Электромагниттік толқындардың поляризациясын модельдеу

Пән: Физика
Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 14 бет
Таңдаулыға:

Қазақстан Республикасының Білім және Ғылым Министрлігі

Тақырыбы: ЭЛЕКТРОМАГНИТТІК ТОЛҚЫНДАРДЫҢ ПОЛЯРИЗА- ЦИЯСЫН МОДЕЛЬДЕУ

Мазмұны:

Кіріспе

1. 1 Модель ұғымына түсінік

1. 2 Физикалық есептер мен құбылыстарды компьютерлік модельдеу

2 Негізгі бөлім

2. 1 Электромагниттік толқындардың поляризациясы

2. 2 Есепті шығару, бағдарламасы

2. 3 Тестілеу бағдарламасы

2. 4 Презентацияны көрсету

Қорытынды

Әдебиеттер тізімі

Қосымша

Кіріспе

Қазіргі кезде жоғары оқу орындарында компьютерлік модельдеуге баса назар аударылуда. Компьютерлік модельдеуден әртүрлі деңгейдегі лабораториялық практикумдар енгізілуде. Ақпараттарды модельдеу түрлерін таңдау мен құруда адамның танымдық пен біліктілік деңгейін, эстетикалық талғамын байқауға болады. Тиімді құрылған модеаль зерттеу жұмыстарын жеңілдетіп, объект туралы толығырақ мәлімет алуға көмектеседі.

Модельдеудің негізгі идеялары күрделі объектілерді оқу, зерттеу үшін тиімді тәсіл ретінде пайдаланылады. Көптеген зерттеушілер модельдеуді білімді игерудің негізгі әдісі және жалпы дидактикалық ортасы ретінде қарастырады. Түрлі ақпарпаттық модельдерді құру және зерттеу дағдылары оқу дағдыларына қатысты.

МОДЕЛЬ ҰҒЫМЫНА ТҮСІНІК

Бастапқыда модель деп анықталған жағдайда объектіні алмастыратын қандай да бір көмекші объекті аталған. Ертедегі философтар табиғи процестерді модельдеу мүмкін емес, табиғи және жасанды процестер түрлі заңдылықтарға бағынады деп санады. Олар табиғатты тек қана логиканың, талқылауәдістерінің, пікір алмасулардың көмегімен бейнелеуге болады деп жобалады. Уақыт өте келе нақты объектілер жасанды сызбалардың, суреттердің, карталардың модельдік ерешіліктері арқылы сипаттала бастады. Келесі қадамда модель ретінде нақты объект ғана емес абстрактылы, идеалдық құрылымдардың да жұмыс істеу мүмкіндіктері белгілі болды. Математика негіздерін зерттеумен айналысатын математиктер мен философтардың нәтижесінде модельдер теориясы жасалды. Онда модель бір абстрактылы математикалық құрылымның басқасына бейнелеу, түрлендіру нәтижесі болып анықталады. Онда модель бір абстрактылы математикалық құрылымның басқасына бейнелеу, түрлендіру нәтижесі болып анықталады. Сонымен модель- танып білу процесінде зерттеу үшін кейбір негізгі типтік белгілерін сақтай отырып, негізгі объектіні алмастыратын, материалдық немесе ойша елестілетін объект. Адамзат өте күрделі процестерді, құбылыстарды танып білуде, жаңа ғимараттарды салуда модельдерді пайдалынады.

ХХ ғасырда модель түсінігі нақты және идеалдық модельдерді қатар қамтитындай болып жалпыланады. Бастапқыда ақпараттық кибернетикалық бағттардағы ғылыми пәндер аясында, содан соң ғылымның басқа да саллаларында түрлі тәсілдермен іске асырылатын модель ретінде қарастырылады. Модельді құру мақсаты- қоршаған ортаны танып-білу болып табылады, объектілерді берілген қасиет бойынша құру. Объектіге әсер етудің соңғы нәтижесін анықтау және дұрыс шешім қабылдау. Модель субъектісі тек адам бола алады. Модельдеу объектісі табиғи және адамның ықпалымен құрылып жасанды болуы мүмкін

Модельді құру процесі модельдеу деп аталады. Модельдеу-кез-келген құбылыстардың, процестердің немесе объект жүйелерінің қасиеттері мен сипаттамаларын зерттеу үшін олардың үлгісін құру және талдау; бар немесе жаңадан құрастырылған объектілердің сипатын анықтау немесе айқындау үшін олардың моделінде объектілердің әр түрлі табиғатын зерттеу әдісі. Оны шартты түрде үлкен екі топқа бөлуге болады: материалдық және идеалды. Материалдық модельдеу объектінің геометриялық, физикалық, динамикалық және қызметтік сипатын нақты дәл береді.

