Жарықтың поляризациясы. Зертханалық жұмыс № 3. «Жарықтың поляризациясын бақылау». Физика, 11 сынып, сабақ жоспары, 27-28 сабақ.

Қосымша-1-2

Үй тапсырмасын бағалау парағы

Топтық жұмыс.

1-топ: Толқындық оптика нені зерттейді?

2-топ: Жарық толқындарының қандай қасиеттері бар: барлық қасиеттеріне жеке-жеке тоқталу

3-топ: Жарық толқындарының байқалатын құбылыстарға мысал келтіріңіздер.

Бағалау

Бағалау критерийлері бойынша мұғалімнің бағалауы

Жұмыс барысында мұғалім жетелеуші, бағыт беру, түрткі болу сұрақтарын қояды.

Қосымша -3

Теориялық материал

 Тербелістің қандайда бір бағыты басым болатын толқын поляризациянған толқын деп аталады. Поляризацияны мынадай түрлері бөледі:а) сызықтық (жазық) поляризация,

 ә) дөңгелек (циркульдік) поляризация.б) эллипстік поларизация.

 Поляризация тек көлденең толқындарға тән. Егер орта болшектері толқынның таралу бағытына перпендикуляр бағыттарда тербелетін болса онда мұндай толқындарды көлденең толқындар деп атайды. Дөңгелек немесе эллипстік поляризациялы толқынды екі сызықтық (жазық) поляризацияланған толқынға жіктеуге болады. Егер электромагниттік жарық толқынында Е ⃗ (электр өрісі кернеулігінің тербелуші векторы) және В (магнит өрісі индукциясының векторы) векторларының тербеліс бағыттары өзгермейтін және толқынның таралу бағытына перпендикуляр жазықтықта жататын болса ондай жарық толқыны жазық поляризациясыдеп атайды.Егер электромагниттік жарық толқынында Е ⃗ және В векторларының тербеліс бағыты толқынның таралу бағытына перпендикуляр кез келген жазықтықта болса, ондй жарық толқыны табиғи жарық деп аталады. Табиғи жарық жарық көздерінен тарайды.Поляризацияланған жарықты алудың әр түрлі тәсілдері бар. Табиғи жарықты поляризацияланған жарыққа айналдыру үшін қолданылатын құрылғы поляризатор немесе поляроид деп аталады. Қарапайым поляризаторға тек белгілі бір жазықтықта ғана тербелетін жарық толқындарын ғана өткізу қабілеті бар жасыл түсті турмалин кристалы жатады.Поляризатор табиғи жарықтын тек белгілі бағыттағы толқындары бар компонентін ажыратып өткізеді. Жарық толқынындағы тербеліс бағыты деп электр өрісінің Е ⃗ кернеулік векторының бағыты қабылданған. Әдеттегі жарық көздері шығаратын табиғи жарық поляризацияланбаған болып табылады. Жарық толқынында тербелістер оның таралу бағытына перпендикуляр жазықтықта барлық бағытта тербеледі.

Анизотропты кристалл турмалинмен жасалатын тәжірибе

 Толып жатқан эксперименттердің ішінен өте қарапайым турмалин кристалымен (жасыл түсті мөлдір кристалмен) жасалған тәжірибені қарастырайық.

Турмалин кристалының симметрия өсі бар және ол бір өсті кристалл деп аталатындар санатына жатады. Турмалинмен тікбұрышты пластинаны, бір қабырғасы кристалл осімен

параллель болатындай етіп қиып алайық. Егер осыңдай пластинаға тік бағытпен электр шамының жарығын не Күннің жарық шоғын жіберсек, онда пластинаның өзінен өтетін шоқтың айналасындағы қозғаудан жарықтың интенсивтігі өзгермейді (1-сурет).

Жарық аздап қана жұтылды да, жасылдау түске боялды деп ойлауға болады. Басқа ештеңе болған жоқ. Бірақ бұл олай емес. Жарық толқындары жаңа қасиеттерге ие болды. Егер шоқты дәл осындай екінші турмалин кристалы арқылы, біріншіге парааллель етіп өткізсек, онда осы жаңа қасиеттер байқалады (2,а-сурет).

