2020高中物理竞赛-波动和光学篇C—23光的偏振：由双折射引起的光的偏振(共19张PPT)
2020年高中物理竞赛名校冲刺讲义—第十章 波动光学：第十节 光的偏振 教案设计
2020高中物理竞赛江苏省苏州高级中学竞赛讲义第十章波动光学第四次课：2学时1 题目：§10.10 光的偏振性马吕斯定律§10.11 反射光和折射光的偏振2 目的：理解自然光、偏振光和部分偏振光的概念。
了解偏振光的获得和检验方法。
理解马吕斯定律和布儒斯特定律。
一、引入课题：光波是特定频率的电磁波，在这种电磁波中，引起视觉效应和激起光化学作用的主要是电场矢量，因此，电场矢量又叫光矢量。
由于电磁波是横波，对于电矢量，磁矢量具有单一对应关系且具有同步性，所以在讨论光振动时，从中任取一个即可。
我们取电矢量代表光波，光波中光矢量的振动方向总和光的传播方向垂直，光波的这一基本特征就叫做光的偏振。
二、讲授新课：§10.10 光的偏振性马吕斯定律(Polarization of light)一、线偏振光光矢量所在的平面表示光波的振动面，这种光振动只限于某一个确定的方向的光叫平面偏振光，亦称线偏振光。
1 线偏振光：光波中的光矢量(E )只沿单一方向振动的光称作线偏振光 (linear2 振动面：由光矢量的振动方向和光的传播方向组成的面。
若光矢量在振动面内，则线偏振光又称平面偏振光。
3 线偏振光的分解：线偏振光的光振动可沿两个相互垂直的方向分解。
E x = E cos α E y = E sin α依赖于x , y 方向的选取。
4 线偏振光的表示法面对光的传播方向看(a)(b)线偏振光的振动方向x线偏振光的分解 · · · ·· 光振动垂直板面线偏振光的表示法光振动平行板面二、自然光(非偏振光) 1 普通光源发光的是自然光普通光源各原子发光是独立的，所发波列的振动方向间没有必然的关系(振动方向随机)。
普通光源发出的光波中包含了所有方向的光振动，没有优势方向。
所以普通光源所发的光是自然光(natural light)又称非偏振光(nonpolarized light ，unpolarized light)。
2020年高中物理竞赛(光学)光的偏振(含真题)偏振光的干涉 人为双折射现象(共12张PPT)
光强决定于两束光的总位相差
2
( no
ne
)d
第一项为两光通过晶片产生的位相差
第二项是由于 E2e、E2o方向相反引起的附加位相差
干涉的明暗条件
2k
k 1,2, 亮
( 2k 1 ) k 1,2, 暗
色偏振
三、人为双折射现象
某些晶体在受到外界作用时失去各向同性的性质， 也呈现双折射现象。
应用：光开关
K 克尔常数
*14-6 旋光现象
线偏振光通过某些透明物质时，线偏振光的振动 面将旋转一定的角度，这种现象称为振动面的旋转， 也称旋光现象。
•••
F
P1
C
P2
S..
旋光物体 过滤器
未放置C，P2后视场黑暗 放置C后，旋转P2一定角度，视场又变黑暗
1、不同的旋光物质可以使线偏振光的振动面 向不同方向旋转。
右旋物质 左旋物质
2、振动面的旋转角与波长有关，
波长给定则与旋光物质的厚度d 有关。
d
旋光恒量
3、偏振光通过糖溶液、松节油时，振动面的旋转角
cd c 旋光物质的浓度
1、光弹性效应——应力双折射 在机械应力作用下，显示光学各向异性
no ne KP
K 比例系数 P 应力（压强）
两偏振光通过厚度为d介质后产生的位相差
2
( no
ne
)d
2、克尔效应——电致双折射 在强电场作用下，使分子定向排列，获得各向异性
透光轴相互垂直
P1
C
P2
S..
E
克尔盒
no ne KE 2
)d
4
四分之一波片
若
光的偏振与波动性质
光的偏振与波动性质光是一种电磁波，具有波动性质。
在我们日常生活中，我们经常遇到各种光线，比如来自太阳的阳光、电视屏幕上的影像、手机屏幕上的文字等等。
这些光线都具有不同的特性，其中一个重要的特性就是光的偏振性。
光的偏振是指光的电场矢量在空间中沿特定方向振动的性质。
通常情况下，自然光中的电场矢量在所有可能的方向上都有相同的振动，这种光被称为无偏振光。
但是，在某些情况下，光的电场矢量只在特定的方向上振动，这种光被称为偏振光。
光的偏振可以通过一些偏振器件来实现。
最常见的偏振器件是偏振片，它主要利用了光的波动性质。
在光的传播过程中，电场矢量在空间中振动的方向可以看作是一个矢量的旋转。
而偏振片就是通过选择一定方向上的电场振动来实现光的偏振。
当光通过偏振片时，偏振片会选择一个特定方向上的电场振动，使得通过的光只有在该方向上振动的成分。
而垂直于该方向的电场振动则被偏振片阻隔下来，无法通过。
这样，我们就可以通过调整偏振片的方向，来选择光中不同方向上的电场振动。
除了光的偏振性质外，光还具有波动性质。
波动性质是指光在传播过程中表现出的波动行为。
根据光的波动性质，我们可以解释光的诸多现象，比如衍射、干涉等。
衍射是指光通过一个小孔或者遇到一个小障碍物后，出现扩散现象的现象。
这是由于光的波动性质所导致的。
当光经过一个小孔时，光波会在小孔的周围弯曲，从而在背后形成一个圆形的光斑。
这一现象可以用波动理论解释，即光波通过小孔时，会产生波的干涉和衍射，导致光的扩散。
另一个重要的波动性质是干涉。
干涉是指光波相遇时互相干涉的现象。
当两束光波相遇并叠加时，它们的电场矢量会按照一定的规律相加或者相消。
如果两束光波的电场矢量完全一致，那么它们会相互加强，形成明亮的区域；如果两束光波的电场矢量相反，那么它们会相互抵消，形成暗淡的区域。
这种相互干涉的现象使我们可以通过干涉仪等设备来测量光的波长、光速等物理特性。
通过探究光的偏振与波动性质，我们可以更深入地理解光的本质和行为规律。
高中物理竞赛专题 光学
n0 n1 sin 1 nx sin x nA sin A
3
n0 n1 sin 1 nx sin x nA sin A
P点光线的方向由x 决定:
sin
x
n0 nx
1 1 4qx
Y
nx n0 1 4qx
a
P点光线的切线斜率 kp : k p tan x
1 4qx
并按照
n ny 渐n1变1， n2为2 y距2 轴线a处的折射率， 为
常数，包裹层折射率也为n2 。光纤置于空气中，取Ox轴沿光纤轴
线方向，O为光纤端点的中心。假设 一束单色光从O点以入射角θi
进入光纤，入射面为xOy :
（亚洲奥赛04年题）
1）求出光线在光纤里的轨迹方程 y=f(x)；
2）求出光可以在光纤纤芯中传播的最大入射角θiM；
x a14
4) qi ＝qiM时光信号沿光纤的传输速度（= x1/τ）
c
pan12
n12 n22
1
sin 2 qi
2n12
x1 ap
n12 sin 2 q
n12 n22
y
sin qiM n12 n22
vM
2cn2 n12 n22
qi O
n2
a
x1
n1
x
15
二、几何光学成像
单球面折射成像公式－－阿贝不变式：
✓ 第一个交点坐标
y
x1 ap
n12 sin 2 q
n12 n22
O
n0 n2
x1
ax n1
n2 12
✓通过一线段元 ds 时间为 dt ds n ds vc
线段元 ds dx2 dy2 1 y'2 dx
2020年高中物理竞赛辅导课件：波动和光学(光的偏振)02反射光和折射光的偏振(共14张PPT)
从水到空气：iP =37
应用：玻璃片堆 ······iP ························
线偏振光
近似线偏振光 激光器中： Brewster windows
*§5.4 双折射 (Birefringence)
空气 晶体
——双折射现象
2020
全国高中生物理学奥林匹克竞赛
普通物理学
（含竞赛真题练习）
§5.3 反射光与折射光的偏振 (Polarization of Reflected and Refracted Light)
以自然光入ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ：
••
n1
••
i
•• ••
n2
r
•
入射角
反射光
折射光
0
自然光
自然光
iP (起偏角) 其它角
线偏振光 (E)
晶体的主折射率：no 、ne
no——o光的折射率 ne——e光沿垂直于光轴的方向传播
时的折射率
SUMMARY
⒈五种偏振类型
⒉马吕斯定律
I0
I = I0cos2
⒊布儒斯特定律
n•1• • iP • • •
n2
r
•
tgiP
n2 n1
iP+ r = 90
*⒋光的双折射 ⑴名词 光轴，单轴晶，双轴晶，主平面 ⑵单轴晶 o光、e光的性质 主折射率no、ne
原因：沿晶体中任一方向只能存在两支振 动方向相互垂直、折射率一般不同 的线偏振光。
⒈晶体的光轴
——晶体中的特殊方向，沿该方向传播的 两支光波的折射率相等。
⒉晶体的光学分类 ①光学均匀体——光学性质与非晶体相同
光的偏振与双折射现象
光的偏振与双折射现象光是一种电磁波，可以在真空中以及各种介质中传播。
而在传播过程中，光的偏振与双折射现象是光波特性中非常重要的内容。
本文将介绍光的偏振与双折射现象的基本概念和原理。
一、光的偏振偏振是指光波中的电场矢量在传播方向上的振动方式。
光波可分为非偏振光、偏振光和部分偏振光。
1. 非偏振光：光波中的电场矢量在各个方向上均匀分布，没有特定的振动方向。
2. 偏振光：光波中的电场矢量在某一特定方向上振动，而在其他方向上几乎无振动。
常见的偏振光有线偏振光和圆偏振光。
3. 部分偏振光：光波中的电场矢量在多个方向上振动，但是其中有一个主要的振动方向。
光的偏振可以通过偏振片进行实验观察和分析。
偏振片是由特殊材料制成的，在某一方向上只允许特定方向的电场矢量通过。
当非偏振光通过偏振片时，只有与偏振片振动方向一致的电场矢量能通过，其他方向上的电场矢量则被滤除，从而得到偏振光。
二、双折射现象双折射指的是某些特定材料在光线入射时会发生两个不同速度的折射现象。
这是由于光在这些材料中的传播速度与光的偏振方向有关。
具有双折射现象的材料被称为双折射材料，其中最常见的是石英晶体。
当光线垂直于晶体的光轴方向传播时，不会发生双折射现象；但当光线不垂直于光轴时，就会发生双折射现象。
双折射材料可以通过偏振光的传播方向和光轴方向之间的夹角来进行分类。
根据夹角的不同，可以分为正常双折射和畸变双折射。
1. 正常双折射：在该类材料中，晶体的光轴方向与偏振光的振动方向垂直。
在光线通过材料时，会出现两个折射光束，一个按照正常的折射定律折射（常光），另一个则不按照常规定律折射（特光）。
2. 畸变双折射：在该类材料中，晶体的光轴方向与偏振光的振动方向不垂直。
在光线通过材料时，除了产生两个折射光束外，还会出现不同程度的畸变现象，导致光的传播路径变得复杂。
三、应用领域1. 光学器件：光的偏振与双折射现象在光学器件的设计中起着重要作用。
例如，偏振片可以用于光的调节、滤波和分析等方面。
高中物理竞赛—第五篇 波动光学：光的偏振(共23张PPT)
线偏振光
部分偏振光
iB
n1 n2
布儒斯特定律的实质：E全部分透量射在。iB 角入射时不反射，
若以角 i 入射，则不论什么光成份都有反射。
7
应用：（1）可由反射获得线偏振光（玻璃片就是起偏器） 例如激光器中的布儒斯特窗
线偏振光
iB
（2）可测不透明媒质折射率
tgiB n
（3）反射光是部分偏振光， 利用偏振片可消去大部
y
u
E
在同一波线上 E平行振动，
振动面为 xy面，这种现象
x
称偏振。
zH
表示法：
传播方向
传播方向
1
2. 自然光（非偏振光） 光源中许多原子同时跃迁
传播方向
独立发光， 方向各不相同， 但机会均等。
自然光可分解为两个垂直 的、振幅相等的独立光振动。
表示法：
3. 部分偏振光
表示法：
如何由自然光获得线偏振光？
它们都是线偏振光，且振动方向互相垂直。
演示：上述现象！
10
2. 双折射的原因是晶体的各向异性
o 光 这种振动沿各方向传播速度相同，
o 光子波波阵面为球面。
e 光 这种振动沿各方向传播速度不同， e 光子波波阵面为旋转椭球面。
（如方解石） o 光 vo e 光
ve
光轴
o光
c vo
no
常数
e光
c ve
传播方向
4
其它值 斜椭圆偏振光 3
17
2. 椭圆和圆偏振光的获得
自然光入射到晶体片上，
光轴
出射光仍为自然光。 线偏振光入射到晶体片上， 晶片
Ae Acos Ao A sin
出射的o光e光有恒定位相差
高二物理竞赛课件：反射和折射时光的偏振
设入射光可能是自然光或
P
线偏振光 或由线偏振光与自 待检光
然光混合而成的部分偏振光 ?
思考 • I 不变？
是自然光
• I 变，有消光？ 是线偏振光
• I 变，无消光？ 是部分偏振光
I
旋转
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1.光强无变化的是自然光
2.光强有变化，但最小值 不为零的是部分偏振光
3.光强有变化，但最小值 为零(消光)的是线偏振光
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偏振片的应用 偏振片的应用很多，例如：
▲ 作为许多光学仪器中的起偏和检偏装置。 ▲ 作为照相机的滤光镜，可以滤掉不必要的
反射光。 ▲ 制成偏光眼镜，可观看立体电影。 ▲ 若在所有汽车前窗玻璃和大灯前都装上与
地面成45角、且向同一方向倾斜的偏振片， 可以避免汽车会车时灯光的晃眼。
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解： 由马吕斯定律
I出
1 2
I0
I1
c os2
式中I0、I1分别为入射光中自然光与线偏振光的强度
由题意：
1 Imax 2 I0 I1
I min
1 2
I0
Imax 5 I min
I1 = 2I0
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自然光所占百分比：
I0 I0 1
I0 I1 3I0 3
线偏振光所占百分比： I1 2I 0 2 I0 I1 3I0 3
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实验证明， i = iB时，反射光
线与折射光线垂直：
iB
iB r 90o
r
tan iB
sin iB cos iB
sin iB cos(90 r )
sin iB sin r
n2 n1
布儒斯特角 (起偏角)
iB
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1.概念 光轴：光线在晶体中沿某一方向传播 时不发生双折射现象，这一方向称为晶 体的光轴
只有一个光轴(如方解石、石英)的晶体 为单轴晶体；有两个光轴(如云母、硫 磺)的晶体为双轴晶体
主截面：光轴和 晶体表面法线组 成的平面
主平面：某一光 线(o光或e光)与光 轴组成的平面
第二十三章 光的偏振
第二十三章 光的偏振
谢谢观看！
一、散射：
1、一束光射到一个粒子 ，会使 其中的电子在电场矢量的作用下 ，向四周发射同频率的电磁波这 种现象叫色散。
2、电子发出的光是偏振光，光的 振动方向，垂直于传播方向（横波
第二十三章 光的偏振
3、电子在各个方向上的强度不等，垂直 于振动方向上最强，沿着电子振动方向 强度为零。
4、如图o处， 电子振动沿着竖 直方向，射线表 示传播方向，各 线上的短线表示 光的振动方向。 线的长短表强弱
当入射面是晶体的主截面时,o光和e光 的主平面重合，此时o光与e光的振动 方向相互垂直
光轴
三.双折射现象的解释
第二十三章 光的偏振
原因:o光在晶体内的速度是各向同性 的,而e光却是各向异性的
o光：子波波面为球形面. e光：子波波面为椭球面
v0 ve
正晶体
v0 ve
负晶体
惠更斯原理解释
第二十三章 光的偏振
AB
C
DE 光轴 o e
AB
C
光轴 o e
第二十三章 光的偏振
AB 光轴 oe
AB
光轴
四.尼科尔棱镜
第二十三章 光的偏振
方解石 680
晶体 加拿大树胶
n 1.55
680
第二十三章 光的偏振
220
e
480
o
680
光轴
ne 1.486 no 1.658 n 1.55
第二十三章 光的偏振
§23-5有散射引起的光的偏振
2020高中物理竞赛
波动与光学C
第二十三章 光的偏振
第二十三章 光的偏振
§23-4 由双折射引起的光的偏振
一.双折射现象
双双双折折折 射
方解石晶体
o光
e光 寻常光(o光)：遵守折
射定律 非常光(e光)：不遵守
折射定律
第二十三章 光的偏振
当方解石晶体旋 转时，o光不动，e 光围绕o光旋转
第二十三章 光的偏振
法线
e光
光轴 o光
法线 主截面
第二十三章 光的偏振
o光主平面
e光主平面
光轴
o光 光轴
e光 光轴
一般情况下，e光不一定在入射面内， o光和e光的主平面并不重合
2.特点
o光和e光均为线偏振 光
o光的振动方向垂直于 它自己的主平面，e光 的振动方向平行于它 自己的主平面
第二十三章 光的偏振
o光 e光
第二十三章 光的偏振
二、太阳光
第二十三章 光的偏振
1、太阳光在o处沿着水平方向（x)传播，
振动方向y（垂直向里）和z方向竖直方向
。经过空气中的粒子发生散射的“天光”
，形成偏振光
Z
太阳光
无偏振
自然光
线
偏
振
光
第二十三章 光的偏振
2、散射的光强度和光的频率的4 次方成正比，所以太阳光中蓝色 比红色光散射厉害，因此天空看 起来是蓝的。早晨和晚上太阳沿 着地平线看起来发红。