ФИЗИКАЛЫҚ ЕСЕПТЕР МЕН ҚҰБЫЛЫСТАРДЫ КОМПЬЮТЕРЛІК МОДЕЛЬДЕУ

Физикалық модельдер негізгі объектіге оның үлкейтілген немесе кішірей-

тілген көшірмесін айтады, яғни бұл көшірме компьютермен зерттелетін процестермен, құбылыстардың қасиеттерін ұқсастық теориясына сүйене отырып, модельден объектіге алмастыру мүмкіндігі жүзеге асады. Компьютерлік модельдеу-бұл оқып үйренетін объекті теориясының модельденуі. Физикада теңдеулер шешімін компьютерде шешуге болады. Компьютерде физикалық түрлі есептерде қолдану мақсаты сандық мәнін алып қою ғана емес, сондай-ақ сандық мәнін алуға әкелетін қарапайым өрнекті шығарып алу, шешудің тиімді жолын қарастыру. Практикаға енгізілген математикалық операторлар компьютер көмегімен орындалады. Модульдеу бөлімінде программаға негізгі заңдардан қорытып алынған соңғы сараптама енгізіледі. Есептің барлық шығару жолын адам көрсетеді. Модульдеуде денелер объектілер қозғалған өлшемін арнайы енгізіп көрсетуге болады. Сондай-ақ компьютер эксперименттік өлшенген нәтижелерді өңдеуде қолдануға, эксперименттік физикада ерекше орын алып отыр. Мен поляризация заңының есебін модельдедім, графигін салып көрсеттім.

2. 1 ЭЛЕКТРОМАГНИТТІ ТОЛҚЫНДАРДЫҢ ПОЛЯРИЗАЦИЯСЫ

Жарық толқындары электромагниттік толқындардың бір түрі. Жарық толқындардың өрісін электр векторы

\[\frac{1}{H}\]

және магнит векторы

\[\stackrel{\mathbb{I}}{\mathcal{D}}\]

арқылы сипаттауға болады. Бұл векторлар өэара және толқын таралатын бағытқа перпендикуляр болады. Жарық толқыны өрісінің векторлары үздіксіз өзгеріп тұрады. Бұл векторлар кейде жарық векторлары деп аталады. Жарық тербелістері делінгенде осы векторы тербелісі айтылады. Жарық толқынның интенсивтігі, яғни 1 секундта толқын таралатын бағытқа перпендикуляр ауданнан өтетін жарық энергиясының мөлшері, оның электр векторының амплитудасының квадратына тура пропорционал болады. Жарық толқындары заттың атомдары молекуларында жүріп жатқан кейбір процестер нәтижесінде пайда болады.

Егер тербелісі тәртіпсіз, кез келген бағытта өзгеріп, ал амплитудасы барлық бағытта да тұрақты қалса, онда оны табиғи жарық деп атайды.

Егер тербеліс тек бір бағытта жүретін болса, онда ондай жарықты поляризацияланған жарық дейді. Ал егер тербеліс әр түрлі бағытта болып, соның ішіндегі белгілі бір бағыттағы амплитуда үлкен болса, онда оны жартылай поляризацияланған жарық дейді.

Белгілі жағдайда жарық толқыны векторы тек бір белгілі бағытта ғана тербелуі мүмкін. Осындай жарық толық поляризацияланған жарық деп аталады. Электр векторының тербеліс бағыты мен сол тербелістер таралатын бағыт арқылы өтетін жазықтық поляризацияланған жарықтың тербеліс жазықтығы, оған перпендикуляр жазықтық поляризациялану жазықтығы деп аталады.

