Thí nghiệm tại nhà với ánh sáng phân cực

32

Thí nghiệm tại nhà với ánh sáng phân cực

Thay vì giới thiệu
Các thí nghiệm được mô tả trong bài viết này hoàn toàn không giống với những thí nghiệm thường được thực hiện ở trường học (hoặc thậm chí ở trường đại học). Ở đó, thông qua kinh nghiệm, họ kiểm tra tính đúng đắn của một số sự tương ứng phát sinh từ các định luật đã biết hoặc bằng cách thay đổi một phần đại lượng có trong những sự tương ứng này, họ tính toán những đại lượng khác. Ví dụ, theo định luật Hooke và định luật thứ hai của Newton, chu kỳ dao động ngoài của tải bằng $T = 2\pi\sqrt{m/k}$. Bạn có thể đo độc lập khối lượng của tải $m$ và độ đàn hồi của lò xo $k$, tính chu kỳ $T$ và so sánh nó với giá trị được thay đổi bằng thực nghiệm. Bạn cũng có thể đo chu kỳ và khối lượng của tải trọng và tính toán các lò xo.

Những thí nghiệm như vậy là rất cần thiết và liên tục được thực hiện không chỉ trong giáo dục mà còn trong các phòng thí nghiệm khoa học. Tuy nhiên, các thí nghiệm với các cách tiếp cận vấn đề khác cũng không kém phần quan trọng đối với khoa học. Giả sử bạn bị nhiễm một tác dụng không xác định nào đó, và nó kích động bạn bị đánh. Bạn bắt đầu khám phá những yếu tố và điều kiện mà hiệu ứng này phụ thuộc vào. Hơn nữa, cuộc nói chuyện không phải là kiểm tra bất kỳ luật nào, bởi vì vẫn chưa có gì để kiểm tra. Luật pháp vẫn chưa được biết đến và có thể không được thiết lập sớm. Nhưng bạn sẽ có đóng góp của mình cho sự phát triển của khoa học: lý thuyết trong tương lai sẽ phải ràng buộc các kết quả của bạn. Và điều này không làm cạn kiệt tầm quan trọng của nghiên cứu như vậy. Cho đến khi xuất hiện một lý thuyết hoàn chỉnh, một số kết luận quan trọng có thể được rút ra. Ngoài ra, hiệu ứng được phát hiện thậm chí có thể được ứng dụng thực tế. Ít nhất chúng ta hãy nhớ đến kim nam châm, nó đã được sử dụng như một cuộc hành trình rất lâu trước khi người ta hiểu được bản chất của từ tính.

Điều gì khiến chúng tôi quan tâm?

Một tia sáng mặt trời chiếu vào tấm kính và… không bị phản chiếu. Chúng tôi nhìn thấy những đốm bụi sáng trên bề mặt kính, nhưng không có chú thỏ nào trên tường. Khi chúng tôi đưa một miếng mica không dây vào các tia đi tới kính, một sự phản chiếu xuất hiện và trường nhìn được tô màu bằng tất cả các màu radgia. Chúng lung linh, hòa vào nhau khi rẽ hay khoe mica. Trong các thí nghiệm của mình, chúng tôi đã thực hiện được những điều này và một số khám phá khác. Chúng tôi là tôi và hai tám tác phẩm kinh điển.

Hãy nói ngay rằng đối với các thí nghiệm, chúng tôi đã sử dụng những chiếc kính thông thường nhất, nhưng ánh sáng đã được “chuẩn bị” theo một cách đặc biệt. Nếu không, hãy nói về mọi thứ theo thứ tự.

Chúng tôi tìm thấy hầu hết mọi thứ chúng tôi cần cho các thí nghiệm ở nhà. Ngoại lệ

Một giấy gói bằng giấy bóng kính nhàu nát được chụp dưới ánh sáng phân cực. Ảnh của I. Borisevich và A. Shuka.

