Криптозащита данных. Механизмы защиты информации. Методология с использованием ключа
Министерство образования Нижегородской области
ГБОУ СПО «Лукояновский сельскохозяйственный техникум»
Методическая разработка по учебной дисциплине «Физика»
Поперечность световых волн.
Поляризация света
Разработал: Смирнов А.В. преподаватель физики
1 квалификационной категории
Лукоянов, 2012 г.
Рассмотрено на заседании
методической комиссии
математического и естественнонаучного цикла
Протокол № _____
"__" ________ 2012 г.
Председатель
__________/ Н.Н. Александрова
Одобрено методическим советом ГБОУ СПО «Лукояновский сельскохозяйственный техникум»
Протокол № ______
"__" ________ 2012 г.
Председатель
____________________________
Урок на тему «Поперечность световых волн. Поляризация света».
Цели:
Образовательные:
создать условия для изучения понятия «Поляризации света», его практического применения , добиться сознательного усвоения полученных знаний, приучить пользоваться полученными знаниями на практике.
продолжить воспитание аккуратности, бережливости, ответственности;
вызвать интерес к учебным действиям;
вызвать интерес к изучаемому матeриалу.
развивать мышление, навыки учебного труда;
продолжить работу по формированию умений осознавать проблему, делать выводы, обобщать.
Тип урока: комбинированный.
Оборудование:
лабораторное оборудование на каждый стол: 2 поляроида, кусочек целлофана; стопка стеклянных пластин.
демонстрационное оборудование:
набор по поляризации света, ноутбук, монитор ноутбука, проектор, интерактивная доска, источник тока, низковольтная лампа на подставке.
Ход урока
I) Организационный момент
(2 мин.)
Проверка посещаемости, готовности класса и обучающихся к уроку.
II) Проверка домашнего задания, актуализация ранее изученного
(10 мин.)
Тестовые задания на доске, самопроверка по ответам на доске , анализ путём выборочного опроса, ликвидация пробелов.
Объясните с физической точки зрения, почему трава зеленая.
Объясните с физической точки зрения, чем белые поверхности отличаются от черных.
Свет какого цвета больше всего преломляется стеклянной треугольной призмой?
Какое явление объясняет радужную окраску мыльных пузырей?
Источники, имеющие одинаковую фазу и частоту называются когерентными.
Могут ли две звезды на небе быть когерентными источниками света? Почему?
Как называются колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени.
Какая волна называется продольной?
Какая волна называется поперечной?
Как расположены векторы Е и В в электромагнитной волне?
Электромагнитная волна продольная или поперечная?
III) Изучение нового материала (15 мин.)
Проблемный эксперимент
Учащимся раздаётся оборудование, на доску выводится задание к эксперименту:
1) Посмотрите на лампу, подключенную к источнику, через поляроид;
2) поворачивайте поляроид вокруг оси, наблюдайте освещенность экрана. Сделайте вывод;
3) установите между поляроидом и экраном ещё один поляроид и поворачивайте вокруг оси сначала один , потом другой поляроиды.
4) Наблюдайте, как меняется освещённость экрана. Сделайте вывод.
Эвристическая беседа
Первое предположение:
Свет – поперечная волна. Но в падающем от обычного источника пучке волн присутствуют колебания во всевозможных плоскостях, перпендикулярных направлению распространения волн;
Второе предположение: Поляроид обладает способностью пропускать световые волны с колебаниями, лежащими в одной определенной плоскости.
Слово учителя
Теоретические сведения
Кристалл турмалина поляризует естественный свет, т.е. выделяет (пропускает) колебания только в одной определённой плоскости. С помощью второго поляроида (анализатора) можно определить плоскость поляризации первого поляроида.
Проблемный эксперимент
На доску выводится задание к эксперименту:
1. Возьмите в руки поляроид и, поворачивая вокруг оси, посмотрите сквозь него на:
экран ноутбука;
изображение на интерактивной доске;
лампу накаливания.
Эвристическая беседа
Обучающимся предлагается объяснить результаты опытов.
Свет от экрана ноутбука поляризован;
Изображение на интерактивной доске поляризовано, оси поляризации для света разной длины волны не совпадают.
Свет лампы накаливания не поляризован.
Слово учителя
Теоретические сведения
Объяснение устройства LCD-монитора.
Проблемный эксперимент:
Теле-радио-связь осуществляется на электромагнитных волнах.
Давайте вспомним одно из свойств электромагнитных волн , и попробуем объяснить его с позиции знаний, полученных на сегодняшнем уроке.
Демонстрация опыта по поляризации электромагнитных волн (учебный фильм).
Слово учителя
Объяснение опыта: если направление металлических стержней решетки совпадает с направлением вектора напряженности электрического поля, то в стержнях возбуждаются токи, решетка срабатывает как проводник и отражает электромагнитную волну. Если же решетку повернуть на 90°, сигнал проходит, так как в этом случае стержни перпендикулярны вектору электрического поля, и оно не может вызвать появление токов в стержнях.
Проблемный эксперимент:
Поместим между скрещенными под углом 90° поляроидами смятый кусочек целлофана, покрутим по очереди поляроиды вокруг оси , пронаблюдаем эффект;
Поместим между скрещенными под углом 90° поляроидами специальный слайд из набора по поляризации света для наблюдения хроматической поляризации, повернём поляроиды вокруг оси , пронаблюдаем эффект на экране.
Пронаблюдаем через поляроид стопку стеклянных пластин, повернув их вокруг вертикальной оси на некоторый угол и поворачивая поляроид.
Слово учителя
Ц
еллофан:
Сильной анизотропией обладает целлофан. Этот упаковочный материал делают из вискозы, продукта переработки древесины. При изготовлении целлофановая плёнка сильно растягивается, выстраивая цепочками длинные органические молекулы.
Поляроидные очки:
очки с одним или двумя слоями поляроида. Очки с двумя слоями поляроида применяются как затемняющие светофильтры переменной плотности: сбоку очков выступает рычажок, с помощью которого можно два поляроида одновременно поворачивать относительно двух других, неподвижных. При параллельных поляроидах пропускание очков =40%, при скрещённых оно становится минимальным (=0,01%).
Очки с одним слоем поляроида применяются либо для разделения изображений, либо для уменьшения яркости бликов отражённого света. В первом случае плоскости поляризации обоих фильтров устанавливают взаимно перпендикулярно, чтобы в каждый глаз попадал свет только одной плоскости поляризации. Такие очки применялись в системе стереокино, в которой два кадра стереопары посылались на экран в поляризованном свете: плоскость поляризации каждого кадра соответствовала плоскости поляризации поляроида, через который свет должен был пройти в соответствующий глаз. Во втором случае поляроидные фильтры имеют одинаковые направления плоскостей поляризации и не пропускают свет , поляризованный в перпендикулярной плоскости. Свет, отражённый под углом от диэлектрической среды, в значительной степени поляризован. Очки позволяют сильно ослабить этот отражённый свет, что даёт возможность, напр., заглянуть вглубь воды.
Поляризационные системы.
При использовании линейной поляризации два изображения накладываются друг на друга на один и тот же экран через ортогональные (расположенные под углом 90 градусов друг к другу) поляризационные фильтры в проекторах. При этом необходимо использование специального посеребрённого экрана, который позволяет избежать деполяризации и компенсировать потерю яркости (поскольку на экран падает только 0,71 света излученного каждым проектором.
Зритель надевает очки, в которые также встроены ортогональные поляризационные фильтры; таким образом каждый фильтр пропускает только ту часть световых волн, чья поляризация соответствует поляризации фильтра, и блокирует ортогонально поляризованный свет.
Линейно поляризованные очки требуют, чтобы зритель держал голову на одном уровне, не наклоняя её, иначе эффект теряется.
Пример
технологии, использующей линейную поляризацию - IMAX 3D.
При использовании круговой поляризации два изображения так же накладываются друг на друга через фильтры с противоположно направленной поляризацией. В очки, предназначенные для зрителя , встроены «анализирующие» фильтры (с противоположно направленной поляризацией). В отличие от линейной поляризации, если зритель наклоняет голову, разделение левого и правого изображений сохраняется, а соответственно сохраняется и иллюзия стереоизображения.
П
оляризационные фотофильтры.
Действие этих фильтров основано на эффекте поляризации электромагнитных волн, а также на эффектах вращения плоскости поляризации некоторыми веществами.
Светочувствительный материал в фотографии не сохраняет информации о плоскости поляризации падающих на него волн электромагнитного излучения.
Поляризационный фильтр линейной поляризации. Содержит один поляризатор, поворачивающийся в оправе. Его применение основывается на том, что часть света в окружающем нас мире поляризована. Частично поляризованы все лучи, неотвесно падающие отражённые от диэлектрических поверхностей. Частично поляризован свет, поступающий от неба и облаков. Поэтому, применяя поляризатор при съёмке, фотограф получает дополнительную возможность изменения яркости и контраста различных частей изображения. Например, результатом съёмки пейзажа в солнечный день с применением такого фильтра может получиться тёмное, густо-синее небо. При съёмке находящихся за стеклом объектов поляризатор позволяет избавиться от отражения фотографа в стекле.
Для съёмки в условиях низкой освещённости выпускаются Low Light Polarizer, частично поляризующие свет и потому имеющие низкую кратность. При сложении двух таких фильтров перпендикулярно их плоскостями поляризации вместо полного гашения светового потока получается 2/3 величины потока.
Фильтр с круговой поляризацией. Помимо поляризатора, содержит так называемую «четвертьволновую пластинку», на выходе которой линейно-поляризованный свет приобретает круговую поляризацию. С точки зрения получаемого на снимке эффекта , круговой поляризатор ничем от линейного не отличается. Появление таких фильтров было продиктовано развитием элементов TTL автоматики фотоаппарата, которые, в отличие от фотоматериала, оказались зависимы от того, является ли попадающий на них через объектив свет поляризованным. В частности, линейно-поляризованный свет частично нарушает работу автоматики фазовой фокусировки в зеркальных фотоаппаратах и затрудняет экспозамер.
Составные нейтральные фильтры. Если сложить вместе два поляризатора, то при совпадающих плоскостях поляризации такой фильтр имеет максимальное светопропускание (и эквивалентен нейтрально-серому фильтру 2x). При перпендикулярных же направлениях поляризации при идеальных поляризаторах фильтр полностью поглощает падающий на него цвет. Выбирая угол поворота, можно в очень широких пределах менять светопропускание такого фильтра.
Составные цветные поляризационные фильтры. Они состоят из двух поляризующих фильтров, которые можно вращать, и между ними находится пластинка, поворачивающая плоскость поляризации света. Из-за того, что угол поворота зависит от длины волны , при каждом положении поляризаторов часть спектра проходит сквозь такую систему, а часть задерживается. Поворот же поляризаторов друг относительно друга приводит к изменению спектральной характеристики фильтра. Выпускаются, например, красно-зелёные фильтры.
Электронно-управляемые фильтры. Если в качестве второго поляризатора в конструкции составных фильтров используется жидкокристаллический элемент, это позволяет управлять свойствами фильтра непосредственно в процессе съёмки.
IV) Закрепление
(10 мин.)
Фронтальная беседа.
Вопросы для фронтальной беседы
Чем отличается обычный свет от поляризованного?
Что такое поляроиды?
Как кристаллы турмалина и поляроиды преобразуют свет?
На какое свойство света указывает явление поляризации?
Где можно пронаблюдать явление поляризации в быту и в технике?
Где и как используется явление поляризации?
Предложите ваше применение явления поляризации.
V) Подведение итогов (5 мин.)
Определим главное, что мы узнали сегодня на уроке:
понятие поляризации света;
поляроид и его функции;
проявление, применение поляризации света.
VI) Домашнее задание (3 мин.)
Цель урока
Сформировать у школьников понятие «естественный и поляризованный свет»; познакомить с экспериментальным доказательством поперечности световых волн; изучить свойства поляризованного света, показать аналогию между поляризацией механических, электромагнитных и световых волн; сообщить о примерах использования поляроидов.
Урок по поляризации света является заключительными в теме «Волновая оптика». В связи с этим урок с использованием компьютерного моделирования можно построить как урок обобщающего повторения или часть урока отвести под решение задач по темам «Интерференция света», «Дифракция света». Мы предлагаем модель урока, на котором изучается новый материал по теме «Поляризация света», а затем проводится закрепление изученного материала на компьютерной модели. На данном уроке легко сочетать реальную демонстрацию с компьютерным моделированием, так как поляроиды можно дать детям в руки и показать гашение света при повороте одного из поляроидов.
|
Домашнее задание: § 74, задача № 1104, 1105.
Объяснение нового материала
Явления интерференции и дифракции не оставляют сомнений в том, что распространяющийся свет обладает свойствами волн. Но каких волн – продольных или поперечных?
Длительное время основатели волновой оптики Юнг и Френель считали световые волны продольными, то есть 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.
Опыты с турмалином
Рассмотрим подробно только один из экспериментов, очень простой и эффектный. Это опыт с кристаллами турмалина (прозрачными кристаллами зеленой окраски).
Продемонстрировать учащимся гашение света при повороте двух поляроидов. Кристалл турмалина имеет ось симметрии и принадлежит к числу так называемых одноосных кристаллов. Возьмем прямоугольную пластину турмалина, вырезанную таким образом, чтобы одна из ее граней была параллельна оси кристалла. Если направить нормально к такой пластине пучок света от электрической лампы или солнца, то вращение пластины вокруг пучка никакого изменения интенсивности света, прошедшего через нее, не вызовет (см. рис.). Можно подумать, что свет только частично поглотился в турмалине и приобрел зеленоватую окраску. Больше ничего не произошло. Но это не так. Световая волна приобрела новые свойства.
Эти новые свойства обнаруживаются, если пучок заставить пройти через второй точно такой же кристалл турмалина (см. рис. а), параллельный первому. При одинаково направленных осях кристаллов опять ничего интересного не происходит: просто световой пучок еще более ослабляется за счет поглощения во втором кристалле. Но если второй кристалл вращать, оставляя первый неподвижным (рис. б), то обнаружится удивительное явление – гашение света. По мере увеличения угла между осями интенсивность света уменьшается. И когда оси перпендикулярны друг другу, свет не проходит совсем (рис. в). Он целиком поглощается вторым кристаллом. Как это можно объяснить?
 |
Поперечность световых волн
Из описанных выше опытов следует два факта: во-первых, что световая волна, идущая от источника света, полностью симметрична относительно направления распространения (при вращении кристалла вокруг луча в первом опыте интенсивность не менялась) и, во-вторых, что волна, вышедшая из первого кристалла, не обладает осевой симметрией (в зависимости от поворота второго кристалла относительно луча получается та или иная интенсивность прошедшего света).
Продольные волны обладают полной симметрией по отношению к направлению распространения (колебания происходят вдоль этого направления, и оно является осью симметрии волны). Поэтому объяснить опыт с вращением второй пластины, считая световую волну продольной, невозможно.
Полное объяснение опыта можно получить, сделав два предположения.
Первое предположение относится к самому свету. Свет – поперечная волна. Но в падающем от обычного источника пучке волн присутствуют колебания всевозможных направлений, перпендикулярных направлению распространения волн (см. рис.).
Продемонстрировать, что естественный свет содержит колебания во всех плоскостях.
Согласно этому предположению световая волна обладает осевой симметрией, являясь в то же время поперечной. Волны, например, на поверхности воды такой симметрией не обладают, так как колебания частиц воды происходят только в вертикальной плоскости.
Световая волна с колебаниями по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения, называется естественной . Такое название оправдано, так как в обычных условиях источники света создают именно такую волну. Данное предположение объясняет результат первого опыта. Вращение кристалла турмалина не меняет интенсивность прошедшего света, так как падающая волна обладает осевой симметрией (несмотря на то, что она поперечная).
Второе предположение, которое необходимо сделать, относится к кристаллу. Кристалл турмалина обладает способностью пропускать световые волны с колебаниями, лежащими в одной определенной плоскости (плоскость P на рисунке).
 |
На компьютерной модели «Закон Малюса»
Продемонстрировать, что кристалл турмалина выделяет только одну плоскость колебаний света. Поворачивая поляризатор, а затем анализатор, можно показать, что интенсивность проходящего света меняется от максимального значения до нуля. Для гашения света угол между осями поляроидов должен быть 90° . Если оси поляроидов параллельны, то второй поляроид пропускает весь свет, прошедший сквозь первый.
Такой свет называется поляризованным , или, точнее, плоскополяризованным , в отличие от естественного света, который может быть назван также неполяризованным . Это предположение полностью объясняет результаты второго опыта. Из первого кристалла выходит плоскопо-ляризованная волна. При скрещенных кристаллах (угол между осями 90°) она не проходит сквозь второй кристалл. Если оси кристаллов составляют между собой некоторый угол, отличный от 90°, то проходят колебания, амплитуда которых равна проекции амплитуды волны, прошедшей через первый кристалл, на направление оси второго кристалла.
Итак, кристалл турмалина преобразует естественный свет в плоскополяризованный.
Механическая модель опытов с турмалином
Нетрудно построить простую наглядную механическую модель рассматриваемого явления. Можно создать поперечную волну в резиновом шнуре так, чтобы колебания быстро меняли свое направление в пространстве. Это аналог естественной световой волны. Пропустим теперь шнур сквозь узкий деревянный ящик (см. рис.). Из колебаний всевозможных направлений ящик «выделяет» колебания в одной определенной плоскости. Поэтому из ящика выходит поляризованная волна.
 |
Если на ее пути имеется еще точно такой же ящик, но повернутый относительно первого на 90° , то колебания сквозь него не проходят. Волна целиком гасится.
Если в кабинете есть механическая модель поляризации можно, ее продемонстрировать. Если такой модели нет, то можно эту модель проиллюстрировать фрагментами видеофильма «Поляризация».
Поляроиды
Не только кристаллы турмалина способны поляризовать свет. Таким же свойством, например, обладают так называемые поляроиды . Поляроид представляет собой тонкую (0,1 мм) пленку кристаллов герапатита, нанесенную на целлулоид или стеклянную пластинку. С поляроидом можно проделать те же опыты, что и с кристаллом турмалина. Преимущество поляроидов в том, что можно создавать большие поверхности, поляризующие свет. К недостаткам поляроидов относится фиолетовый оттенок, который они придают белому свету.
Прямыми опытами доказано, что световая волна является поперечной. В поляризованной световой волне колебания происходят в строго определенном направлении.
В заключение можно рассмотреть применение поляризации в технике и проиллюстрировать этот материал фрагментами видиофильма «Поляризация».
Дифракция и интерференция света подтверждает волновую природу света. Но волны могут быть продольными и поперечными. Рассмотрим следующий опыт.
Поляризация света
Пропустим пучок света через прямоугольную пластину турмалина, одна из граней которой параллельна оси кристалла. Никаких видимых изменений не произошло. Свет лишь частично погасился в пластине и приобрел зеленоватую окраску.
картинка
Теперь после поместим еще одну пластину после первой. Если оси обоих пластин будут сонаправлены, ничего не произойдет. Но если второй кристалл начать вращать, то свет будет гаситься. Когда оси будут перпендикулярны, света вообще не будет. Он целиком поглотиться второй пластиной.
картинка
Сделаем два вывода:
1. волна света симметрична относительно направления распространения.
2. После прохождения первого кристалла волна перестает обладать осевой симметрией.
С точки зрения продольных волн объяснить это не удастся. Следовательно, свет – поперечная волна. Кристалл турмалина является поляроидом. Он пропускает световые волны, колебания которых происходят в одной плоскости. Это свойство хорошо проиллюстрировано на следующем рисунке.
картинка
Поперечность световых волн и электромагнитная теория света
Свет, который получается после прохождения поляроида, называется плоскополяризованным светом. В поляризованном свете, колебания происходят только в одном – поперечном направлении.
Электромагнитная теория света берет свое начало в работах Максвелла. Во второй половине 19 века Максвелл доказал теоретически существование электромагнитных волн, которые могут распространяться даже в вакууме.
И он предположил, что свет тоже является электромагнитной волной. В основе электромагнитной теории света лежит тот факт, что скорость света и скорость распространения электромагнитных волн совпадают.
К концу 19 века было окончательно установлено, что световые волны возникают из-за движения заряженных частиц в атомах. С признанием этой теории отпала необходимость в светоносном эфире, в котором распространяются световые волны. Световые волны - это не механические, а электромагнитные волны.
Колебания световой волны состоят из колебаний двух векторов: вектора напряженности и вектора магнитной индукции. За направление колебаний в световых волнах принято считать направление колебаний вектора напряженности электрического поля.