Егер жарық векторы тербелістері бір ғана жазықтықта болып жатса, ондай жарық жазықша поляризацияланған жарық деп аталады.

Жарық екі ортаның шекарасында шағылғанда және сынғанда азды-көпті поляризацияланады. Жарықтың мөлдір екі диэлектрик орта шекарасында поляризацияланады.

Табиғи сәуледен пайда болған өзгеше және кәдімгі сәулелер когеренттік емес. Егер екі когеренттік жазық поляризацияланған сәулелердің тербелістері өзара перпендикуляр жазықтықта өтсе, онда олар өзара перпендикуляр тербелістер секілді қосылып, эллипсше поляризацияланған сәулені береді. Дербес жағдайда ол дөңгелекше поляризацияға айналады. Егер поляризацияланған сәулені поляризаторлар арқылы өткізсек, онда ол кәдімгі және өзгеше сәулелерді береді. Ол сәулелер когеренттік болады. Егер екі когеренттік жазық поляризацияланған сәулелердің тербелістері өзара перпендикуляр жазықтықта өтсе, онда олар өзара перпендикуляр тербелістер секілді қосылып, эллипсше поляризацияланған сәулені береді. Дербес жағдайда ол дөңгелекше поляризацияға айналады.

Егер түсу бұрышы

\[i=56^{\circ}\]

болса, турмалин пластинканы толық бір айналдырғанда шағылған жарық интенсивтігі екі рет нольге теңеледі, яғни жарық екі рет сөнеді. Мұның себебі: шыныдан шағылған жарық поляризацияланған болғаны. Мұнда шыны пластинка поляризатор, турмалин пластинка анализатор болып табылады. Осындай зерттеулер нәтижесінде қарағанда шағылған жарық түсу жазықтығында поляризацияланады, басқаша айтқанда онда электр векторы түзу жазықтығына перпендикуляр жазықтықта тербеледі.

Жазық-параллель шыны пластинкадан шағылған жарықтың поляризациялану күйін зерттегенде анализатор етіп екінші жазық- параллель шыны пластинканы алуға да болады. Шыны пластинкаға түсіп, екінші рет шағылсын, жарықтың бұлардан шағылу бұрыштары бірдей

\[{\hat{\tilde{\alpha}}}^{\dot{\tilde{\alpha}}}\phi=i_{1}^{\dot{\tilde{\alpha}}}\partial\]

болсын, пластинканы сәулемен дәл келетін осьтен айналдырғанда одан шағылған жарықтың интенсивтігі өзгереді.

Сонда жарықтың пластинкаларға түсу жазықтықтары бір-біріне параллель болған жағдайда пластинкадан шағылған жарықтың интенсивтігі максималь болады, егер сол түсу жазықтықтары өзара перпендикуляр болса, онда шағылған жарық интенсивтілігі минималь болады. Бұған қарағанда пластинкадан шағылған жарық түсу жазықтығында поляризацияланған, яғни оның электр векторы түсу жазықтығына перпендикуляр бағытта тербеледі. Егер жарықтың осы шыны пластинкалардың әрқайсысына түсу бұрышы

\[i=56^{\circ}\]

және оларға жарықтың түсу жазықтықтары бір-біріне перпендикуляр болса, онда II пластинкадан жарық мүлде шағылмайды. Бұл жағдайда шағылған жарық толық поляризацияланған болады; сондағы түсу бұрышы толық поляризациялану бұрышы , немесе Брюстер бұрышы деп аталады. Әрбір мөлдір диэлектрик ортаның өзіне тән толық поляризациялау бұрышы болады. Брюстердің (1815 ж. ) тағайындауы бойынша жарықтың толық поляризациялану бұрышының тангенсі жарық шағылатын ортаның жарық сыну көрсеткішіне тең:

\[t g\mathbf{i}_{0}=n\]

мұндағы

\[{\cal J}_{\bar{\cal L}}\]

-салыстырма сыну көрсеткіші.

Бұл қорытынды Брюстер заңы деп аталады. Бұл заңды жарық тек диэлектриктер (шыны, кварц, су т. б. ) бетінен шағылғанда ғана қолданылады.