 Кристалдардың осьтері бірдей бағытталғанда да кызығарлык ештеңе болмайды: екінші кристалда жұтылғандықтан жарық шоғы тағы бәсеңдей түседі. Ал егер біріншіні козғамай, екінші кристалды айналдырсақ (2,б- сурет),таң қаларлық құбылыс - жарықтың сөнгені байқалады. Осьтер арасындағы бұрыш үлкейген сайьш, жарықтың интенсивгігі азаяды. Остер бір- біріне перпендикуляр болғанда, жарық мүлде өтпейді (2,в-сурет). Оны екінші кристалл тұтасымен жұтып алады. Турмалин кристалы жарықты поляризациялайды, яғни табиғи жарықты жазық поляризацияланған жарыққа түрлендіреді.

 Поляроидтар. Жарықты поляризациялайтын тек турмалин кристалы ғана емес. Мысалы, поляроидтар деп аталатындарда да сондай қасиет бар. Поляроид герапатит кристалдарының целлулоид не шыны пластинаға жағылған жұқа (0,1 мм) қабықшасы болады. Турмалин кристалымен жүргізілген тәжірибелерді поляроидпен де жасауға болады. Поляроидтардың артықшылығы - жарықты поляризациялайтын үлкен беттерді жасай алатындығында. Поляроидтың кемшілігі олардың ақ жарыққа күлгін түс беретіндігі.

 Бұл жасалған тәжірибелер, жарық толқыны көлденең толқын екенін дәлелдейді. Поляризацияланған жарық толқынында тербелістер қатаң түрде белгілі бір бағытта жүреді.

 Табиғи және поляризацияланған жарық – оқушыларға өз білімдерін жеткілікті жетілдіру үшін

 Жарықтың толқындық қасиеті көрінетін құбылыстардың біріне жарықтың поляризациясы жатады. Электр векторы, яғни жарық векторы барлық бағытта тербеліс жасайтын жарықты табиғи жарық деп атайды. Электр векторы бір ғана бағытта немесе тек белгілі бір бағыттарда ғана тербеліс жасайтын жарықты поляризацияланған жарық деп атайды.

 Жарық толқындары электромагниттік толқындардың бір түрі болып табылады да, ол атомдағы электрондарға негізгі әсерін тигізеді. Сондықтан тек жарық векторын – электр өрісі векторын  қарастырамыз. Жарық толқынының электр өрісі векторы түрлі жаққа бағытталған, яғни әр түрлі жазықтыққа тербелуі мүмкін. Олай болса, электр өрісі векторының  кеңістікке осылайша барлық бағытта таралатын жарығы табиғи жарық деп аталады (1.1-сурет).

 Кейбір жағдайларда жарық толқыны тек белгілі бір бағытта ғана тербелуі мүмкін. Осындай жарық поляризацияланған жарық деп аталады. Жартылай поляризациялаған жарық (1.1 б-сурет) деп – векторының тербелісіне көбінесе бағытталған жарықты айтады. Егер жарық векторы тербелістері бір ғана жазықтықта болса, онда бұл жарық жазық поляризацияланған жарық болады. Бұл жазықтық поляризациялану жазықтығы деп аталады. Жарық толқынының электр векторының  ұшы шеңбер бойымен немесе эллипс сызса, онда жарық толқындары дөңгелектік немесе эллипстік поляризацияланған делінеді. Поляризация дәрежесі деп  шамасын айтады: , мұндағы және  поляризацияланған жарықтың максималды және минималды интенсивтілігі. Табиғи жарық үшін  және  жазық поляризацияланған жарық үшін  және Табиғи жарықты, поляризаторларды пайдаланып, жазық поляризацияланған жарыққа айналдыруға болады. Поляризатор ретінде анизотропты орталарды пайдаланады.

 Малюс заңы

 Поляризатор арқылы  интенсивтілігі бар табиғи жарықты өткізейік (1.2-сурет). А тербеліс амплитудасын екіге бөлуге болады:  және . Өткен толқынның интенсивтілігі пропорционал .

 Поляризатордан өткен жарық , ал бірінші поляризатордан   өткен жазық поляризацияланған жарықтың интенсивтілігі: . Жазық поляризацияланған жарықтың жолына екінші поляризаторды  бірінші поляризаторға  бұрышпен қоямыз (1.3-сурет). Малюс заңы бойынша жарықтың интенсивтілігі өзгереді:

 Демек, екі поляризатордан өткен жарық интесивтілігі:

Бұдан , поляризаторлар параллель болған жағдайда және .

 Жарықтың шағылу және сыну кезіндегі поляризациялануы

 Егер табиғи жарық екі ортаның шекарасына түссе, онда шағылған және сынған сәулелер жартылай поляризацияланған болады (1.4-сурет).

 Шағылу сәулесінде түсу жазықтығына перпендикуляр толқындар басым болады, ал сыну сәулесінде түсу жазықтығында жатқан толқындар.

