоякопреломляющие кристаллы обладают свойством дихроизма, т. е. по-разному поглощают свет в зависимости от ориентации электрического вектора световой волны. Такие кристаллы называются дихроичными.  Примером сильно дихроичного кристалла является турмалин. В нем при толщине пластинки уже в 1 мм полностью поглощается обыкновенный луч, в результате чего выходит только необыкновенный луч.

 

Опыт 2. Двойное лучепреломление в кальците

Проведем опыт с кристаллом кальцита (исландского шпата).

Цель: продемонстрировать явление двойного лучепреломления в кристалле кальцита

Оборудование: лист бумаги в клетку, кристалл кальцита

Мы поместили кристалл на клетчатую бумагу. Ориентируем его так, как показано на фото (фото 2.1). Если посмотреть на лист бумаги через него, то можно заметить, что линии, образовавшие клетки, «удвоились». Повернем кристалл на 90⁰ влево (фото 2.2). На фото видно, что двоятся только вертикальные линии. Последующий поворот кристалла на 90⁰ в том же направлении дает результат, показанный на фото 2.3. Снова удваиваются и горизонтальные, и вертикальные линии. Еще раз повернем кристалл на 90⁰ (фото 2.4). В данном случае удвоились только горизонтальные линии.

фото 2.1. Удвоение линий	фото 2.2. Поворот кристалла на 90⁰
фото 2.3. Поворот кристалла на 180⁰	фото 2.4. Поворот кристалла на 270⁰

Вывод: мы смогли показать, что наш кристалл двуосный. Когда направление оптических осей совпадает с направлением, в котором мы смотрим на кристалл, линии не двоятся, а следовательно, вдоль этих осей не происходит двойное лучепреломление.

 

Опыт 3. Демонстрация двойного лучепреломления в кальците

Проведем еще один опыт, доказывающий способность к двойному лучепреломлению кристалла кальцита.

Цель: доказать способность к двойному лучепреломлению кристалла кальцита.

Оборудование: закрепленный на подставке фонарик, собирающая линза, два поляризатора и предметный столик для кальцита, экран (фото 3.1).

фото 3.1. Экспериментальная установка для наблюдения двойного лучепреломления

 

Мы поставили кристалл в наиболее удобное положение, получив на экране два световых пятна. Одно из них (на фото расположено сверху) от обыкновенного луча, другое - от необыкновенного луча.

 Поставим поляризаторы друг за другом. При этом видны оба луча.

 Затем установим второй поляризатор под углом 90⁰ к первому. В результате необыкновенный луч пропал, остался только обыкновенный.

 

Глава 3. Оптически активные вещества

Оптическая активность веществ проявляется не только в разделении обыкновенного и необыкновенного лучей. Многие вещества обладают способностью поворачивать плоскость поляризации. Среди таких веществ есть как твердые материалы, так и некоторые жидкие вещества. К таким веществам относятся кварц, целлофан, скипидар, никотин, водные растворы сахара, винной кислоты и пр.

 

Опыт 4. Поворот плоскости поляризации в целлофане

Цель: продемонстрировать явление поворота плоскости поляризации в твердом теле на примере целлофана.

Оборудование: для опыта нам потребуется описанная в опыте 1 установка, закрепленная в держателе целлофановая пленка толщиной 100 мкм.

Поставим поляризаторы под углом 90⁰ друг к другу, так чтобы на экране не было светового пятна. Между ними установим целлофановую пленку. На экране появилось яркое пятно. Будем поворачивать поляризатор до тех пор, пока оно не исчезнет (фото 4.2). Оказалось, что пленка повернула плоскость поляризации на 135⁰.

 

Вывод: мы доказали способность твердого тела (целлофановой пленки) к повороту плоскости поляризации.

 

Опыт 5. Влияние концентрации раствора сахара на угол поворота плоскости поляризации

Цель: доказать, что растворы могут поворачивать плоскость поляризации света, выявить зависимость угла отклонения плоскости поляризации от концентрации раствора.

Оборудование: для опыта нам потребуется описанная в опыте 1 установка, мерный стакан, мерная ложка, несколько стеклянных кювет и сахар (фото 5.1-5.3).

фото 5.1. Сахар	фото 5.2. Мерный стакан
фото 5.3. Кювета с раствором

Приготовим три раствора (1-3) с разной концентрацией сахара.

Сначала растворим в 50 мл воды 3 ложки сахара (45 г) – раствор 1. Поставим поляризаторы перпендикулярно друг другу - светового пятна нет. Поставим на предметный столик кювету с раствором сахара. На экране появилось пятно света (фото 5.5), добьемся того, чтобы оно исчезло, повернув подвижный поляризатор на угол в 8⁰.

Далее растворим в 50 мл воды 6 ложек сахара (90 г) – раствор 2. Вернем поляризаторы в начальное положение (90⁰). Ставим между ними кювету с раствором 2. На экране появилось пятно, более яркое, чем в первом опыте. Добьемся его исчезновения поворотом поляризатора на 13⁰.

Затем растворим в 50 мл воды 12 ложек сахара (180 г) - раствор 3. Вернем поляризаторы в первоначальное положение. Поставим третий раствор. На экране появляется пятно, гораздо более яркое, чем в предыдущих опытах. Сделаем так, чтобы оно также пропало, повернем поляризатор на 22⁰.

фото 5.5. Экспериментальная установка. Прохождение луча через слой раствора.

 

Результаты измерений занесем в табл. 1.

Таблица 1. Зависимость угла поворота плоскости поляризации от концентрации раствора

Номер раствора	Раствор (%)	Поворот плоскости поляризации (⁰)
1	47	8±1
2	64	13±1
3	78	22±1

 

По данным таблицы построим график зависимости угла поворота плоскости поляризации от концентрации раствора (график 1).

