Поляризация или "расколотый луч" - Физика в школе
Главное меню:
статьи
Поляризация или расколотый луч
Какой-то шалун-мальчишка, вооруженный осколком зеркала, пустил вам солнечного «зайчика» прямо в глаза. Вы зажмурились, как от удара... А вот вы поехали на машине за город после дождя. В косых лучах заходящего солнца асфальт сверкает, слепит, вы вынуждены снизить скорость... Утомительно для глаз любоваться морем в солнечную погоду. Кажется, в воде сидят тысячи мальчишек с зеркальцами. Блики, блики, блики. В таких случаях мы достаём из кармана очки с зеленоватыми стеклами, надеваем их, и... Проделаем следующее. В оправу, вставим два поляроида, два простейших прибора разделяющих свет. И мир перед нами станет в одно и то же время и тем же, и иным. Да, солнечный луч - это не единое целое, его можно и разделить. Если на его пути поставить трехгранную призму, то мы увидим радужный спектр. Призма разлагает белый свет на его цветные элементы - красный, оранжевый, желтый, зеленый и т.д. То же происходит и в природе. Помните радугу? Там роль трехгранных призм играют мельчайшие капельки воды.
Но с лучом можно проделать еще одну замечательную операцию - поляризовать его. Чтобы объяснить сущность поляризации, приведем старый, но очень наглядный пример. Представьте себе, что луч света - веревка, привязанная к стене. Ухватитесь за ее свободный конец и резко взмахните рукой вниз. По веревке пробежит волна в вертикальном направлении. Теперь рваните веревку справа налево. Она изовьется, как ползущая змея. Опять по веревке пробежит волна, подобная первой, но как бы положенная набок, в горизонтальной плоскости.
Электромагнитные колебания, которые дают глазу ощущение света, похожи на волны, пробегающие по нашей веревке. Только колебания в луче происходят не в одних - горизонтальном или вертикальном - направлениях, но и во всех промежуточных.
А теперь пропустим луч - веревку между двумя вбитыми в землю кольями. Вертикальную волну колья свободно пропускают. Но вот мы рванули веревку справа налево. Горизонтальная волна добежала по веревке до кольев, ударилась о них и... погасла. За кольями веревка остается спокойной, как будто мы ее и не дергали. Два кола - пример поляризатора: они пропускают только вертикальные волны и задерживают, гасят все остальные.
Итак, луч света называется поляризованным, если волновые колебания в нем совершаются в одной плоскости. Но как этого добиться?
Берется эластичная пленка из особой пластмассы и растягивается в определенном направлении. Этим самым полимерные волокна в ней получают ориентацию. Затем пленка подвергается действию водного раствора йода - йодированию. Йод вступает во взаимодействие с пластмассой пленки, соединяется с ней. На поверхности пленки получается новое вещество с новыми свойствами - молекулы его ориентированы.
Новое вещество обладает замечательным свойством: оно пропускает только такой свет, такое направление колебаний, которое параллельно направлению вытяжки волокон. Все остальные колебания гасятся. Заклеив пленку между двумя стеклами, мы и получим прибор для поляризации - поляроид.
Поляроид как бы раскалывает луч надвое. Если мы «скрестим» два таких поляроида, то есть сделаем так, чтобы волокна их пленок были взаимно перпендикулярны, свет через такие поляроиды не пройдет вовсе. Ведь в свете, прошедшем через первый поляроид, колебания совершаются в плоскости, перпендикулярной направлению волокон в пленке второго поляроида. И именно таким колебаниям проход через нее «запрещен». Этот эффект затемнения можно использовать, чтобы обеспечить безопасность движения машин ночью. Если на фарах машин установить поляроиды в одном направлении, а вместо стекол кабин водителей - поляроиды в направлении перпендикулярном, водители не увидят света фар встречных машин. Скольких аварий можно избежать!
На что же еще способен свет, поляризованный растянутой пластмассой? Оказывается, свет поляризуется не только при прохождении через поляроид, но и при отражении от зеркальной поверхности. При этом направление поляризации перпендикулярно направлению падения световой волны.
Посмотрим на стекло, лежащее на соседнем столе. Свет, падающий из окна и отраженный от стекла, слепит нам глаза. Тогда мы надеваем поляроидные очки. Блики пропадают. Почему? Оказывается, поляроиды в очках повернуты так, что поляризованный свет «зайчика» не может пройти сквозь них. Отраженный от стекла луч поляризован в одной плоскости, а волокна в пленке поляроида вытянуты в направлении перпендикулярном.
В поляроидных очках мы можем безболезненно смотреть на умытый дождем асфальт, на сверкающие стекла витрин, на залитое солнцем море. Бликов мы не увидим. Они погаснут. А поместив поляроид перед объективом фото- или киноаппарата, мы спокойно снимаем эти сверкающие объекты. На пленке получится четкое и точное изображение, как будто световых помех не было и в помине.
Так с помощью поляризованного света человек научился бороться с красивыми, но мешающими наблюдению солнечными бликами и «зайчиками».
Это только малая и, пожалуй, менее важная область, в которой работает поляроид.
Поляроиды попадают в руки инженеров - металлургов. Зачем им эти стеклышки? Они помогают им изучать внутренние направления в металле. Металлурги делают модель своей конструкции из стекла и ставят на нее тяжелый груз. В стекле, точно так же как и в металле, возникают напряжения. В одном месте давление чрезвычайно высоко, и там как бы происходит сжатие материала. В другом месте - наоборот. Увидеть сложную картину направлений им помогают поляроиды.
Нам известно, что в неоднородном прозрачном материале световые волны распространяются различно? И вы, наверное, знаете, что при этом световые волны взаимодействуют друг с другом. Взаимодействуют они таким образом: одна волна усиливается - гребень ее становится выше; гребень другой понижается - волна ослабевает, погасает. А так как каждая волна имеет свой цвет, то рассматривая стеклянную модель между поляроидами, инженеры видят яркую цветную картину внутренних напряжений. Для этого используется прибор – полярископ. И инженеры берут другую конструкцию с менее яркой подпрограммой. Но это как раз и хорошо: в ней меньше напряжений.
И не было случая, чтобы поляроидный контролер ошибся. Резцы, станины, балки, проверенные с помощью полярископа, всегда бывают прочными, долговечными.
Врачи по-своему применили поляроиды. Человеку, перенесшему тяжелую глазную болезнь, сразу вреден яркий свет. Медики получили от оптиков очки, в которых уже не два, а четыре поляроида. Они соединены попарно, попарно же и скрещены - то есть волокна в их пленках взаимно перпендикулярны. А это значит, свет через них совершенно не проходит. Помните, мы не увидели света фар встречной машины?
«Сухая» наука дает искусству новые чудесные средства для передачи эмоций. Вспомним светомузыку, объемное кино и цветное телевидение, люминесцентную живопись. Если же мы будем менять угол между направлениями волокон пленок, то чем меньше будет угол, тем большее количество света пройдет через два поляроида. Такие очки-защитники позволяют плавно регулировать освещенность глаз. А если один глаз больного может выносить более яркий свет, пожалуйста, можно повернуть соответствующий поляроид на больший угол.
Хочется предложить вам совершить экскурсию на воображаемую пока выставку, выставку еще одного «научного» вида искусства. Пейзажи, портреты, многофигурные панно. Они написаны не обычными красками, а красками «живого» солнечного луча. Портреты белозубо улыбаются и сверкают глазами. Пейзажи живут: на них приходят и гаснут зори, собираются тучи и идут дожди. Такую живопись позволяет создать, казалось бы, сугубо научный эффект поляризации.
Дело в том, что листочки слюды, пластинки гипса, кусочки целлофана, заклеенные между скрещенными поляроидами пленки, окрашиваются в яркие интерференционные цвета. Это цвета необычные, которые мы не привыкли видеть в природе и живописи, цвета мыльных пузырей и нефтяных пятен на воде.
Вы знаете, что обычный световой луч состоит из большого количества цветных лучей, наблюдаемых в радуге. Если отнять от него какой-то цветной луч, то белый цвет окрасится. Такое уничтожение одного из нескольких цветов - частей белого света происходит благодаря взаимодействию - интерференции - световых колебаний. Вспомним наш опыт с веревкой. Если вслед за одним толчком, заставившим колебаться веревку, тут же дадим ей другой, она будет иметь два взаимодействующих колебательных движения.
И если благодаря одному толчку все точки веревки будут подниматься, а благодаря другому - с такой же силой опускаться, то при сложении - взаимодействии - противоположных сил веревка перестанет колебаться. Подобное же взаимодействие световых волн в неоднородном прозрачном материале приводит к окрашиванию белого света.
Одни волны усиливаются, «расцветают», другие ослабляются, гаснут. Цвет и яркость мозаичных элементов из слюды и поляроидной пленки будут меняться в зависимости от толщины заклеиваемых материалов и угла, под которым мы рассматриваем их. Картина, составленная из таких элементов, тоже будет окрашена каждый раз по-новому, в зависимости от того, под каким углом мы ее смотрим.
Окрашенные поляроидные элементы можно применить и в архитектуре для облицовки куполов и стен. Особенно хорошо будут эти краски в южных районах, где само солнечное безоблачное небо поляризует лучи. Купола и стены будут казаться то голубыми, то ярко-красными, то бледно-синими.
Можно перечислять и перечислять области применения поляризованного света. Но, мне кажется, что и приведенные примеры из разных областей применения поляроидов говорят о главном, какой удивительный, чуткий и красивый - поляризованный «вид» света.