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1、16-1 自然光和偏振光,实验：试想象你把一根绳子的一头拴在邻居院子里的树上，另一头拿在你手里。再假定绳子是从篱笆的两根竹子的正当中穿过去的。好了，如果你现在拿绳子上下波动，这些波就会从两根竹子之间通过，并从你的手传到那棵树上。这时，那座篱笆对你的波来说是“透明的”。但是，要是你让绳子左右波动，绳子就会撞在两根竹子上，波就不会通过篱笆了。,一 何谓光的偏振,对纵波而言，包含传播方向与振动方向所构成的平面，哪一个都一样，没有一个显示出与另一个有什么区别或不同。称之为：波的振动方向对传播方向具有对称性。,光的振动方向在振动平面内不具有对称性，叫做光的偏振。,对横波而言，由传播方向与振动方向所构成的
2、平面，与包含传播方向而不包含振动方向的其它平面有区别。称之为：波的振动方向对传播方向不具有对称性。这种不对称性称之为偏振。,机械波的横波与纵波的区别-偏振,光的波动性,光的干涉、衍射,光波是横波,光的偏振,普通光源发光的特点：,在同一时间在大批原子发光；（不是全部）,就单个原子而言，每个原子都是断断续续发光，每次发光时间极短（10-8s）且一次只能发出一个有限长具有偏振性的波列。,同一原子先后发出的光及同一瞬间不同原子发出的光的频率、振动方向、初相位、发光的时间均是随机的。,结论：大量原子所发出的光的合振动的振动面是随机的，且各个方向的几率相同。,二 自然光 偏振光 部分偏阵光,观测光矢量在各
3、个方向的平均值,没有哪一个方向占优势,也没有在任何时间段内占优势,即这种光在时间上具有均匀性,在空间上具有对称性.这就是自然光.,1 自然光：一般光源发出的光中，包含着各个方向的光矢量在所有可能的方向上的振幅都相等(轴对称)这样的光叫自然光。,自然光以两互相垂直的互为独立的（无确定的相位关系）振幅相等的光振动表示，并各具有一半的振动能量。,符号表示,总光矢量分量的特点：,(2)各光矢量间无固定的相位关系。,(1)互相垂直方向是任选的。,(3)各光矢量振幅相等。,2 偏振光,3 部分偏振光,光矢量始终沿某一固定方向振动的光被称为线偏振光。,某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振动占优势的光被称为
4、部分偏振光。,偏振度,若一偏振光，光强最强的方向的光强的平均值为Imax，与之垂直方向的光强平均值为Imin，则：,偏振度：,讨论：,完全偏振光,部分偏振光,自然光,16-2 起偏和检偏 马吕斯定律,一 偏振片的起偏与检偏,二向色性:某些物质能吸收某一方向的光振动，而只让与这个方向垂直的光振动通过，这种性质称二向色性。,偏振片：涂有二向色性材料的透明薄片。,偏振化方向：当自然光照射在偏振片上时，它只让某一特定方向的光通过，这个方向叫此偏振片的偏振化方向。,偏振化方向,起偏器,偏振片的起偏作用,检偏器,起偏器,检偏：用偏振器件检验光的偏振态,若 I 不变，是什么光？,若 I 变，有消光，是什么光
5、？,若 I 变，无消光，是什么光？,然光混合而成的部分偏振光,设入射光可能是自然光,线偏振光,或由线偏振光与自,或,二 马吕斯定律（Malus law 1880 年）,马吕斯定律：强度为I0的偏振光通过检偏振器后,出射光的强度为,例1 有两个偏振片,一个用作起偏器,一个用作检偏器。当它们偏振化方向间的夹角为300时,一束单色自然光穿过它们,出射光强为I1；当它们偏振化方向间的夹角为600时，另一束单色自然光穿过它们，出射光强为I2，且I1=I2。求两束单色自然光的强度之比。,解：设两束单色自然光的强度分别为I10和I20,经过起偏器后光强分别为 和。,经过检偏器后,例2 在两块正交偏振片P1，
6、P3之间插入另一块偏振片P2，光强为I0的自然光垂直入射于偏振片P1，讨论转动P2时透过P3的光强I3与转角的关系。,16-3 布儒斯特定律,入射面：入射光线和法线所成的平面。,反射光：部分偏振光，垂直于入射面的振动大于平行于入射面的振动。,折射光：部分偏振光，平行于入射面的振动大于垂直于入射面的振动。,理论和实验证明：反射光的偏振化程度与入射角有关。,光反射与折射时的偏振,布儒斯特定律（1812年）,反射光为完全偏振光，且振动面垂直入射面，折射光为部分偏振光。,当,(1)反射光和折射光互相垂直。,特点,(2)根据光的可逆性，当入射光以角从n2介质入射于界面时，此角即为布儒斯特角。,注意,对于
