Кольоровий прозорих світ речей Фізика «Всяка всячина»

Нас різнокольоровий оточує світ. Прозорі пластмаси і багато скла насправді переливаються справи всіма кольорами веселки. Ця фарба гра неозброєному оку недоступна: виникає вона в поляризованому світлі. Однак побачити її дозволить саморобне нескладне пристосування полярископ.

Поляризоване світло

Світло, випромінюване Сонцем або звичайною електричною лампою, складається з електромагнітних хвиль, коливання що здійснюють у всіх напрямках можливих навколо світлового променя. З цих коливань невпорядкованих можна вирізати хвилю з коливань напрямом в одній площині. Таке називається світло плоскополяризованим.

Поляризація відбувається при проходженні крізь світла деякі кристали, ісландські та тонкі плівки з синтетичних матеріалів. Світло через такий поляризатор, на погляд нічим не відрізняється від звичайного. Але якщо на шляху поляризованого променя помістити кристал другий або шматок плівки - аналізатор, - помітні стануть його особливі властивості.

При аналізаторі повороті навколо осі, що збігається з напрямком променя, світло проходить періодично пропадає. Це відбувається в той момент, коли поляризатори коли схрещені коливання пропускають у взаємно перпендикулярних напрямках. Якщо ж між схрещеними помістити поляроїдами кілька целофану листочків або смужку прозорої пластмаси, видно стануть різнокольорові смуги, що всю покривають поверхню.

Саморобні поляризатори

У наукових лабораторіях як приладів поляризаційних зазвичай використовують призми, склеєні зі скла та ісландського шпату. Таку називають призму миколем, її запропонував 1820 року фізик англійський Вільям Ніколь. Рідше поляризаторизастосовуються із синтетичної плівки. Але самому виготовити можна набагато простіше пристрій.

На початку XIX французького століття військовий інженер Етьєн Малюс виявив, що світло, відбите від поверхні води або скла, так поляризується ж, як при проходженні ісландський крізь шпат. У 1815 році фізик шотландський Девід Брюстер чудовий відкрив закон, його названий ім'ям: повністю світло поляризується, падає якщо на поверхню під речовини кутом, якого тангенс дорівнює заломленню показника речовини. При цьому заломлений промінь піде перпендикулярно відбитому і буде максимально поляризований. Якщо ж пропустити світло через скляну стопку пластин, поляризації ступінь пропорційно зростатиме числу поверхонь. І на практиці достатньо буває семи восьми пластинок, щоб отримати повністю поляризоване світло. Важливо, що поляризація відбувається лише при відображенні від діелектрика, ізолятора. Відображення від металу, що покриває відбувається за іншими законами і світла не поляризує.

Подивимося, яким під кутом падати повинен промінь на поверхню скла, щоб поляризуватися при відображенні. Коефіцієнт скла заломленняn= 1,5 1,7. Легко підрахувати, якщо що , то кут поляризації . Для води. Цей відраховується кут перпендикуляра до поверхні.

Перші поляризаційні пристосування використовували властивості саме відбитого світла. Їхня простота самим дозволяє зробити двох поляризаторів типів, що працюють не гірше за лабораторні.

Для першого виготовлення моделі два знадобляться невеликі листи прямокутного скла. Їх покривають з одного рівного боку шаром чорної фарби і закріплюють так, щоб світло на них під падало кутом поляризації.

Для цьогоз тонкої фанери, пластмаси або щільного збирають картону дві коробчасті стійки, вклеївши в них шибки кутом під 33° до горизонтальної площини. У кришці стійки одного вікна вирізують і закривають шматком його скла - воно послужить предметним столиком. Іншу стійку зверху поміщають та розглядають відображення об'єкта, що лежить на столику.

Для другої поляризаторів моделі вже знадобиться скляних пластинок, і вимоги до їх якості будуть більш високі. Скло повинно бути прозорим, а поверхня гладкою. Чим тонше платівки, легше тим буде прилад. Ідеальним матеріалом було б покривне квадратне скло, що застосовується в мікроскопії для захисту препаратів. Їх близько товщина 0,15 мм, розмір від сантиметра до п'яти. Підходять і предметні стекла близько товщиною 1 мм. Купити їх можна у магазинах медичної та лабораторної техніки. Не гірше й шибки, вирізані зі старих фотопластинок. Але цей матеріал, схоже, сьогодні ще менш доступний, тому доведеться, швидше за все, простим задовольнятися шибками. З нього смужки вирізають довільного розміру із співвідношенням сторін 2 : 1 вікна поляризатора буде або більше. Стопку стекол закріплюють у трубці квадратного перерізу під кутом 33° до променя зору. Пара таких приладів утворює поляризатор з аналізатором.

Подивимося, можна побачити за допомогою зробленої апаратури.

Штучна анізотропія

У однорідному речовині світло поширюється по всіх напрямках з однією швидкістю. Постійні та інші фізичні властивості твердість, пружність, теплопровідність. Такі речовини називаються ізотропними. Якщо ж до пластини такого матеріалу прикласти зовнішнє вплив стиснути її або вигнути, в ньому деформації виникнуть і з'являтьсявиділені напрямки. Властивості вздовж речовини цих напрямів і поперек стануть їх неоднаковими, виникне анізотропія. Світловий промінь у такому розщепиться речовині на два, і рухатимуться вони з різними швидкостями. Більш того: вони будуть поляризовані у взаємно напрямках перпендикулярних і взаємодіяти не будуть.

