Домашние опыты с поляризованным светом

32

Домашние опыты с поляризованным светом

Вместо введения
Эксперименты, описанные в этой статье, по своему характера совем не похожи на те, что обычно делаются в школе (или даже в институте). Там на опыте либо проверяют правильность каких-нибудь соответствий, вытекающих из уже известных законов, либо, изменив часть величины, входящих в эти соответствия, вычислют другие. Например, из закона Гука и второго закона Ньютона следует, что период колебаний груза наружное равен $T = 2\pi\sqrt{m/k}$. Можно независимым способом измерить массу груза $m$ и пругусть пружины $k$, вычислить период $T$ и сравнить его с измененным на опыте значением. Можно также измерить период и массу груза и вычислить пружины.

Такие эксперименты очень нужны и поступно ведется не только в учебных, но и в научных laboratories. Однако для науки не менее важны эксперименты с другими подходом к проблеме. Допустим, вы наполнались на какой-то неизвестный эффект, и он возбудил вашебитство. Вы начинаете исследовать, от каких факторов и условий этот эффект зависит. Причем речне идет о проверке каких-либо законов, потому что проверять пока нечего. Законы еще неизвестны и, возможно, будут установлены не скоро. Но вы внесите свой вклад в развитие науки: будучая теория должна будет обязывать ваши результаты. И этим не исчерпивает значение таких исследований. Если до появления полной теории может быть сделан ряд важных заключений. Кроме того, обнаруженный эффект может даже найти практическое применение. Вспомним хотя бы о магнитной стрелке, которая служила путешествием задолго до того, как была понята природа магнетизма.

Что нас заинтересовало?

Яркий луч солнечного света падает на стеклянную пластинку и… не отражается. Мы видим освещенные пылинки на поверхности стекла, но зайчка на стене нет. Когда в лучи, идущие к стеклу, мы ввели кусочек беспроводной слюды, отражение появилось, а поле зрения окрасилось всеми цветами радгии. Они переливались, переходя друг в друга при повороте или показывании слюды. В наших опытах мы сделали эти и еще несколько открытий. Мы — это я и два восемь классика.

Скажем сразу, что стекла для опытов мы брали самые обикновенные, а вот свет был «приготовлен» особым способом. В прочем, расскажем об всем по порядку.

Почти все необходимое для экспериментов мы нашли дома. Исключение

Смятая целлюфановая обертка, сфотографированная в поляризованном свете. Фото И. Борисевича и А. Шуки.

33

нице составили пластинки слюды (размерами несколько сантиметров при толщине 0,2—0,3 мм) и стекла (очень удобны отмытые от эмульсии фотопластинки 9×12 см). Мы не использували каких-либо глубоких знаний о природе света, кроме одного: что свет — это волны. Какие именно волны — продолжные или поперечные, мы узнали из анализа полученных результатов.

Исчезновение отраженного света

Отложив «эффект слюды» на потом, мы занялись эффектом исчезновения отражения и присутствии к его методическому изучению.

Первый раз мы заметили это явление, рассматривая изображения ярких предметов за окном после двух отражений. Первое проискдилю в окном стекле, второе — в стеклянной пластинке, которое один из нас держал в руках. Меня положение стекол и следяглазами за изображением предмета (например, светлого облака невысокого над горизонтом), мы обнаружили, что при некоторых изображении изображение как бы меркнет, сильно теряя свою яркость. Геометрия хода лучей для этого случая показана на рисунке 1. Она нам будет часто встречаться, и для краткости будем называть ее геометrium №1. Заметьте, что плоскости первого и второго отражений взаимно перpendикулярны (плоскостью отражения будем называть плоскость, в которой лежат падающий и отраженный лучи и перpendикуляр к поверхности стекла), а углы падания лучей на оба стекла (они отсутствовали от перpendикуляра к поверхности стекла) на глаз близки к 60°.

Понимая, что яркость изображения определяется количеством света, отраженного от первого и второго стекол, мы задались вопросом: при каком из двух отражений — первом или втором — падает коэффициент отражения света? Рассматривая предметы, однократно отраженные в стекле, мы убедились в том, что при каком угле падания лучей их отражение не обнаруживает минимума. Например, с ростом угла паде-

Рис. 1. Геометрия №1. Плоскости первого и второго отражений взаимно перpendикулярны. От второго стекла свет практически не отражается.

ния яркость изображения непрерывно возратает. Так мы определили, что доля отраженного света уменьшается во втором стекле, если на него падают лучи, отраженные первым стеклом в геометrium №1. В этом и состоял наш секрет особого «приготовления» света.