33

Các tấm bao gồm các tấm mica (kích thước vài cm với độ dày 0,2-0,3 mm) và kính (tấm ảnh 9x12 cm, được rửa sạch từ nhũ tương, rất tiện lợi). Chúng tôi không sử dụng bất kỳ kiến ​​thức sâu sắc nào về bản chất của ánh sáng, ngoại trừ một điều: ánh sáng đó là sóng. Chúng tôi đã biết được loại sóng nào - liên tục hoặc ngang - từ việc phân tích kết quả thu được.

Sự biến mất của ánh sáng phản xạ

Trì hoãn “hiệu ứng mica” sang phần sau, chúng tôi đề cập đến tác động của sự biến mất của sự phản chiếu và sự hiện diện của nghiên cứu có phương pháp của nó.

Chúng ta lần đầu tiên nhận thấy hiện tượng này khi nhìn ảnh các vật sáng ngoài cửa sổ sau hai lần phản xạ. Cái đầu tiên ở trên kính cửa sổ, cái thứ hai ở trên tấm kính mà một người trong chúng tôi đang cầm trên tay. Đo vị trí của kính và dùng mắt theo dõi hình ảnh của một vật thể (ví dụ: một đám mây sáng ở thấp phía trên đường chân trời), chúng tôi phát hiện ra rằng với một số hình ảnh, hình ảnh dường như mờ đi, mất đi độ sáng rất nhiều. Hình học của đường truyền tia sáng trong trường hợp này được thể hiện trong Hình 1. Chúng ta sẽ thường gặp nó, và để ngắn gọn, chúng ta sẽ gọi nó là hình học số 1. Lưu ý rằng các mặt phẳng của phản xạ thứ nhất và phản xạ thứ hai vuông góc với nhau (chúng ta sẽ gọi mặt phẳng phản xạ là mặt phẳng trong đó tia tới và tia phản xạ và vuông góc với bề mặt thủy tinh nằm), và góc tới của các tia trên cả hai kính (chúng không có mặt phẳng vuông góc với bề mặt thủy tinh) gần bằng 60° so với mắt.

Hiểu rằng độ sáng của hình ảnh được xác định bởi lượng ánh sáng phản chiếu từ kính thứ nhất và kính thứ hai, chúng tôi đặt câu hỏi: tại thời điểm nào trong hai phản xạ - phản xạ thứ nhất hay kính thứ hai - độ phản xạ ánh sáng giảm? Bằng cách kiểm tra các vật thể được phản chiếu một lần trong thủy tinh, chúng tôi tin chắc rằng ở bất kỳ góc tới nào của tia tới, sự phản xạ của chúng không thể hiện mức tối thiểu. Ví dụ, khi tăng góc tới

Hình 1. Hình học số 1. Mặt phẳng của phản xạ thứ nhất và thứ hai vuông góc với nhau. Thực tế không có ánh sáng phản chiếu từ tấm kính thứ hai.

Khi độ sáng hình ảnh giảm, nó liên tục tăng. Vì vậy, chúng tôi xác định rằng tỷ lệ ánh sáng phản xạ trong kính thứ hai giảm nếu các tia phản xạ bởi kính thứ nhất trong hình học số 1 chiếu vào nó. Đây là bí quyết “chuẩn bị” ánh sáng đặc biệt của chúng tôi.

Sau đó chúng tôi tiếp tục thí nghiệm của mình.

Hiệu quả phụ thuộc vào cái gì và như thế nào?

Trước hết, chúng ta đổi nguồn sáng và lặp lại thí nghiệm ở hình học số 1. Chúng ta lấy một chiếc đèn sợi đốt (công suất 60 W) đặt sao cho khi ngồi lên ghế thì dây tóc có ở đó. phía trên đầu gối một chút. Hình ảnh phản chiếu đầu tiên là trong tấm kính từ giá sách mà chúng tôi đặt thẳng đứng, và hình ảnh thứ hai - từ tấm kính mà người ngồi trên ghế cầm trên tay trước mặt ngang với dây tóc đèn. Theo dõi sự phản chiếu của sợi chỉ bằng mắt, tôi nhanh chóng tìm được vị trí mà sợi chỉ mờ đi gần như hoàn toàn. Sự phản chiếu bị yếu đi bởi mắt ít nhất vài lần*). Chúng tôi lặp lại thí nghiệm với một nguồn sáng khác - một ngọn nến - và đảm bảo rằng hiệu ứng không phụ thuộc vào nguồn sáng.