І для звичайного, і для поляризованого світла нічого не зміниться: інтенсивність сумарна двох залишиться променів колишньої. Але аналізатор, що стоїть після пластини, «виріже» з них дві хвилі, що коливаються в одній площині. А оскільки їх породив один вихідний промінь, хвилі будуть інтерферувати. Найменші товщини зміни пластинки та величини деформації у ній призводять до виникнення ходу різниці хвиль. З'явиться різнокольорова картина, подібна до тієї, що буває на поверхні води з плівкою масла або бензину. Її можна спостерігати за допомогою виготовлених приладів.

Сильною має анізотропію целофан. Цей пакувальний матеріал роблять з віскози, переробки продукту деревини. При виготовленні целофанова плівка сильно розтягується, ланцюжками вибудовуючи довгі органічні молекули.

Шматочки целофану з пачки складають цигарок разом, орієнтуючи їх у різних напрямках, і поміщають між поляроїдами. Прозора плівка пофарбується в дивовижні чистоти та яскравості кольору. При одному повороті з поляризаторів кольори змінюватимуться на додаткові: стане червоний зеленим, синій жовтим і навпаки.

У світлі поляризованому стає напруження видно в лінійках, коробках і корпусах кулькових ручок з прозорої пластмаси.

У шматку скла, стиснутому пасатижами, кольорові з'являться смуги, які зникають після зняттянавантаження. А в загартованому склі, яке стоїть у вікнах автомобілів і вагонів, напруги ці зберігаються і бувають помітні у вигляді райдужних численних плям.

Поляризаційні методи дозволяють побачити, як буде вести деталь себе при роботі. З органічного скла вирізають плоску спроектовану модель деталі і піддають навантаженню, аналогічному реальному. Кольорові будуть смуги тим тонші і розташуються тим гущі, вище концентрація напруг; вкажуть вони на області, з яких розпочнеться руйнування деталі.

Природна поляризація

Світло Сонця чи звичайної лампи неполяризоване. Однак на шляху до спостерігача властивості його можуть змінюватися.

Сонячне світло поляризується, розсіюючись на молекулах повітря, причому в різних відносно напрямках Сонця Виявити це можна за допомогою стопи скляного або «чорного» дзеркала, подивившись, змінюється як яскравість сфери небесної в області зеніту в залежності від азимуту спостереження.

Якщо дзеркало тримати на висоті близько 20 см рівнем над очей, світло від зеніту відбиватися стане в ньому кутом під поляризації. Ще зручніше розглядати небо скляну крізь стопу. Повертаючись вертикальною навколо осі, можна помітити, що відображення яскраве, коли Сонце спереду або за спиною, і темне, воно коли справа або зліва. Цей же результат вийде, розглядати якщо в дзеркало неба відображення поблизу горизонту. Очевидно, розсіяне що сонячне сильно світло поляризоване у напрямі, напрямі перпендикулярному Сонцю. А коливання хвилі електромагнітної спрямовані перпендикулярно площині, через Сонце, що проходить, точку спостерігається і очей.

Виразно видно темні області і на відображенні від гладкої води поверхні на неї під кутом потрібно трохи трохи. Коли Сонце стоїть низько, вода на півночі та на півдніпомітно здається темнішим, ніж на сході та на заході. А прозорі хмари на відображенні набагато видно виразніше: їхнє світло не поляризоване і послаблюється менше.

За поляризатора допомоги можна побачити і ще цікаве одне небесне явище — так звану «щітку Гайдінгера». Її спостереження терпіння потребує деякої практики.

Якщо кілька хвилин розглядати блакитного відбиття неба в «дзеркалі», здасться, що рівний фон покривається як би сіткою. Незабаром на її місці жовте виникне пляма, що нагадує щітку, з синіми плямами з боків. Вона видно буде також, подивитися якщо крізь скляну стопу, обертаючи її повільно, на білу хмару при цьому буде теж. Розміри її дуже значні 4°, в 8 разів діаметра більше повного Місяця, але яскравість і контрастність дуже малі. Дуга, через продовжена жовту "щітку", проходить зазвичай через Сонце. Однак у вузькій біля області його вдається спостерігати "щітку", під спрямовану прямим кутом до цього напрямку. Для цього потрібно відвернутися від Сонця і дивитися на відображення у склі, яскравий заслонивши сонячний зайчик.

При певній навичці та після тренувань довгих багатьом вдається бачити "щітку" і без поляризатора, неозброєним оком. Лев Толстой у повісті «Юність», наприклад, згадав «чисте небо, на якому, дивишся як уважно, з'являється раптом як курна ніби жовта цятка і знову зникає…».

До цих пір не зовсім зрозуміло, яким чином око поляризоване бачить світло. Герман Гельмгольц, фізик німецький і дослідник, що займався багато фізіологією зору, вважав, що причина криється в структурі сітківки. Світлочутливі очі клітини мають анізотропію і поглинають промені сині сильніше, ніж жовті. Однак це не пояснює, деякічому бачать "щітку" у вигляді смуги синій з жовтими плямами з боків. Можливо, це пов'язано з відмінностями в індивідуальній структурі сітківки. залишається незрозумілим, чому, коли око втомлюється, здається безперервним то жовте, то синє пляма.

---