Методика формирования понятия "поляризация света" на основе плана обобщенного характера Текст научной статьи по специальности «Физика»

Ивченко О.А., Бабарико А.А. Методика формирования понятия «поляризация света» на основе плана обобщенного характера // Электронный научно-методический журнал Омского ГАУ. - 2018. -№1 (12) январь -март. - URL http://e-journal.omgau.ru/images/issues/2018/1/00495.pdf. - ISSN 2413-4066

УДК 535 - 4:378.147

Ивченко Олеся Анатольевна

Кандидат физико-математических наук, доцент

Омский филиал Военной академии материально-технического обеспечения им. генерала

армии А.В. Хрулева, г. Омск

[email protected]

Бабарико Анна Александровна

Старший преподаватель ФГБОУВО Омский ГАУ, г. Омск [email protected]

Методика формирования понятия «поляризация света» на основе плана обобщенного характера

Аннотация. Авторы статьи занимаются исследованиями в области методики формирования междисциплинарных естественнонаучных понятий в сфере смежных дисциплин (биомеханика, медицинская и биологическая физика). В данной работе представлена методика формирования понятия «поляризация света» на основе плана обобщенного характера в рамках курса «Физика» для направлений «Экология и природопользование», «Стандартизация и метрология», «Агрохимия и агропочвоведение», «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов», «Агроинженерия».

Ключевые слова: методика формирования понятия, план обобщенного характера, поляризация света, физическое явление.

В свете тенденции возрастающих требований к публикуемой учебной и учебно-методической литературы, а также требований предъявляемых к преподавателям ВУЗа, назревает проблема, связанная, в том числе, с качеством самих изданий. Большинство публикуемых работ отличаются низким уровнем научной и методической проработки излагаемого материала. Многие авторы пренебрегают основополагающими принципами дидактики, теорией и методикой обучения, что затрудняет процесс усвоения излагаемой информации, а в некоторых случаях приводит к искажению смысла формулируемых научных понятий.

Одной из основных проблем, выделенных нами в ходе анализа ряда современной учебной литературы, посвященной курсу общей физики и смежным с ней дисциплинам (биомеханике, медицинской и биологической физике), является проблема методики формирования научных понятий [6]. Решение данной проблемы заключается в совершенствовании методики изложения учебного материала, а в частности, в применение планов обобщенного характера, разработанных А.В. Усовой [5]. Прежде чем перейти к рассмотрению примера методики формирования научного понятия на основе плана обобщенного характера, введем содержания основных универсалий, используемых в работе.

Под физическим явлением мы понимаем изменение существенных свойств материальных объектов или проявление новых свойств, обусловленных взаимодействием с другим материальным объектом [4]. А.В. Усова определяет понятие следующим образом: «понятие есть знание существенных свойств (сторон) предметов и явлений окружающей действительности, существенных связей и отношений между ними» [5]. Содержание понятия составляет совокупность существенных признаков объекта. Чтобы раскрыть содержание понятия, следует найти признаки, необходимые и достаточные для выделения данного объекта из множества других объектов [4]. Таким образом, для построения классического определения понятия необходимо найти общее (родовое) понятие, а затем установить основной отличительный (видовой) признак. Родовой признак есть понятие класса, в который мы вводим другое рассматриваемое нами понятие. Видовое отличие - признак, который служит для того, чтобы выделить понятие из ряда ему подобных (рис. 1) [4]. Предметом настоящего исследования является методика формирования понятия «поляризация света» на основе плана обобщенного характера в рамках курса «Физика» для направлений «Экология и природопользование», «Стандартизация и метрология», «Агрохимия и агропочвоведение», «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов», «Агроинженерия».

видового понятий

План обобщенного характера Что нужно знать о явлении (свойстве, процессе)

1. Внешние признаки.

2. Условия, при которых проявляется свойство, протекает явление или процесс.

3. Сущность явления, свойств и процессов, механизм их протекания и объяснение на основе современных научных теорий.

4. Определение.

5. Величины и законы, характеризующие явление, свойство или процессы.

6. Использование явлений, свойств тел, веществ, полей или процессов на практике.

7. Способы предупреждения вредного воздействия явления, свойства материальных объектов или физического процесса на человека и окружающую среду.

1. Человеческий глаз устроен таким образом, что не способен отличить естественный свет от поляризованного. «Косвенно» поляризацию можно наблюдать в виде бликов отраженного света, который является поляризованным, от поверхности воды, снега, стекла. Солнечный свет, рассеянный в земной атмосфере, также линейно поляризован. Способность различать линейно поляризованный свет есть у некоторых насекомых (пчелы, муравьи) и птиц.

2. Поляризация света возникает при его отражении и преломлении на границе раздела двух диэлектриков, а также при явлениях двойного лучепреломления и дихроизма [1].