Затем мы продолжили эксперименты.

От чего и как зависит эффект?

Прежде всего мы сменили источник света и повторили опыт в геометrium №1. Мы взяли лампу накаливания (мощность 60 Вт) и поставили ее так, что, когда сидшь на стуле, нить находится. несолько выше колен. Первое отражение проискдилю в стекле от книжной полки, которое мы поставили вертикально, а второе — от стеклянной пластинки, которое сидевший на стуле держал в руках перед собой на уровне нитей лампы. Следяглазами за отражением нити, довольно быстро удалось найти положение, при котором нить меркнет почти полностью. Ослабление отражения достигало на глаз по крайней мере несколько десять раз*). Мы повторили опыт еще с одним источником света — свечой — и убедились, что от источника эффект не зависит.

Потом мы провели опыты с другими отражателями. В качестве первого, кроме стекла, использовались лакированная дверца шкафа и по-

*) В дальнейшем, ради краткости, будем говорить не о сильном уменшении отражения, а о его исчезновении.

35

ние отражения. Напротив, отражения от этого экпериментального факта, мы приходим к выводу о поперечности световых волн. (Заметельно, что нам даже не пришлось думать о том, что именно «колеблется» в свете, хотя мы знали, конечно, что свет — это электромагнитная волна.)

Что же происходит при двойном отражении света?

Картина двойного отражения представляет нам в следующем виде. Свет, падающий на первый отражатель, посылается огромным числом различных участков светящого тела. Колбания в этих световых «посылаках» перpendикулярны к направлению их распространения, но в остальном их направления служны и в среднем равноверятны (рис. 3). Каждое такое колбание можно разложить на два: одно проискот в плоскости падения, другое — перpendикулярно к ней (рис. 4). Если угол падения оптимален, то отражается только одно из них. (Какое именно, осталось невыясенным, поэтому направления, показанные на рисунке 4, приняты произвольно.) Втаком случае говорят, что отраженный свет выстроен или поляризован. Исход второго отражения зависит от ориентации направления колбаний и плоскости падения: в геометрии № 2 отражение есть, а в геометрии № 1 его нет.

Если же отчеты от оптимального угла падения на первый отражатель, то в отраженном свете будет представлены оба направления колбаний, но в нединаковой степени, и свет будет поляризован не полностью, а частично. Вот почему при отклонении от геометрии № 1 полного рис. 3. В естественном свете направления колбаний равноверятны.

Рис. 4. Стекло отражает только одну составляющую колбаний — перpendикулярную плоскости падения. Отраженный свет поляризован.

исчезновения отраженного света не проискот.

Оказывается, прошедший свет тоже поляризован

Имея картину явления, мы стали на ее основе высказывать различные представления и проверять их на опыте. Вот один из них. Свет от лампы падает под оптимальным углом на несколько стеклянных пластинок, сложенных в стопу, а затем — еще на одной стекло, называемое анализатором (рис. 5). Если наша картина правильно, то, очевидно, прошедший свет тоже будет поляризован, но в направлении, перpendикулярном поляризация отраженного света. В отличие от отраженного, поляризация прошедшего свет не будет полной, но чем больше пластинок в стопе, тем больше будет поляризация: ведь от каждой из них частично отражается и «отсенвается» свет одной поляризации. И действительно, мы наблюдали, что в геометрии, приведенной на рисунке 5, свет от стеклаанаnalizатора отражается хуже, чем в случае, когда плоскость отражения перpendикулярна плоскости падения (эта геометрия на рисунке не показана).

Этот же, по существу, опыт можно поставить немного по-другому. Использовая поляризованный (то есть отраженный под нужным углом) свет, мы проверили, что произношность стопы пластин сильно зависит от ориентации направления поляризация и плоскости падения.

36

Рис. 5. Неполяризованный свет падает на стопу стеклянных пластин. В проходящем свете преобладают колебания, лежание в плоскости падения. Такой свет плохо отражается от второго стекла.

В случае, показанным на рисунке 6, а, десять стекол почти не уменышают яркости света, а в случае, как на рисунке 6, б, — уменышают ее приблинительно вдвое.

Возникновение и исчезновение разноцветной окраски слюды

Опыты со слюдой мы начали с того, что повторили их в геометрии № 1, при этом источником света слюждала лампа. Настроив систему на возможное более глубокий минимум отражения, мы ввели пластинку слюды

Рис. 6. Поляризованный свет падает на стопу стеклянных пластин. В случае а) — отражение слабое и произносят высока; в случае б) — отражение сильное, произносят плохая.