Табиғатта және техникада өзіне түскен жарық сәулелерін қосарландырып көрсететін кристалдар арқылы затты көретін болсақ, онда оның қосарланған кескінін байқауға болады. Бұл құбылысты бірінші рет 1647 жылы дат ғалымы Э. Бартолин (1625 ж. -1698 ж. ) исланд шпатын зерттеудің нәтижесінде ашқан болатын. Сондықтан мұндай құбылысты жарық сәулесінің қосарланып сынуы деп атайды да, осындай қасиеттері бар кристалдар қосарландырып сындырушы делінеді.

Кристалдың негізгі оптикалық осінің санына байланысты олар бір немесе екі осьті болып бөлінеді. Бір осьті кристалдар тобына исланд шпаты, кварц, турмалин жатады. Сәуленің қосарланып сынуын зерттеу үшін исланд шпатын қолданады. Ол жұмсақ, мөлдір минерал. Гипс, слюда, топаз сияқты кристалдар екі осьті кристалдар тобына жатады. Кристалға түскен сәулемен сәуле түскен нүктеден оптикалық ось арқылы өтетін жазықтық кристалдың бас қимесы немесе бас жазықтығы деп аталады.

Исланд шпаты кристалының сыртқы бетіне перпендикуляр бағытта түскен монохрамат сәуле сынып екі сәулеге жіктеледі, олардың біреуінің кристалл ішіндегі бағыты өзгермейді, бағыты жазық бетке түскен кәдімгі сәуленің бағытындай болады, сондықтан бұл сәуле кәдімгі сәуле (о) деп аталады, ал екіншісінің бағыты өзгереді, сондықтан ол өзгеше сәуле (е) болады.

Кәдімгі және өзгеше сәулелер бір-бірінен ажырамай бірдей жылдамдықпен таралады. Бұл бағытты кристалдың оптикалық осі дейді. Өзгеше сәуле исланд шпатынан шыққанда сынады да, кәдімгі сәулемен параллель болып таралады. Зерттеудің нәтижелері бұл сәулелердің екеуінің де толық көрсетеді. Кәдімгі сәуле кристалдың бас қимасында, өзгеше сәуле бас қимаға перпендикуляр жазықтықта поляризацияланған болады. Өзгеше сәуленің осы кристалдың ішінде әр бағытта таралу жылдамдығы түрліше болады да кәдімгі сәуле барлық жаққа бірдей жылдамдықпен таралады. Сонымен қатар исланд шпатының өзгеше сәулеге тән сыну көрсеткіші кәдімгі сәулеге тән сыну көрсеткішінен артпайды, яғни

\[n_{e}\ \leq n_{o}\]

, сондықтан мұндай кристалдар теріс кристалдар деп аталады (мысалы, кальций, турмалин) . Егер де

\[n_{e}\ \geq n_{o}\]

болса, онда мұндай кристалдар оң кристалдар деп аталады (мысалы, кварц, мұз, цирконий) .

Жарық исландия кристалына түсіп қосарландырып сынғанда пайда болатын кәдімгі сәуле мен өзгеше сәуленің әрқайсысы толық поляризацияланған сәулелер болатындықтан исландия шпатының кристалын әлі поляризатор, әрі анализатор ретінде пайдалануға болады. Осы мақсатпен исландия шпаты кристалынан әр түрлі поляризациялық призмалар жасалады. Ондай призмалардың бір түрі Николь призмасы (қысқаша николь) деп аталады.

Николь призмасы исландия шпатынан жасалған сүйір бұрыштары

\[68^{\mathrm{O}}\]

және

\[22^{\mathrm{o}}\]

-қа тең екі тік призмадан құрастырылады. Ол призмалар бір-біріне

\[{\boldsymbol{B}}{\boldsymbol{C}}\]

катетінің бойымен канада бальзамымен жабыстырылады. Канада бальзамының сыну көрсеткіші

\[n=1.550\]

, исландия шпатының кәдімгі сәуленің сыну көрсеткішінен

\[n_{0}=1.658\]

кем, өзгеше сәуленің сындыру көрсеткішінен

\[n_{e}=1.486\]