Вследствие анизотропии кристаллов при прохождении через них света возникает явление, называемое двойным лучепреломлением., которое заключается в том, что упавшая на кристалл волна внутри кристалла разделяется на две волны, распространяющиеся в общем

случае в различных направлениях, с различными скоростями и имеющие различную поляризацию (открыто в 1669 г. датским ученым Э. Бартолином). Один из этих лучей подчиняется законам геометрической оптики (а именно, закону преломления) - этот луч назвали обыкновенным (о), а второй луч не подчиняется законам геометрической оптики -этот луч назвали необыкновенным (в). Например, даже в случае нормального падения света на поверхность пластинки, вырезанной из одноосного кристалла, необыкновенный луч преломляется (рис. 2). Угол его преломления re зависит от того, как ориентирована поверхность пластинки по отношению к оптической оси кристалла. Он равен нулю только в двух случаях: а) если поверхность пластинки перпендикулярна к оптической оси (свет распространяется в пластинке вдоль оптической оси, не испытывая двойного лучепреломления); б) если поверхность пластинки параллельна оптической оси (свет распространяется в пластинке перпендикулярно к оптической оси).

Дихроизм - это свойство некоторых кристаллов наряду с двойным лучепреломлением один из лучей поглощать значительно сильнее, чем другой (в зависимости от ориентации электрического вектора E световой волны). Поглощается, как правило, обыкновенный луч, а выходит - необыкновенный. В результате, при достаточной толщине кристалла, обладающего свойством дихроизма, из него выходит только один полностью поляризованный луч. В кристалле турмалина обыкновенный луч практически полностью поглощается на длине 1 мм, а необыкновенный луч выходит из кристалла. В кристалле сульфата йодистого хинина (герапатит) один из лучей поглощается на длине 0,1 мм. Это явление используется для создания поляроидов (на выходе поляроида получается один поляризованный луч). Поляроиды изобретены американским ученым Э. Лэндом в 1932 г. Именно свойством дихроизма объясняется окраска драгоценных камней (рубинов, изумрудов, сапфиров).

3. Физическая сущность процесса поляризации света, проходящего через кристалл, состоит в следующем. Свет - это электромагнитные волны и, согласно электромагнитной теории Максвелла, переменное электрическое поле световой волны вызывает в кристаллическом диэлектрике переменный поляризационный ток, т. е. переменное смещение заряженных частиц (ионов, атомов), составляющих кристаллическую решетку. Поляризационный ток выделяет джоулеву теплоту; следовательно, в кристалле происходит превращение световой энергии в теплоту.

Благодаря анизотропии кристалла возможное смещение его частиц, а, следовательно, и сила поляризационного тока оказываются неодинаковыми для различных плоскостей кристаллической решетки. Очевидно, что световая волна, идущая в плоскости, соответствующей значительным возможным смещениям частиц, вызывает сильный поляризационный ток и потому практически полностью поглощается кристаллом. Если же световая волна идет в плоскости, соответствующей малым смещениям частиц, то она

вызывает слабый поляризационный ток и проходит сквозь кристалл без существенного поглощения.

Таким образом, из электрических колебаний естественного света, имеющих всевозможные направления, через кристалл проходят (без поглощения) только те, которые совершаются в плоскости, соответствующей минимуму поляризационного тока; остальные колебания в той или иной мере ослабляются, так как сквозь кристалл проходят только их проекции на эту плоскость. В результате у света, прошедшего через кристалл, электрические колебания совершаются лишь в одной определенной плоскости, т. е. свет оказывается поляризованным, а его интенсивность уменьшается вдвое по сравнению с интенсивностью естественного света [2].

4. Поляризацией света называется физическое явление выделения линейно поляризованного света (рис. 3в) из естественного (рис. 3а) или частично поляризованного (рис. 3б) (открыто в конце XVII в. Х. Гюйгенсом).

а б в

Рис. 3. Естественный и поляризованный свет

Поляризация волн - характеристика поперечных волн. В продольной волне поляризация возникнуть не может, т. к. направление колебаний в этом типе волн всегда совпадает с направлением распространения.

5. Закон Малюса (1809 г.) (рис. 4). Направим естественный свет перпендикулярно пластинке турмалина Ti, вырезанной параллельно оптической оси ОО' (направление в кристалле, относительно которого атомы (или ионы) кристаллической решетки расположены симметрично). Вращая кристалл Ti вокруг направления луча, никаких изменений интенсивности прошедшего через турмалин света не наблюдаем. Если на пути луча поставить вторую пластинку турмалина T2 и вращать ее вокруг направления луча, то интенсивность света, прошедшего через пластинки, меняется в зависимости от угла а между оптическими осями кристаллов по закону Малюса:

1 = I0 cos2 а,

где Io и I - соответственно интенсивности света, падающего на второй кристалл и вышедшего из него, где I ~ E2, т. е. интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды светового вектора [3]. Он означает, что колебание, параллельное плоскости поляризатора, проходит через него и несет с собой от падающей волны долю интенсивности равную

cos2 а.