в лучи, идущие от одного отражаателя к другому, так, что поляризованный свет был перепendlukурен ее поверхности. Это приведо к окрашиванию слюды в различные цвета, правда цветовая гамма была беднее, чем в опыте с дневным светом. Мы наблюдали, как при поворачивании слюды вокруг оси, совпадающей с лучами света, цвет перiodически сменяли друг друга.

Если же смотреть на поляризованный свет, прошедший сквозь слюду непосредственно, то есть минут второе отражение, то никаких цветов не видно. При перемещении слюды в области между лампой и первым отражателем также не было никакой окраски.

Кроме слюды мы испробали другие произчные материалы. Оказалось, что стекло и оргстекло не дают никакого эффекта, а вот целлюлоновая пленка от пачки сиграет дала аналогичный эффект. При поворотах пленки отражение перiodически усиливалось и уменышалось (это проискдило несколько раз один полный поворот), но цветовой окраски в этом случае почти не было.

Наконец, мы взяли гораздо более тонкую слюду, отшелив слой от более толстой пластинки. Слюда довольно легко рассливается, и после небольший тренировки нам удалось это сделать. Отшелленный слой был совершенно произчным, и, по-видимому, заметно тонше 0,1 мм. Если попытаться держать его за уголок горизонтального, то он проиграется под собственной тяжестью. Действие тонкого слюда оказалось похожим

37

на действие целлофана: при врашении слюды яркость изображения нити лампы (после второго отражения) перiodическая менялась, но оказки не были.

Какие можно сделать выводы из наблюдаемого «эффекта слюды»?

1. В геометрии № 1 на второй отражатель падает свет, поляризованный так, что отражения не происходит. При введении слюды отражение появляется. Значит, в прошедшей через нее световой волне появляются колебания другого направления. Другими словами, слюда меняет состояние поляризация света.

2. Слюда по-разному действует на свет различных длин волн (различных цветов), но проявляется это в не очень тонких слоях.

Использову указанные свойства слюды, мы смогли сильно увеличить цветительность обнаружения частичной поляризации света. Далее при небольшей степени поляризации введение слюды в падающие на стекло-анализатор лучи дает в отражении свете характераную окраску, меняющийся с поворотом слюды. Благодаря высокой цветовой цветительности глаза, при таком способе обнаружения поляризация не нужно заботиться о том, чтобы точно подыскать соответствующее положение плоскости падения, что, конечно же, упрощает наблюдения.

С помощью этого «усовершенствования» мы, например, установили, что освещенные сбоку облака посылают частично поляризованные лучи (рис. 7). Мы наблюдали и поляризацию головного безоблачного неба. Эффект в этом случае не особенно велик и проявляется лучше всего, если стоять к Солнцу боком, так, что

Рис. 7. Кусочек слюды или целлофана увеличивает цветительность обнаружения поляризации.

бы лучи, рассеяные atmosферой, приходили приблизительно перпендикулярно к линии, соединяющей Солнце и стекло.

3. Думая об «эффекта слюды», мы заключили, что этот effekt как-то связаан с тем, что взаимодействие слюды со светом зависит от направления. Точнее: слюда имеет различные свойства в различных направлениях, и поэтому результат прохождения света через нее зависит от того, как ориентированы колебания в световой волне относительно этих направлений. Ведь при поворотах пластинки относительно оси светового лучка меняется только ориентация кристалических осей слюды по отношению к направлению колебаний. Стекло, так же как и ортекло, видимо, никаких особых направлений не имеет, то есть их светства одинаковы для всех направлений.

Дальше в понимании этих вопросов мы продвинутся не смогли, но правильность обшей идеи мы сумели подтвердить на опите. Для этого мы искусственно нарушили внутреннюю симметрию ортекла с помощью механических направлений. В геометрии № 1 в лучи, падающие на второй стекло, мы помещили полоску из ортекла размерами $2 \times 20 \times 200$ мм. Оказалось, что если изгибать и скручивать полоску, то местами появляется характерное затмение поля зрения, которое пропадает при сятини направлении. Тогда мы решили «заморозить» направления. Утюгом мы слегка размягчили небольший участок средней части полоски, приложили растягивающее усилие и, не снимая его, быстро охладили полоску под стреуей воды. Например, ортекло стало вести себя подобно целлофановой лленке.

Заметим, что наши исследования велись по классическому схеме: наблюдание — опытное исследование — гипотеза — эксперимент. Фактически мы повторили путь, проеденный наук. Поляризацию света при отражении открытой французский физик Малюс в 1808 году, через три года он и французский ученый Бю обнаружили поляризацию прошедшего