7、一般的光学玻璃,反射光的强度约占入射光强度的7.5%，大部分光将透过玻璃。,讨论,讨论下列光线的反射和折射。,例1 一自然光自空气射向一块平板玻璃，入射角为布儒斯特角i0，问在界面1、2的反射光是什么光？,线偏振光,例2 一束自然光以某一入射角入射到玻璃上，这时反射光成为偏振光，折射角为320，求(1)入射角；(2)玻璃的折射率。,解：(1),(2),偏振的应用,汽车车灯与窗玻璃用同一偏振化方向的透明膜。,(1)防止对面来的灯光耀眼,(2)放立体电影,原理：利用人眼的双眼效应。,-利用反射光的偏振性,有反射光干扰的橱窗,在照相机镜头前加偏振片消除了反射光的干扰,作业 练习十八、九,四、偏振光的
8、应用 光的偏振在科学技术及工业生产中有着广泛的应用。比如在机械工业中，利用偏振光的干涉来分析机件内部应力分布情况，这就是光测弹性力学的课题。在化工厂里，我们可以利用偏振光测量溶液的浓度。偏光干涉仪、偏光显微镜在生物学、医学、地质学等方面有着重要的应用。在航海、航空方面则制出了偏光天文罗盘。下面我们介绍几种日常生活中应用偏振光的实例：1、汽车车灯 汽车夜间在公路上行驶与对面的车辆相遇时，为了避免双方车灯的眩目，司机都关闭大灯，只开小灯，放慢车速，以免发生车祸。如驾驶室的前窗玻璃和车灯的玻璃罩都装有偏振片，而且规定它们的偏振化方向都沿同一方向并与水平面成45度角，那么，司机从前窗只能看到自已的车灯
9、发出的光，而看不到对面车灯的光，这样，汽车在夜间行驶时，即不要熄灯，也不要减速，可以保证安全行车。,另外，在阳光充足的白天驾驶汽车，从路面或周围建筑物的玻璃上反射过来的耀眼的阳光，常会使眼睛睁不开。由于光是横波，所以这些强烈的来自上空的散射光基本上是水平方向振动的。因此，只需带一副只能透射竖直方向偏振光的偏振太阳镜便可挡住部分的散射光。2、观看立体电影 在拍摄立体电影时，用两个摄影机，两个摄影机的镜头相当于人的两只眼睛，它们同时分别拍下同一物体的两个画像，放映时把两个画像同时映在银幕上。如果设法使观众的一只眼睛只能看到其中一个画面，就可以使观众得到立体感。为此，在放映时，两个放放像机每个放像机
10、镜头上放一个偏振片，两个偏振片的偏振化方向相互垂直，观众戴上用偏振片做成的眼镜，左眼偏振片的偏振化方向与左面放像机上的偏振化方向相同，右眼偏振片的偏振化方向与右面放像机上的偏振化方向相同，这样，银幕上的两个画面分别通过两只眼睛观察，在人的脑海中就形成立体化的影像了。,3、生物的生理机能与偏振光 人的眼睛对光的偏振状态是不能分辨的，但某些昆虫的眼睛对偏振却很敏感。比如蜜蜂有五支眼、三支复眼、两支复眼，每个复眼包含有6300个小眼，这些小眼能根据太阳的偏光确定太阳的方位，然后以太阳为定向标来判断方向，所以蜜蜂可以准确无误地把它的同类引到它所找到的花丛。再如在沙漠中，如果不带罗盘，人是会迷路的，但是
11、沙漠中有一种蚂蚁，它能利用天空中的紫外偏光导航，因而不会迷路。,16-4 光的双折射现象,恒量,1 光的双折射现象,一 寻常光 非寻常光,光的双折射现象：光在入射到光学性质是各向异性的媒质时，媒质内部将出现两条折射光，这种现象叫做双折射现象。,方解石晶体、石英晶体,2 双折射的寻常光和非寻常光,寻常光线-ordinary rays),-服从折射定律的光线,非寻常光线-extraordinary rays),-不服从折射定律的光线,一般情况，非寻常光线不在入射面内。,实验证明：o光和e光均为偏振光。,二 产生双折射的原因,寻常光线：在晶体中各方向上传播速度相同。,常量,非寻常光线：晶体中各方向上
12、传播速度不同，随方向改变而改变。,为主折射率,方解石晶体,光轴：在方解石这类晶体中存在一个特殊的方向，当光线沿这一方向传播时不发生双折射现象。称这一方向为晶体的光轴。,三 几个概念,A,B,光轴,单轴晶体：一个光轴双轴晶体：两个光轴,光轴代表着一个方向，与光轴平行的线都是光轴,主截面：在晶体内，晶体光轴与晶面法线方向构成的平面。,实验表明：o光的振动方向垂直于其主平面，e光的振动方向在其主平面内。,o光的主平面：在晶体中o光与光轴所组成的平面叫做o光的主平面。,e光的主平面：在晶体中e光与光轴所组成的平面叫e光的主平面。,当入射光位于晶体的主平面内时（即入射面就是晶体的主平面），o光、e光以及
13、它们的主平面都在入射面内（两光的主平面与入射面重合）。此时，o光和e光的光矢量振动方向互相垂直。,例.ABCD 为一块方解石的一个截面，光轴方向在屏幕面内且与AB 成一锐角q,如图所示.一束平行的单色自然光垂直于 AB 端面入射.在方解石内折射分解为 o 光和 e 光,o 光和 e 光的:,(A)传播方向相同,光矢量的振动方向互相垂直.,(D)传播方向不相同,光矢量的振动方向不互相垂直.,(C)传播方向不相同,光矢量的振动方向互相垂直.,(B)传播方向相同,光矢量的振动方向不互相垂直.,C,四 尼科耳棱镜-偏振器件,o光,e光,纳黄光对方解石、胶的折射率,BC为黑色,尼科耳棱镜可用于起偏和检偏,原理：把自然光分成寻常光和非寻常光，然后利用全反射把寻常光反射到棱镜侧壁上，只让非寻常光通过，从而获得一束振动方向固定的线偏振光。,