Sau đó, chúng tôi tiến hành thí nghiệm với các vật phản xạ khác. Ngoài kính, vật liệu đầu tiên được sử dụng là cửa tủ sơn mài và

*) Trong phần tiếp theo, để cho ngắn gọn, chúng ta sẽ không nói về sự phản xạ giảm mạnh mà nói về sự biến mất của nó.

35

sự phản ánh. Ngược lại, dựa trên thực nghiệm thực nghiệm này, chúng ta đi đến kết luận về bản chất ngang của sóng ánh sáng. (Điều đáng chú ý là chúng ta thậm chí không cần phải suy nghĩ xem chính xác cái gì “dao động” trong ánh sáng, mặc dù tất nhiên chúng ta biết rằng ánh sáng đó là sóng điện từ.)

Điều gì xảy ra khi ánh sáng bị phản xạ hai lần?

Hình ảnh phản chiếu kép trình bày với chúng ta như sau. Ánh sáng chiếu vào gương phản xạ đầu tiên được gửi đi bởi một số lượng lớn các bộ phận khác nhau của vật thể phát sáng. Các dao động trong các “sứ giả” ánh sáng này vuông góc với hướng truyền của chúng, nhưng mặt khác hướng của chúng là nhất quán và xét về trung bình thì có xác suất bằng nhau (Hình 3). Mỗi dao động như vậy có thể được phân tách thành hai: một bắt nguồn từ mặt phẳng tới, dao động kia vuông góc với nó (Hình 4). Nếu góc tới là tối ưu thì chỉ một trong số chúng bị phản xạ. (Cái nào vẫn chưa rõ ràng, vì vậy các hướng trong Hình 4 là tùy ý.) Trong trường hợp này, ánh sáng phản xạ được cho là thẳng hàng hoặc bị phân cực. Kết quả của phản xạ thứ hai phụ thuộc vào hướng của hướng dao động và mặt phẳng tới: trong hình học số 2 có sự phản xạ, nhưng trong hình học số 1 thì không có.

Nếu các báo cáo là từ góc tới tối ưu trên gương phản xạ đầu tiên, thì cả hai hướng dao động sẽ được biểu thị trong ánh sáng phản xạ, nhưng ở các mức độ khác nhau và ánh sáng sẽ bị phân cực không hoàn toàn mà một phần. Đó là lý do tại sao, khi đi chệch khỏi hình học số 1 của Hình 3 hoàn chỉnh. Trong ánh sáng tự nhiên, các hướng dao động bằng nhau.

Hình 4. Thủy tinh chỉ phản xạ một thành phần dao động - vuông góc với mặt phẳng tới. Ánh sáng phản xạ bị phân cực.

Sự biến mất của ánh sáng phản xạ không xảy ra.

Hóa ra ánh sáng truyền qua cũng bị phân cực

Có được bức tranh về hiện tượng này, chúng tôi bắt đầu thể hiện nhiều ý tưởng khác nhau trên cơ sở nó và thử nghiệm chúng bằng thực nghiệm. Đây là một trong số đó. Ánh sáng từ đèn chiếu ở một góc tối ưu lên một số tấm kính xếp chồng lên nhau, sau đó chiếu vào một tấm kính khác, gọi là máy phân tích (Hình 5). Nếu hình ảnh của chúng ta đúng thì rõ ràng ánh sáng truyền qua cũng sẽ bị phân cực, nhưng theo hướng vuông góc với sự phân cực của ánh sáng phản xạ. Không giống như ánh sáng phản xạ, sự phân cực của ánh sáng truyền qua sẽ không hoàn toàn, nhưng càng có nhiều tấm trong ngăn xếp thì độ phân cực sẽ càng lớn: xét cho cùng, ánh sáng của một phân cực bị phản xạ một phần và “được chụp ảnh” từ mỗi chúng. Thật vậy, chúng tôi quan sát thấy rằng trong hình học thể hiện trên Hình 5, ánh sáng từ kính máy phân tích bị phản xạ kém hơn so với trường hợp mặt phẳng phản xạ vuông góc với mặt phẳng tới (hình học này không được thể hiện trong hình).