Егер түсу бұрышы Брюстер бұрышына тең болса _. (1.3) арақатынасы анықтайды, онда шағылған сәуле жазық поляризацияланған болады. Сыну бұрышы бұл жағдайда максимальды поляризацияланады, бірақ толығымен емес.

Шағылған және сынған сәулелер өзара перпендикуляр:  

         немесе бірақ сондықтан 

 Жарық сәулесінің қосарланып сынуы

 Табиғатта және техникада өзіне түскен жарық сәулелерін қосарландырып көрсететін кристалдар кездеседі. Егер осындай кристалдар арқылы біз затты көретін болсақ, онда оның қосарланған кескінін байқауға болады. Мұндай құбылысты жарық сәулелерінің қосарланып сынуы деп атайды. Бұл құбылыс анизатропты ортада жарықтың таралуымен түсіндіріледі. Егер кристалға жарық шоғын бағыттаса, онда кристаллдан бір-біріне параллель екі сәуле шығады (1.5-сурет). Шоқ кристалға нормаль түссе де, сынған  шоқ екіге бөлінеді: біреуі біріншісінің жалғасы болады(кәдімгі деп аталады(о)), ал екіншісі шағылады(өзгеше деп аталады(е)).

 Жарық сәулесімен таралған оптикалық анизатропты кристаллдың бағытталуы кристаллдың оптикалық осі деп аталады. Жарық сәулесінің және кристаллдың оптикалық осі арқылы өтетін жазықтық, кристаллдың негізгі жазықтығы деп аталады. о-сәулесі кристаллдың барлық бағытында бірдей жылдамдықпен таралады   шағылу көрсеткіші n₀ бұл екі орта үшін тұрақты. е-сәулесі әр түрлі бағытта әр түрлі жылдамдықпен таралады    өзгеше сәуленің шағылу көрсеткіші n_е айнымалы шама.

 Бақылау сұрақтары:

• Жарық толқынының көлденең толқын екенін оның поляризация құбылысы арқылы қалай дәлелденеді?
• Қандай жарық жазық поляризацияланған делінеді?
• Поляризаторға жазық поляризацияланған сәуле түседі. Неге поляризаторды сәуле төңірегінде айналдырғанда өткен сәуленің қарқындылығы төмендейді?
• Қай жағдайда анизатропты кристалдан сәуле өткенде оның қосарлану байқалмайды?

Қосымша -4

Зертханалық жұмыс № 3. «Жарықтың поляризациясын бақылау»

 Жұмыстың мақсаты:

 1. Екі поляроид арқылы өткен жарық интенсивтілігінің олардың бір-біріне бағытталуына тəуелділігін зерттеу.

 2. Шағылудағы жарық поляризациясын бақылау жəне оның шағылдырушы зат материалына жəне түсу бұрышына тəуелділігін анықтау.

 Оқу мақсаты: ОМ: 11.6.1.3 - жарықтың поляризациясын тәжірибеде бақылау

Құралдар: тоқ көзі, шам , кілт, саңылауы бар экран, магнит ұстатқыш (2).

 Жұмыс барысы.

• Планшетке кілті бар шамды орнатып, оны қосу үшін тізбек құрыңыз.
• Шам қасына поляроидты ұстатқышты орнатыңыз. Бірінші поляроидтан 4-5см қашықтықта екінші поляроид, ал оның артында экран орналасады. Жұмыстың бірінші бөлімінің құрылымы 1-суретте көрсетілген.

• Шамды жағып, поляроидты түзетіңіз. Поляроидтар бір-біріне параллель, ал олардың орталықтары шамның қызу қылының биіктігінде жəне шамнан экранға дейінгі сызық бойында орналасуы керек. Поляроид жақтауларын бір жаққа қаратады. Экранда бұл кезде бірдей жарықталған жарық дақ көрінеді.
• Бірінші жақтаудағы поляроиды горизонталь оське қатысты 90⁰ бұрыңыз да экрандағы ақшыл дақтың қанықтылық түсі қалай өзгеретіндігін анықтаңыз.

• Экран түсінің қанықтылығы екінші поляроидты біріншісі сияқты бұрғанда қалай өзгеретінін бақылаңыз.