артық. Николь призмасының бір артықшылығы жарық оның ішінде өзгерістерге ұшырамайды. Бірақ екі призма жабыстырылған канада бальзамынан ультракүлгін сәулелер өте алмайды, сондықтан Николь призмасын тек поляризацияланған көрінетін жарық алу үшін ғана пайдалануға болады. Бұл- осы призманың басты кемістігі болып табылады. Сөйтіп никольға табиғи жарық түсірілсе одан электр векторы никольдың ұлы қимасы жазықтығында тербелетін поляризацияланған жарық толқыны өтеді. Никольдың көмегімен поляризацияланған жарық алумен қатар поляризацияланған жарық электр векторының тербелу бағытын анықтауға болады. Бірінші жағдайда николь- поляризатор болса, екінші жағдайда ол- анализатор болады.

Жоғарыда турмалин кристалынан жарық түскенде пайда болатын кәдімгі сәуле мен өзгеше сәуленің екеуі бірдей турмалиннан өтпейтіндігі, тек одан өзгеше сәуле ғана өте алатындығы айтылған болатын . Иодты хинин сульфаты ұсақ кристалдарының да дәл осындай қасиеті бар. Бұл затқа түскен жарық қосарланып сынып, кәдімгі сәуле мен өзгеше сәуле пайда болады., сонда оның сыртына тек өзгеше сәуле шығады, кәдімгі сәуле толық жұтылады. Бұл жағдайда жасанды поляризаторлар жасап шығару үшін пайдаланылады.

Иодты хинин сульфаты ұсақ кристалдары жұқа пленкаға арнаулы әдіспен енгізіледі. Сонда бұл пленка поляризатор немесе анализатор ролін атқара алатын болады. Мұндай поляризациялық пленкалар поляроид деп аталады.

Поляроидтар жарықты мұқият поляризациялау керек емес жағдайларда қолданылады. Поляроидтар қолайлы болғандықтан техникада қазір көп қолданыла бастады. Мысалы поляроидтар қарсы келе жатқан автомобильдер фарларының жарығының көзге зиянды әсерін кеміту үшін пайдаланылады.

Жазық поляризацияланған (не сызықша поляризацияланған) жарықты біз поляризатордың көмегімен аламыз. Бұл құралдар поляризатор жазықтығына параллель тербелістерді өткізеді де, оған перпендикуляр тербелістерді өткізбейді.

Бірінші тербеліс құрал арқылы өтеді, ал екіншісі өтпейді. Ал өткен толқынның

\[\hat{J}\,\]

интенсивтілігі

\[\ A_{\backslash}^{2}~\longrightarrow~{\cal A}^{2}~\circ\mathrm{G}\mathrm{OS}^{2}~\emptyset\]

-ге пропорционал, яғни

\[I\cdot\cos^{2}\phi\]

-ге тең. Сонымен, поляризация жазықтығына параллель тербелістің үлесіне интенсивтіліктің

\[\cos^{3}\phi\]

-ден бөлігі тиеді. Табиғи жарық үшін

\[\textstyle\theta\qquad\]

-дің барлық мәндерінің шамасының ықтималдығы бірдей. Сондықтан поляризатор арқылы өткен жарықтың үлесі

\[\cos^{3}\phi\]

-дің орташа шамамен алғанда,

\[\frac{\mid}{\overbrace{\sum}}\]

бөлігіне тең. Поляризаторды табиғи жарықтың интенсивтілігі өзгермейді, тек қана құралдан шығатын сәуленің тербеліс жазықтығының бейімделуі ғана өзгереді.

Поляризаторға амплитудасы

\[A_{0}\]

және интенсивтілігі

\[{\mathit{\operatorname{}}}\overbrace{0}\]

жазық поляризацияланған сәуле түседі. Құрал арқылы амплитудасы

\[A=A_{0}\cdot\cos\phi\]

тербеліс өтеді, мұндағы

\[\mathcal{J}\]

-тербеліс жазықтығы мен поляризатор жазықтығы арасындағы бұрыш. Ендеше, өткен сәуленің интенсивтілігі былай анықталады: