Gaismas polarizācija
Apskatīt video Khan Academy platformā: 
Polarization of light
Transkripts:
00:01
- Parunāsim par gaismas polarizāciju.
00:03
Mēs zinām, kas ir gaismas viļņi; tie ir elektromagnētiskie viļņi.
00:07
Tie sastāv no elektriskajiem laukiem.
00:09
Un ar to nepietiek.
00:11
Mēs zinām, ka tur nav tikai elektriskais lauks.
00:13
Tas nevarētu pats sevi uzturēt.
00:14
Tur ir jābūt arī magnētiskajiem laukiem,
00:16
kas mainās.
00:17
Tie vērsti perpendikulāri, tāpēc tos var uzzīmēt.
00:20
To ir grūti izdarīt uz kaut kā divdimensionāla,
00:23
bet tu vari mēģināt tos iedomāties
00:24
izskatāmies apmēram šādi.
00:26
Un šie magnētiskie lauki būtu vērsti taisnā leņķī
00:30
pret elektriskajiem laukiem.
00:32
Bet tas kļūst ļoti nesaprotami, ja es mēģinu zīmēt
00:35
gan elektrisko, gan magnētisko lauku vienlaikus.
00:38
Tāpēc magnētiskos laukus mēs neattēlosim.
00:40
Bieži vien ir pietiekami zināt tikai virzienu,
00:43
kurā vērsts elektriskais lauks, kad mēs koncentrējamies uz elektrisko lauku.
00:46
Ko nozīmē polarizācija?
00:48
Polarizācija attiecas uz faktu, ka, ja šis gaismas stars
00:51
virzītos taisni uz tavu aci vai detektoru,
00:54
šeit, ko tu redzētu?
00:56
Nu, ja es šeit uzzīmēju asi,
00:58
un šis punkts šeit, vidū, ir šī līnija –
01:01
iedomājies, ka mēs skatāmies tieši pa šo līniju
01:04
un tad augšup un lejup ir augšup un lejup,
01:06
un tad pa kreisi un pa labi,
01:08
virziens, kurā man ir magnētiskais lauks,
01:10
būtu šurp un turp.
01:11
Ko mana acs redzētu?
01:13
Mana acs redzēs tikai elektriskos laukus,
01:15
kas vērsti vai nu uz augšu, vai elektriskos laukus, kas vērsti uz leju.
01:19
Tiem varētu būt dažādas vērtības, bet es redzēšu tikai
01:21
elektriskos laukus, kas vērsti uz augšu vai uz leju.
01:23
Tādēļ šis gaismas stars ir polarizēts.
01:28
Polarizēta gaisma ir gaisma, kurā elektriskais lauks
01:33
svārstās tikai vienā virzienā.
01:36
Augšup vai lejup, tas ir viens virziens – vertikāli.
01:39
Vai tā arī varētu būt polarizēta horizontāli.
01:42
Vai arī tā varētu būt polarizēta pa diagonāli.
01:44
Bet jebkurā gadījumā šis vilnis varētu būt polarizēts
01:47
jebkurā virzienā.
01:48
Es domāju, šāds gaismas stars, ja tas
01:50
nāktu pa diagonāli,
01:52
šis gaismas stars, kas svārstās šādi,
01:55
kur elektriskais lauks svārstās šādi,
01:57
arī ir polarizēts.
01:58
Abi šie ir polarizēti, jo ir tikai viens virziens,
02:00
kurā svārstās elektriskais lauks.
02:03
Un tu varētu nodomāt: "Pff, kā gan vispār varētu būt
02:05
gaismas stars, kas nav polarizēts?"
02:08
Vienkārši.
02:08
Lielākā daļa gaismas, ar ko tu saskaries, nav polarizēta.
02:11
Proti, gaisma, kas nāk no saules,
02:14
tieši no saules, parasti nav polarizēta.
02:16
Gaisma no spuldzes, vecas kvēlspuldzes,
02:21
šī lieta ir karsta.
02:22
Tu vari saņemt gaismu, kas polarizēta jebkurā virzienā,
02:25
visu uzreiz, visu pārklājoties.
02:28
Ja mēs uzzīmējam šo gadījumu spuldzei,
02:32
vienkārši parastai kvēlspuldzei,
02:35
tu varētu saņemt gaismu, daļu no gaismas, kas trāpa tavā acī,
02:38
tu vari saņemt gaismu ar šādu virzienu,
02:41
tev ir gaisma ar šādu virzienu,
02:42
tev ir gaisma visos šajos virzienos
02:44
jebkurā konkrētā brīdī.
02:47
Es domāju, tev būtu tie jāsaskaita, lai iegūtu kopējo,
02:49
un tiem visiem varētu nebūt viena un tā pati vērtība.
02:52
Bet tas, ko es mēģinu teikt, ir, ka jebkurā brīdī
02:54
tu nezini, kādā virzienā elektriskais lauks
02:57
no nejauša avota nonāks tavā acī.
03:00
Tas varētu būt jebkurā virzienā.
03:01
Tāpēc šī gaisma nav polarizēta.
03:05
Šī diagramma attēlo gaismu, kas nav polarizēta.
03:09
Kādā brīdī lauks varētu būt vērsts šajā virzienā,
03:11
kādā vēlākā brīdī tas ir šajā virzienā; tas vienkārši ir nejauši.
03:14
Tu nekad nezini, kurā virzienā elektriskais lauks
03:15
būs vērsts.
03:16
Turpretī šie šeit ir polarizēti.
03:18
Kā tu varētu polarizēt šo gaismu?
03:20
Pieņemsim, ka tu gribi gaismu, kas ir polarizēta.
03:23
Tu veici eksperimentu.
03:24
Tev bija nepieciešama polarizēta gaisma.
03:25
Nu, tas ir viegli.
03:26
Tu vari izmantot to, ko sauc par polarizatoru.
03:29
Un tas ir materiāls, kas laiž cauri gaismu,
03:32
bet tas laiž gaismu cauri tikai vienā orientācijā,
03:36
tātad tev būs polarizators, kas, piemēram,
03:39
laiž cauri tikai vertikāli polarizētu gaismu.
03:42
Tas ir polarizators.
03:44
Tie ir lēti:
03:46
plāni, plastmasas, konfigurēti tā, lai
03:50
tie laistu cauri tikai vertikāli polarizētu gaismu.
03:53
Jebkura gaisma, kas šeit nonāk un nav vertikāli polarizēta,
03:55
tiek bloķēta jeb absorbēta.
03:57
Tas nozīmē, ka, ja tu izmantotu šo polarizatoru
04:00
un turētu to starp savu aci un šo spuldzi,
04:03
tu saņemtu tikai šo gaismu.
04:06
Viss pārējais tiktu bloķēts.
04:09
Vai arī tu varētu vienkārši pagriezt šo lietu
04:11
un iedomāties polarizatoru, kas laiž cauri tikai
04:14
horizontālu gaismu.
04:16
Tagad tas laistu cauri tikai gaismu, kas bija šajā virzienā,
04:19
un tu saņemtu tikai šo gaismas daļu.
04:22
Vai arī tu varētu to orientēt jebkurā leņķī, kādā vēlies,
04:25
un bloķēt visu, izņemot noteiktu leņķi,
04:28
kādā šis polarizators ir izveidots caurlaist gaismu.
04:32
To var izdarīt.
04:32
Un, tiklīdz tu to pieliec, tu iegūsti polarizētu gaismu,
04:35
gaismu, kurai ir tikai viena orientācija.
04:37
Lūk, ko nozīmē polarizācija.
04:39
Bet kāpēc mums rūp polarizācija?
04:42
Labi, ļauj man uz brīdi šo noņemt.
04:44
Tu esi dzirdējis par polarizētām saulesbrillēm.
04:46
Iedomājies, ka tu stāvi pie ūdens,
04:49
vai varbūt tu stāvi uz ledus vai sniega,
04:51
vai kaut kā atstarojoša.
04:53
Ir problēma.
04:55
Teiksim, laukā ir saule.
04:56
Tā spīd.
04:57
Ir skaista diena. Izņemot to, ka rodas atspīdumi.
05:00
Pieņemsim, ka tu skaties uz kaut ko lejā,
05:01
šeit uz zemes.
05:03
No tā atstarosies gaisma.
05:06
Gaisma nāk no visiem virzieniem.
05:08
Bet tas saņem arī šo tiešo gaismu no saules.
05:14
Tas saņem gaismu, kas atstarojas no mākoņiem,
05:16
un no jebkā, kas ir tuvumā, visu apkārtējo gaismu.
05:19
Un ir arī šī tiešā saulesgaisma.
05:21
Tā ir asa.
05:22
Ja tā atstarojas tieši tavā acī, tas sāp.
05:26
Tev tas nepatīk.
05:27
Tas bloķē mūsu redzi.
05:28
Ir grūti redzēt, tas ir atspīdums.
05:30
Mēs negribam šo atspīdumu.
05:32
Ko mēs varam darīt?
05:33
Nu, tā nu ir sanācis, ka, kad gaisma atstarojas
05:37
no virsmas, lai gan gaisma no saules
05:40
nav polarizēta, kad tā atstarojas, tā kļūst polarizēta
05:46
vai vismaz daļēji polarizēta.
05:48
Šī virsma šeit, tiklīdz šī gaisma atstarojas,
05:53
tā nāk visās orientācijās.
05:56
Tev ir elektriskais lauks...
05:58
tu nekad nezini, kādu elektrisko lauku tu saņemsi
06:00
tieši no saules.
06:02
Bet, kad tā atstarojas, tu galvenokārt saņem,
06:05
pēc atstarošanās, polarizācijas virzienu,
06:10
ko nosaka virsmas plakne, uz kuru tā trāpīja.
06:14
Tā kā grīda ir horizontāla,
06:17
kad šis gaismas stars trāpa uz zemes un atstarojas,
06:21
šī atstarotā gaisma kļūst daļēji polarizēta.
06:24
Šī elektriskā lauka horizontālā komponente
06:28
būs izteiktāka nekā pārējās komponentes.
06:31
Varbūt ne pilnībā.
06:33
Dažreiz tā varētu būt.
06:34
Tā varētu būt pilnībā polarizēta,
06:36
bet bieži vien tā ir tikai daļēji polarizēta.
06:39
Bet tas ir diezgan forši, jo tagad tu zini,
06:41
ko mēs varam darīt.
06:42
Es zinu, kā to bloķēt.
06:43
Mums vajadzētu paņemt saulesbrilles.
06:45
Mēs uzliekam saulesbrilles un izgatavojam savas brilles
06:48
tā, lai tās būtu polarizētas.
06:51
Un kā mēs gribam, lai tās būtu polarizētas?
06:53
Es gribu atbrīvoties no atspīduma.
06:55
Tad es gādāju, lai manas saulesbrilles
06:58
laistu cauri tikai vertikāli polarizētu gaismu.
07:04
Šeit ir daži polarizatori.
07:05
Tādā veidā liela daļa šī atspīduma tiek bloķēta,
07:08
jo tam nav vertikālas orientācijas,
07:10
tam ir horizontāla orientācija.
07:12
Un tad mēs varam to bloķēt.
07:14
Tā ir viena laba lieta, ko polarizācija mums dod,
07:17
un, to saprotot, mēs varam atbrīvoties no atspīduma.
07:18
Arī makšķerniekiem tas patīk, jo, ja tu mēģini skatīties
07:21
ūdenī uz zivīm, tu gribi redzēt cauri ūdenim,
07:25
tu gribi redzēt šo gaismu no zivīm, kas nonāk pie tevis.
07:28
Tu negribi redzēt saules atspīdumu,
07:30
kas nonāk pie tevis.
07:32
Tāpēc polarizētas saulesbrilles ir noderīgas.
07:34
Tāpat mēs varam apmānīt savu aci,
07:37
ja mēs to tiešām gribētu.
07:38
Tu varētu paņemt vienu no šīm, vienai acij izveidot
07:42
vertikālu polarizācijas orientāciju,
07:45
otrai acij — horizontālu...
07:48
un tu domā: "Tas ir muļķigi!
07:49
Kāpēc lai tu to darītu?
07:50
Šajā acī nonāks daudz atspīduma gaismas."
07:52
Mēs neizmantotu šīs brilles ārā,
07:54
kad tu, piemēram, slēpo vai makšķerē,
07:57
bet tu varētu apmānīt savas acis,
07:59
ja tu dotos uz kino un skatītos filmu.
08:03
Iemesls, kāpēc mūsu acis redz 3D, ir tas,
08:06
ka tās ir nedaudz atstatu viena no otras.
08:08
Katra saņem atšķirīgu, nedaudz atšķirīgu attēlu.
08:11
Tas liek mums redzēt 3D.
08:13
Mēs varam izspēlēt to pašu triku ar savu aci,
08:15
ja mums ir šāda polarizācija.
08:17
Ja gaisma, ja daļa gaismas no kinoteātra ekrāna
08:21
nāk ar vienu polarizāciju,
08:24
un otra gaisma nāk ar otru polarizāciju,
08:26
mēs varam nosūtīt divus dažādus attēlus uz mūsu acīm
08:29
vienlaikus.
08:30
Ja tu tās noņemtu, tas izskatītos pēc nekā nederīga,
08:33
jo tu saņemtu abus šos
08:34
nedaudz atšķirīgos attēlus, un viss izskatītos izplūdis.
08:37
Un tā arī ir.
08:38
Ja tu noņem savas 3D brilles un skaties 3D filmu,
08:40
izskatās briesmīgi, jo tagad
08:42
abas acis saņem abus attēlus.
08:44
Bet, ja tu uzliec brilles atpakaļ,
08:46
tagad šī acs saņem tikai to orientēto,
08:48
kas tai ir paredzēta, un šī acs
08:50
saņem tikai to orientēto, kas ir paredzēta tai,
08:52
un tu iegūsti 3D attēlu.
08:53
Tātad tas ir noderīgi daudzos veidos.
08:56
Ļauj man tev šeit parādīt vēl kaut ko.
08:58
Atgriezīsimies šeit.
08:59
Šī gaisma bija polarizēta vertikāli.
09:01
To sauc par lineāro polarizāciju.
09:04
Jebkurā laikā...
09:05
Tas pats ar šiem.
09:06
Šīs visas ir lineārās polarizācijas,
09:09
jo tikai augšup un lejup ir viens lineārs virziens,
09:12
tikai pa diagonāli.
09:14
Šī arī ir lineāra.
09:15
Visas šīs ir lineāras.
09:17
Tu vari iegūt cirkulāri polarizētu gaismu.
09:20
Ja mēs atgriežamies šeit,
09:21
mums ir elektriskais lauks, kas vērsts uz augšu, šādi.
09:26
Tagad pieņemsim, ka mēs iesūtījām vēl vienu gaismas staru,
09:29
vēl vienu gaismas staru, kuram arī bija polarizācija,
09:32
bet ne šajā virzienā.
09:33
Pieņemsim, ka mūsu otram gaismas staram bija polarizācija
09:36
šajā virzienā, tas izskatās šādi,
09:41
apmēram tā, kā būtu izskatījies mūsu magnētiskais lauks.
09:44
Bet šis ir pilnīgi cits gaismas stars
09:46
ar savu polarizāciju un savu magnētisko lauku.
09:51
Mēs to iesūtām.
09:53
Kas notiktu?
09:54
Šajā punktā tev būtu elektriskais lauks,
09:55
kas vērsts šajā virzienā.
09:58
Šajā punktā tev būtu elektriskais lauks,
10:00
kas vērsts tajā virzienā.
10:01
Ko tava acs redzētu, ja tu būtu šeit?
10:05
Paskatīsimies.
10:06
Ja es šeit uzzīmēju mūsu asi.
10:08
Labi, kad šis punkts šeit nonāk tavā acī,
10:11
ko es redzēšu?
10:12
Man būs gaismas stars,
10:13
kas ir viena gaismas stara daļa.
10:16
Viena komponente ir vērsta uz augšu.
10:17
Tas ir šis elektriskais lauks.
10:18
Viena komponente ir vērsta pa kreisi.
10:21
Tas ir šis elektriskais lauks.
10:24
Kopējais elektriskais lauks, būtu vērsts šajā virzienā.
10:28
Es varētu izmantot Pitagora teorēmu,
10:29
ja es gribētu noskaidrot tā lielumu,
10:31
bet pagaidām es gribu zināt tikai virzienu.
10:33
Un tad tas nonāk šeit, un paskaties:
10:34
abiem ir nulle.
10:36
Šim gaismas staram ir nulles elektriskais lauks,
10:38
šim ir nulles elektriskais lauks.
10:39
Tad tas būtu vienkārši nulle.
10:41
Tagad, kas notiek šeit?
10:42
Man ir gaisma.
10:44
Šis rozā tajā punktā ir vērsts pa labi,
10:50
un tad šis sarkanais būtu vērsts uz leju.
10:53
Kas man būtu tajā punktā?
10:55
Man būtu gaisma, kas ietu šajā virzienā,
10:58
un tas vienkārši atkārtotos atkal un atkal.
11:01
Tas vienkārši būtu...
11:01
Man vienkārši būtu pa diagonāli polarizēta gaisma.
11:04
Tas man nedod neko jaunu.
11:06
Tu varētu nodomāt, ka tas ir muļķīgi.
11:07
Kāpēc tā darīt?
11:08
Kāpēc sūtīt divus dažādus viļņus,
11:10
lai vienkārši iegūtu pa diagonāli polarizētu gaismu?
11:12
Es varētu vienkārši iesūtīt vienu vilni,
11:14
kas bija pa diagonāli polarizēts, un iegūt to pašu.
11:18
Iemesls ir tāds, ka, ja tu nobīdi šo violeto vilni,
11:21
šo rozā vilni, par 90 grādu fāzi,
11:24
par pī uz divi fāzē, notiek kaut kas maģisks.
11:29
Ļauj man tev parādīt, kas šeit notiek, ja mēs to pārvietojam uz šejieni.
11:34
Tagad mēs neiegūstam tikai pa diagonāli lineāri polarizētu gaismu.
11:39
Tas, ko mēs iegūsim, ir...
11:40
Ļauj man šo noņemt.
11:42
Labi, mēs sākam ar sarkano, vai ne?
11:46
Sarkanais elektriskais lauks ir vērsts uz augšu, un tad
11:49
šī rozā viļņa elektriskais lauks tajā punktā ir nulle.
11:53
Tas ir viss, kas man ir.
11:54
Mans kopējais elektriskais lauks būtu vērsts tikai uz augšu.
11:57
Es to uzzīmēšu tieši šeit.
11:58
Zaļais būs kopējais.
11:59
Tagad es nonāku šeit, un šajā punktā
12:01
ir daļa sarkanā elektriskā lauka, kas vērsts uz augšu,
12:04
bet ir arī daļa no šī otra elektriskā lauka,
12:07
kas vērsts šajā virzienā.
12:08
Tātad man būtu kopējais elektriskais lauks,
12:12
kas būtu vērsts tajā virzienā.
12:13
Un tad es nonāku šeit,
12:15
un man būtu viss elektriskais lauks no rozā,
12:19
neviens no sarkanā.
12:20
Tad tas viss būtu vērsts pa kreisi.
12:22
Paskaties, kas notiek.
12:23
Šīs gaismas polarizācija, ja es to nobīdu,
12:27
ja es šeit sēžu un skatos ar aci,
12:29
kad mana acs saņem šo gaismu,
12:30
es redzēšu, kā šī gaisma rotē savu polarizāciju.
12:35
Polarizācija, ko es pamanīšu,
12:37
griezīsies pa apli.
12:39
Un tāpēc mēs to saucam par cirkulāro polarizāciju.
12:45
Šis ir cits polarizācijas veids,
12:49
kur faktiskais polarizācijas leņķis vienmērīgi rotē,
12:55
kad šis gaismas stars nonāk tavā acī.
12:57
Un zini ko?
12:58
Ēē, drrr...
13:00
Labi, vispār es tev liku saņemt šo pirmo.
13:03
Tam nav jēgas.
13:04
Tu saņemsi tos, kas tev ir tuvāk, pirmos,
13:06
šajā gaismas starā, kas virzās šādi.
13:08
Tu faktiski saņemtu šo pirmo, tad to,
13:11
tad šo, tad šo.
13:12
Tādēļ tu neredzētu šo
13:15
griežamies pretēji pulksteņrādītāja virzienam, tu redzētu to
13:17
griežamies pulksteņrādītāja virzienā cirkulāri polarizētā veidā.
13:21
Atvaino par to.
13:22
Tu varētu domāt: "Labi, kāpēc?
13:24
Kāpēc vispār nodarboties ar cirkulāro polarizāciju?"
13:26
Nu, es iepriekš nedaudz sameloju.
13:29
Izrādās, kinoteātra piemērā
13:32
viņi parasti to nedara šādi.
13:35
Bieži vien kinoteātros
13:38
mums nav tikai lineāri polarizētas saulesbrilles.
13:41
Tā būtu problēma, jo, kad tu skaties
13:42
uz kinoteātra ekrānu,
13:43
un ja tu nedaudz sasvērtu galvu...
13:47
Padomā par to.
13:48
Šī acs vairs īsti nesaņems pareizo attēlu.
13:50
Tā saņems daļu no abiem.
13:51
Un šī acs saņems daļu no abiem.
13:52
Tas būs izplūdis.
13:53
Tavai galvai visu laiku būtu jābūt pilnīgi taisni,
13:57
kas varētu būt kaitinoši.
13:59
Tā vietā mēs darām tā:
14:01
mēs izveidojam cirkulāri polarizētas brilles,
14:04
šī saņemtu tikai vienu polarizāciju,
14:07
šī saņemtu otru virzienu.
14:10
Tādā veidā, pat ja tu nedaudz sasver galvu...
14:14
nu kā, pulksteņrādītāja virziens ir paliek pulksteņrādītāja virziens,
14:16
pretēji pulksteņrādītāja virziens ir un paliek tāds.
14:18
Izmantojot cirkulāro polarizāciju 3D filmām,
14:21
tas var nedaudz atvieglot tavām acīm
14:24
iespēju redzēt labāku 3D attēlu,
14:26
pat ja tava galva ir nedaudz sasvērta.
Eksperta komentārs
Video skaidrota gaismas polarizācija: parādība, kas pierāda, ka gaismas viļņi ir šķērsviļņi.
Tiek definēta lineāri polarizēta gaisma kā gaisma, kurā elektriskais lauks svārstās tikai vienā noteiktā virzienā. Salīdzinājumam aplūkota nepolarizēta gaisma, kuras elektriskā lauka svārstību virziens laika gaitā mainās nejauši. Tiek demonstrēta polarizatoru darbība un parādīts, kā ar polarizatoru palīdzību no nepolarizētas gaismas iegūt lineāri polarizētu gaismu.
Video aplūkota gaismas polarizācija atstarošanās procesā. Tiek skaidrots, ka no horizontālām virsmām atstarotā gaisma kļūst daļēji polarizēta, un parādīts, kā šo īpašību izmanto polarizētajās saulesbrillēs, lai samazinātu atspīdumus no ūdens, sniega vai citām gludām virsmām.
Noslēgumā tiek apskatīta cirkulārā polarizācija. Tiek parādīts, ka to iespējams iegūt, savstarpēji perpendikulāriem lineāri polarizētiem elektromagnētiskajiem viļņiem pievienojot fāzes nobīdi π/2 jeb 90°. Video skaidrota arī cirkulārās polarizācijas izmantošana 3D kino tehnoloģijās.