• Бірінші жақтаудағы поляроидты 360⁰ бұрғанда экрандағы дақ түсінің қалай өзгеретіндігін анықтаңыз.
• Осы тəжірибені екінші поляроидпен қайталаңыз жəне поляроидтардың бағыты олар арқылы өткен жарық ағынының интенсивтілігіне əсері туралы қорытынды жасаңыз.
• Шамның қасына саңылауы бар экранды орнатыңыз. Экранның басқа жағынан планшетке орталығында айнасы бар ұстатқыш бекітілген лимб орнатыңыз. Экран саңылауынан шыққан жарық айнаның ортасына 50-60⁰ бұрышта түсуі керек.
• Айнамен шағылған жарық жолында поляроиды бар ұстатқыш орнатыңыз. Жұмыстың бұл бөлігі үшін құрылым схемасы 2-суретте көрсетілген
• Поляроид арқылы айнадағы шамның шағылуын горизонтальді оське қатысты айналдыра отырып, айнамен шағылған жарық поляризациясын қарау мүмкіндігін анықтаңыз.
• Айнаны мөлдір пластинамен алмастырыңыз, тəжірибені қайталаңыз жəне жарықты шағылдыратын зат материалы шағылу кезінде жарық поляризациясына əсері туралы қорытынды жасаңыз.
• Жарықтың пластинаға түсу бұрышын өзгерте отырып, шағылған жарықтағы поляризациядəрежесі қалай өзгеретіндігін анықтаңыз

Зертханалық жұмысты бағалау критерийлері:

• Оқушы зертханалық жұмыстың мақсатын және қажетті құралдарын дұрыс айқындайды
• Оқушы экспериментке қажетті құралдарды өзі танып алады
• Оқушы экспериментке қажетті құралдарды өзі құрастырады
• Оқушы экспериментті мұғалімнің көмегінсіз орындайды
• Оқушы экспериментте бақыланған жағдайдарға өз қорытындысын жасайды
• Оқушы шағылған жарықтағы поляризациядəрежесі қалай өзгеретіндігін теориялық біліміне сүйене отырып, дұрыс анықтайды
• Оқушы эксперименттің әр бөлімін жүргізу барысында / зертханалық жұмысты орындау барысында қауіпсіздік ережелерінің орындалуын сақтайды.

Қосымша -5

Қалыптастырушы бағалау - жеке жұмыс

• Төмендегі 1 суретте көрсетілгендей, қолдарыңызға жеке бір турмалин пластинасын алып, терезе жарығына қараңыз. Пластинаны ары-бері айналдырып көріңіз. Не байқадыңыз: турмалин пластинасынан өткен жарықта өзгеріс болды ма: жарықтың түсінде, жарық немесе қараңғы болып көрінуінде?
• Төмендегі 2 суретте көрсетілгендей, қолдарыңызға жеке-жеке екі турмалин пластинасын алып, әрқайсысы арқылы терезе жарығына қараңыз. Содан кейін екі пластинаның осьтері бір түзу бойында орналасатындай етіп ұстап, олардың біреуін қозғалтпай ұстап тұрып, екіншісін ақырындап өз осінен айналдыра қозғалтыңыздар. Осы тәжірибеде не байқадыңыздар?

Әр жолы тәжірибеден байқағандарыңызды өз сөздеріңізбен айтып түсіндіріңіздер: бұл жерде жарықтың қандай қасиетін байқағандарыңызды, жарыққа бір пластина арқылы қарағанда, екі пластинаны қозғалтпай ұстап қарағанда, бірін екіншісіне қатысты айналдыра ұстап қарағанда не құбылыс болды? Егер турмалин пластинасының орнына жай ғана шыны пластинаны немесе басқадай бір мөлдір денені пайдалансақ, осы құбылыс байқалар ма еді?

 Қосымша сұрақтар:

• Жарық толқынының көлденең толқын екенін оның поляризация құбылысы арқылы қалай дәлелденеді?
• Қандай жарық жазық поляризацияланған делінеді?
• Поляризаторға жазық поляризацияланған сәуле түседі. Неге поляризаторды сәуле төңірегінде айналдырғанда өткен сәуленің қарқындылығы төмендейді?
• Қай жағдайда анизатропты кристалдан сәуле өткенде оның қосарлану байқалмайды?

Бағалау критерийлері:

• Оқушы өз ойын жеткізе біледі
• Оқушы өзі бақылаған құбылысты түсіндіру үшін теориялық біліміне сүйеніп, дұрыс дәйектер келтіреді
• Турмалиннің қандай кристалға жататындығын, оның қандай қасиеттері бар екендігін дұрыс сипаттайды
• Неліктен турмалин пластинасы арқылы қарағанда жарықтың түсі өзгергендігін түсіндіреді
• Қосымша сұрақтарға дұрыс жауап береді