Интенсивность плоскополяризованного света, прошедшего первый поляризатор,

определяется выражением I1 = . Это объясняется тем, что в естественном свете все

направления колебаний перпендикулярные оси поляризатора равновероятны, а среднее значение квадрата косинуса равно 0,5. Тогда, согласно закону Малюса, из второго поляризатора выйдет свет интенсивностью

2 1

I2 = I1 cos а ^ I2 = —10 cosa .

Естественный

'О

Рис. 4. Прохождение естественного света через пластинку турмалина

Пластинка Ti - поляризатор, преобразует естественный свет в плоскополяризованный. Пластинка Т2 - анализатор, служит для анализа степени поляризации света. Обе пластинки совершенно одинаковы (их можно поменять местами).

Результаты опытов с турмалином объясняются довольно просто (рис. 4). Первая пластинка турмалина пропускает колебания только определенного направления (на рис. 4 это направление показано стрелкой AB), т. е. преобразует естественный свет в плоскополяризованный. Вторая пластинка турмалина в зависимости от ее ориентации из поляризованного света пропускает большую или меньшую его часть, которая соответствует

компоненту E, параллельному оси второго турмалина. На рис. 4 обе пластинки расположены так, что направления пропускаемых ими колебаний AB и A'B' перпендикулярны друг другу. В данном случае Ti пропускает колебания, направленные по AB, а T2 их полностью гасит, т. е. за вторую пластинку турмалина свет не проходит.

Степенью поляризации называется величина

I -1

р _ max min

1max ^ 1min

где Imax и Imin - соответственно максимальная и минимальная интенсивности частично поляризованного света, пропускаемого анализатором. Для плоскополяризованного света Imin = 0 и P = 1, для естественного света Imax = Imin и P = 0 .

min ? ^ max min

Закон Брюстера: при угле падения ¡в (угол Брюстера), определяемого соотношением

t§iB = П21

(П21 - показатель преломления второй среды относительно первой), отраженный луч является плоскополяризованным (содержит только колебания, перпендикулярные плоскости падения) (рис. 5). Физическая причина поляризации при отражении состоит в том, что электроны, формирующие отраженную волну, не излучают в направлении, вдоль которого они совершают колебательное движение. Преломленный луч при угле падения ¡в поляризуется максимально, но не полностью. При падении под углом Брюстера угол между

п

отраженным и преломленным лучами равен —.

I I

6. Для направлений «Экология и природопользование», «Стандартизация и метрология», «Агрохимия и агропочвоведение», «Лесное дело», «Агрономия»:

а) Разные кристаллы создают различное по значению и направлению двойное лучепреломление, поэтому, пропуская через них поляризованный свет и измеряя изменение его интенсивности после прохождения кристаллов, можно определить их оптические характеристики и производить минералогический анализ. Для этой цели используются поляризационные микроскопы [3].

б) Явление вращения плоскости поляризации лежит в основе точного метода определения концентрации растворов оптически активных веществ, называемого поляриметрией (сахариметрией). В широко распространенном полутеневом поляриметре измерение сводится к визуальному уравниванию яркостей двух половин поля зрения в окуляре и последующему считыванию показаний по барабану. Принципиальная оптическая схема полутеневого поляриметра представлена на рис. 6: 1 - источник света, 2 -светофильтр, выделяющий длину волны 589 нм, 3 - конденсор, собирающий световые лучи, 4 - поляризатор, 5 - хроматическая фазовая пластинка, 6 - кювета с раствором, 7 -анализатор, 8 - объектив и окуляр с отсчетным устройством, 9 - две лупы.

<8>-1 г — Л ь г — 1 г — — — — г / . V. .

_ 2 г 3 4 _ ,1 _ 6 _ * Т А 7 8 9 К

Рис. 6. Принципиальная схема полутеневого поляриметра Свет от лампы 1 проходит через светофильтр 2, конденсор 3 и поляризатор 4. При этом получается два луча. Один из них идет через хроматическую фазовую пластинку 5, кювету 6 и анализатор 7. Другой, минуя фазовую пластинку, проходит через кювету и анализатор. Вид поля зрения представлен на рис. 7. Уравнивание яркостей полей сравнения осуществляется путем вращения анализатора. Измерения производятся, когда поля сравнения уравнены при меньших яркостях, а незначительный поворот анализатора вызывает резкое нарушение равенства яркости двух половин поля зрения. Если между поляризатором и анализатором ввести кювету с оптически активным раствором, то равенство яркостей полей сравнения нарушается. Его можно восстановить поворотом анализатора на некоторый угол, который оказывается равным углу поворота плоскости поляризации исследуемым раствором. Разностью двух отсчетов, соответствующих равенству яркостей полей сравнения в присутствии оптически активного раствора и без него, определяется угол вращения плоскости поляризации данным раствором.

с о

Рис. 7. Вид поля зрения поляриметра: а) обе половинки поля имеют одинаковую освещенность (затемненность), Ь) и с) при малейшем повороте анализатора относительная

освещенность резко меняется Для направлений «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов», «Агроинженерия»:

а) Одним из интересных практических применений поляроида (поляроид - особая тонкая кристаллическая пленка толщиной 0,1 мм из герапатита, нанесенная на целлулоид или стеклянную пластинку) является его использование на автотранспорте для защиты водителей от слепящего действия фар встречных автомашин. С этой целью на ветровое стекло и стекла фар наклеиваются поляроидные пленки, оптические оси которых параллельны и составляют 45° с горизонтом. Тогда (рис. 8) оптическая ось поляроида ветрового стекла одной машины будет перпендикулярна оптической оси поляроида фар встречной машины (ориентация оптических осей показана на рисунке стрелками). Согласно закону Малюса, при такой ориентации оптических осей поляроидов поляризованный свет фар не пройдет через ветровое стекло встречной машины; следовательно, водитель практически не видит света фар встречных машин (но увидит, конечно, эти машины в свете фар своего автомобиля) [2].

-V N -.

Рис. 8. Применение поляризации

б) Поляризационные очки обеспечивают безопасное вождение ночью, днем, в сумерки, туман и зимой. Поляризованные линзы снимают блики от лобового стекла, от мокрой дороги, от снега, защищают от фар встречных машин, снимают усталость, улучшают видимость в любую погоду.

в) Явление искусственной оптической анизотропии при деформациях используется для обнаружения остаточных внутренних напряжений, которые могут возникать в изделиях из стекла и других прозрачных изотропных материалов вследствие несоблюдения технологии их изготовления. Оптический метод изучения на прозрачных моделях распределения внутренних напряжений в различных непрозрачных частях машин и сооружений широко применяется в современной технике [1]. На моделях деталей с искусственной анизотропией можно выявить участки, на которые приходится наибольшая нагрузка.

7. Вредного воздействия поляризованного света на человека и окружающую среду на данный момент не выявлено. Наоборот, установлено, что поляризованный свет способствует улучшению общего самочувствия и укрепляет организм (в медицине для физиолечения и косметологии поляризация света используется в приборах «Биоптрон»). Поляризованный свет прибора Биоптрон оказывает регулирующее действие на многие физиологические процессы в организме, на иммунную систему, противовоспалительным, иммуномодулирующим, анальгезирующим действием, стимулирует регенерацию тканей. Под влиянием поляризованного света увеличивается энергетическая активность клеточной мембраны, поглощение кислорода тканями, улучшаются реологические свойства крови и микроциркуляция, газообменная и транспортная функции крови, изменяется функциональная активность всех циркулирующих лейкоцитов.

Ссылки на источники:

1. Детлаф А. А. Курс физики: Учеб. пособие для втузов / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский.

- 4-е изд., испр. - М.: Высш. шк., 2002. - 718 с.

2. Грабовский Р. И. Курс физики: Учебное пособие. 11-е изд., стер. - СПб.: Издательство «Лань», 2009. - 608 с.

3. Трофимова Т. И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Таисия Ивановна Трофимова.

- 11-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 560 с.

4. Суровикина С.А. Теория и методика обучения физике. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005.

5. Усова А.В. Психолого-дидактические основы формирования физических понятий. Челябинск: Изд-во ЧГПИ «Факел», 1988.

6. Ивченко О.А., Бабарико А.А. Методика формирования междисциплинарного понятия «момент силы» в рамках дисциплины «Биомеханика» // Мир науки, культуры, образования, 2017. - № 3. - С. 12 - 15.

Olesya Ivchenko

Candidate of Physical and Mathematics Sciences, Associate Professor

Omsk branch of Military Academy of Logistical Support n.a. Army General A. V. Khrulev, Omsk,

Anna Babariko

Senior Instructor

FSBEI HE Omsk SA U, Omsk

The Procedure Of Generalized Pattern Based Forming The Conception Of «Polarization Of Light»

Abstract. The authors do research in the field of methodology of forming interdisciplinary natural science conceptions in the interrelated disciplines of biomechanics, medical and biological physics. This paper presents the procedure of generalized pattern based forming the conception of «polarization of light» in the course «Physics» for the specialities «Ecology and Nature Management», «Standardization and Metrology», «Agricultural chemistry and Soil Science», «Maintenance of Transporting and Technological Machines and Systems», «Agricultural engineering».

Keywords: the procedure of forming the conception, the generalized pattern, the light polarization, the physical phenomenon.