Về cơ bản, cùng một thí nghiệm này có thể được tổ chức hơi khác một chút. Sử dụng ánh sáng phân cực (nghĩa là phản xạ ở góc mong muốn), chúng tôi đã xác minh rằng cách phát âm của một chồng đĩa phụ thuộc rất nhiều vào hướng của hướng phân cực và mặt phẳng tới.

36

Hình 5. Ánh sáng không phân cực chiếu vào một chồng đĩa thủy tinh. Ánh sáng truyền qua bị chi phối bởi các dao động nằm trong mặt phẳng tới. Ánh sáng này phản chiếu kém từ kính thứ hai.

Trong trường hợp hiển thị trong Hình 6, a, mười chiếc kính hầu như không làm giảm độ sáng của ánh sáng và trong trường hợp, như trong Hình 6, b, chúng giảm độ sáng khoảng một nửa.

Sự xuất hiện và biến mất của mica nhiều màu

Chúng tôi bắt đầu thí nghiệm với mica bằng cách lặp lại chúng trong hình học số 1, với một chiếc đèn làm nguồn sáng. Sau khi điều chỉnh hệ thống đến mức tối thiểu phản xạ sâu hơn có thể, chúng tôi đã giới thiệu tấm mica

Hình 6. Ánh sáng phân cực chiếu vào một chồng tấm kính. Trong trường hợp a) - phản xạ yếu và phát âm cao; trong trường hợp b) - phản xạ mạnh, họ phát âm không tốt.

thành các tia đi từ gương phản xạ này sang gương phản xạ khác, do đó ánh sáng phân cực tiếp xúc quá mức với bề mặt của nó. Điều này dẫn đến việc tạo màu cho mica theo nhiều màu khác nhau, mặc dù dải màu kém hơn so với thí nghiệm với ánh sáng ban ngày. Chúng tôi đã quan sát thấy khi mica quay quanh một trục trùng với các tia sáng, các màu sắc thay thế nhau theo chu kỳ.

Nếu bạn nhìn trực tiếp vào ánh sáng phân cực truyền qua mica, tức là phản xạ thứ hai, thì không nhìn thấy màu sắc. Khi mica được di chuyển, vùng giữa đèn và tấm phản quang thứ nhất cũng không có màu sắc.

Ngoài mica, chúng tôi đã thử các vật liệu bền khác. Hóa ra thủy tinh và tấm mica không mang lại tác dụng gì, nhưng màng cellulon trong gói cũng cho tác dụng tương tự. Khi phim được xoay, sự phản xạ tăng và giảm theo chu kỳ (điều này tạo ra một vòng quay hoàn chỉnh nhiều lần), nhưng trong trường hợp này hầu như không có sắc thái màu.

Cuối cùng, chúng tôi lấy một tấm mica mỏng hơn nhiều, bóc một lớp khỏi tấm dày hơn. Mica lan truyền khá dễ dàng và sau một chút luyện tập, chúng tôi đã làm được điều đó. Lớp bong ra hoàn toàn rắn chắc và mỏng hơn đáng kể hơn 0,1 mm. Nếu bạn cố giữ nó ở góc ngang, nó sẽ bị hỏng dưới sức nặng của chính nó. Tác dụng của mica mỏng hóa ra cũng tương tự

37

về tác dụng của giấy bóng kính: khi quay mica, độ sáng của hình ảnh dây tóc đèn (sau lần phản xạ thứ hai) thay đổi định kỳ nhưng không có sai sót.

Có thể rút ra kết luận gì từ “hiệu ứng mica” quan sát được?

1. Trong hình học số 1, ánh sáng tới gương phản xạ thứ hai và bị phân cực sao cho không xảy ra hiện tượng phản xạ. Khi mica được đưa vào, sự phản chiếu sẽ xuất hiện. Điều này có nghĩa là các dao động theo một hướng khác xuất hiện trong sóng ánh sáng truyền qua nó. Nói cách khác, mica làm thay đổi trạng thái phân cực của ánh sáng.

2. Mica hoạt động khác nhau dưới ánh sáng có bước sóng khác nhau (màu sắc khác nhau), nhưng điều này thể hiện ở những lớp không quá mỏng.

Bằng cách sử dụng những đặc tính này của mica, chúng tôi có thể tăng đáng kể độ màu khi phát hiện sự phân cực một phần của ánh sáng. Hơn nữa, ở mức độ phân cực thấp, việc đưa mica vào các tia tới trên máy phân tích thủy tinh sẽ tạo ra màu đặc trưng khi phản xạ ánh sáng, màu này thay đổi theo chuyển động quay của mica. Do màu sắc cao của mắt, với phương pháp phát hiện sự phân cực này, không cần phải lo lắng về việc tìm ra chính xác vị trí tương ứng của mặt phẳng tới, điều này tất nhiên giúp đơn giản hóa việc quan sát.

Ví dụ, bằng cách sử dụng “cải tiến” này, chúng tôi đã xác định được rằng các đám mây chiếu sáng một bên sẽ gửi các tia phân cực một phần (Hình 7). Chúng tôi cũng quan sát thấy sự phân cực của bầu trời không mây. Hiệu ứng trong trường hợp này không đặc biệt lớn và được thể hiện rõ nhất nếu bạn đứng nghiêng về phía Mặt trời, sao cho

Hình 7. Một miếng mica hoặc giấy bóng kính làm tăng màu sắc phát hiện phân cực.

các tia tán xạ bởi khí quyển sẽ tới gần như vuông góc với đường nối Mặt trời và thủy tinh.

3. Khi nghĩ về “hiệu ứng mica”, chúng tôi kết luận rằng hiệu ứng này có liên quan gì đó đến thực tế là sự tương tác của mica với ánh sáng phụ thuộc vào hướng. Chính xác hơn: mica có các tính chất khác nhau theo các hướng khác nhau, và do đó kết quả của ánh sáng truyền qua nó phụ thuộc vào cách các dao động trong sóng ánh sáng được định hướng so với các hướng đó. Thật vậy, khi tấm được quay tương đối so với trục của chùm ánh sáng, chỉ có hướng của trục tinh thể của mica thay đổi theo hướng dao động. Thủy tinh, giống như thủy tinh, dường như không có hướng đặc biệt nào, nghĩa là vị trí của chúng giống nhau đối với mọi hướng.

Chúng tôi không thể tiến xa hơn trong việc hiểu những vấn đề này, nhưng chúng tôi có thể xác nhận tính đúng đắn của ý tưởng chung thông qua thử nghiệm. Để làm điều này, chúng tôi đã phá vỡ tính đối xứng bên trong của ortec một cách giả tạo với sự trợ giúp của các hướng cơ học. Trong hình học số 1, trong các tia tới trên tấm kính thứ hai, chúng tôi đặt một dải Ortex có kích thước $2 \times 20 \times 200$ mm. Hóa ra là nếu bạn uốn cong và xoắn dải này, thì ở một số nơi sẽ xuất hiện hiện tượng nhật thực đặc trưng của trường nhìn và biến mất khi được hướng về cùng một hướng. Sau đó, chúng tôi quyết định “đóng băng” các hướng dẫn. Sử dụng bàn ủi, chúng tôi làm mềm một phần nhỏ ở phần giữa của dải, tác dụng một lực kéo và không cần tháo nó ra, nhanh chóng làm nguội dải dưới vòi nước chảy. Ví dụ, Orteklo bắt đầu cư xử giống như một bộ phim giấy bóng kính.

Lưu ý rằng nghiên cứu của chúng tôi được thực hiện theo sơ đồ cổ điển: quan sát - nghiên cứu thực nghiệm - giả thuyết - thực nghiệm. Trên thực tế, chúng tôi đã lặp lại con đường mà khoa học đã đi. Sự phân cực của ánh sáng khi phản xạ được nhà vật lý người Pháp Malus phát hiện vào năm 1808, ba năm sau ông và nhà khoa học người Pháp Bu đã phát hiện ra sự phân cực của quá khứ