График 1. Зависимость угла поворота плоскости поляризации от концентрации раствора

 

Вывод: точки лежат почти на одной прямой. С учетом погрешности можно сказать, что зависимость угла от концентрации раствора линейная. Значит, угол поворота плоскости поляризации прямо пропорционален концентрации раствора: чем больше концентрация раствора, тем больше угол поворота плоскости поляризации.

 

Опыт 6. Влияние толщины раствора сахара на угол поворота плоскости поляризации

Цель: доказать, что растворы могут поворачивать плоскость поляризации света, выявить зависимость угла отклонения плоскости поляризации от толщины раствора.

Оборудование: нам потребуется оборудование, использованное в опыте 5.

В данном опыте будем использовать раствор сахара в воде (концентрация порядка 70%). Данный раствор был залит в три одинаковые кюветы.

Вернем поляризаторы в начальное положение. Поставим на столик одну кювету с раствором сахара в воде. Плоскость поляризации повернулась на угол 18⁰.

Возвращаем поляризаторы в начальное положение. Поставим на столик друг за другом две кюветы с раствором одинаковой концентрации. На экране появилось световое пятно. Добьемся его исчезновения поворотом поляризатора на 35⁰.

Вернем поляризаторы в начальное положение. Поставим на столик три кюветы. На экране наблюдаем очень яркое пятно. Повернем поляризатор до его исчезновения на 54⁰.

 

Результаты опыта занесем в табл. 2.

Таблица 2. Зависимость угла поворота плоскости поляризации от толщины раствора

Номер опыта	Толщина раствора, мм	Поворот плоскости поляризации (⁰)
1	36	18±1
2	72	35±1
3	108	54±1

 

По данным таблицы построим график зависимости угла поворота плоскости поляризации от толщины раствора (график 2).

График 2. Зависимость угла поворота плоскости поляризации от толщины раствора

 

Вывод: точки лежат почти на одной прямой. С учетом погрешности эксперимента можно сказать, что зависимость угла от толщины раствора линейная. Значит, угол поворота плоскости поляризации прямо пропорционален толщине раствора: чем больше толщина раствора, через которую проходит луч света, тем больше угол отклонения плоскости поляризации.

Таким образом, на основании опытов 5 и 6 мы показали, что угол поворота плоскости поляризации φ прямо пропорционален с - концентрации раствора и l – толщине раствора: φ ~ с ⋅ l.

 

Глава 4. Применение оптически активных веществ

Описанные в данной работе уникальные свойства оптически активных веществ находят широкое применение в различных сферах деятельности человека.

На основе явления поляризации света созданы различные по конструкции приборы, называемые поляриметрами. Эти приборы предназначены для измерения угла вращения плоскости поляризации, связанной с оптической активностью некоторых веществ. Поляриметр состоит из источника света, светофильтра, двух поляризаторов, кюветы для изучаемого вещества, измерительного устройства для определения значения углов. Аналог такого устройства был сконструирован в данной работе (фото 6.1).

Приборы, анализирующие оптическую активность веществ, широко используются в пищевой, химической и фармацевтической промышленности. Например, их применяют для определения концентрации веществ в растворах. Так, например, можно оценить концентрацию сахара в растворах. Такие поляриметры называют сахариметрами.

При производстве химических веществ и лекарственных препаратов также используют поляриметры. Существуют пространственные изомеры, молекулы которых относятся друг к другу как объект и его зеркальное изображение. Такие изомеры в химии называют оптическими изомерами или энантиомерами. Физические и химические свойства энантиомеров одинаковы, а оптическая активность разная: они по-разному изменяют угол вращения плоскости поляризации. Один из энантиомеров вращает ее влево, а другой – вправо.  При этом биологическая активность двух изомеров может быть разной: один энантиомер может быть полезным, а другой – бесполезным или даже вредным (опасным). Поэтому при синтезе новых веществ в настоящее время проводят исследования оптической активности изомеров и, например, при производстве лекарственного препарата оставляют в его составе только тот изомер, который положительно влияет на живой организм.     

В медицине в диагностических лабораториях также находит применение поляриметр. Например, поляриметр-сахариметр используют для определения сахара в моче, в частности у больных сахарным диабетом.

В физике, технике и нашей повседневной жизни поляризация света также используется. Например, при производстве компонентов оптических приборов таких как линзы, призмы используют прессование. Это механическое воздействие создает в материале упругие деформации. В результате стекло становится анизотропным и двоякопреломляющим. Это явление называют фотоупругостью. Фотоупругость вредна для практического применения таких линз или призм – их нельзя будет использовать в оптических приборах. Поляризационными пленками покрыты экраны LCD мониторов и телевизоров, стекла солнцезащитных очков, объективы фотоаппаратов и видеокамер.

 

Список литературы:

1. Физическая энциклопедия в 5 томах/ гл. ред. А. М. Прохоров. - Москва : Большая Российская энциклопедия, 1994.
2. Интернет-ресурс «Наука детям». - Режим доступа - URL: http://virtuallab.by/publ/video_opyty/video_opyty/poljarizacija_sveta/1-1-0-236. Дата обращения: 29.11.2023
3. Большая Российская энциклопедия / Российская академия наук ; ответственный редактор С. Л. Кравец. - Москва : Большая Российская энциклопедия, 2017.
4. Элементарный учебник физики : в 3 т. / под ред. Г. С. Ландсберга, Т. 3, Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. - Изд. 13-е. - Москва : ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 656 с.
5. Интерактивный мультимедиа учебник «Органическая химия». - Режим доступа - URL: https://orgchem.ru/chem4/o231_1.php. Дата обращения: 29.11.2023.