Wave Optics (SAQs)
Physics-2 | 3. Wave Optics – SAQs:
Welcome to SAQs in Chapter 3: Wave Optics. This page covers the key FAQs for Short Answer Questions. Answers are provided in simple English, with a Telugu explanation, and formatted according to the exam style. This approach will aid in understanding and help you achieve top marks in your final exams.
SAQ-1 : Explain Doppler effect in light. Distinguish between redshift and blueshift.
For Backbenchers 😎
The Doppler effect applies to both sound and light and involves a change in frequency or wavelength due to relative motion between the source and observer. This effect leads to phenomena known as “redshift” and “blueshift” in the context of light waves.
In redshift, the observed wavelength becomes longer, shifting light towards the red end of the spectrum when the source moves away from the observer. Conversely, in blueshift, the observed wavelength becomes shorter, shifting light towards the blue end of the spectrum when the source moves towards the observer.
The speed of light (c) is a fundamental constant, and the Doppler effect for light involves relative motion between the source and the observer, resulting in changes in the observed wavelength or color of light. This effect is crucial in astronomy for measuring the motion and distances of celestial objects and extends our understanding of the universe.
By studying the redshift or blueshift of light from stars, galaxies, and other cosmic bodies, scientists gain insights into the expansion and velocity of the universe, making the Doppler effect in light an essential tool in cosmology and astrophysics.
మన తెలుగులో
డాప్లర్ ప్రభావం ధ్వని మరియు కాంతి రెండింటికీ వర్తిస్తుంది మరియు మూలం మరియు పరిశీలకుడి మధ్య సాపేక్ష చలనం కారణంగా ఫ్రీక్వెన్సీ లేదా తరంగదైర్ఘ్యంలో మార్పు ఉంటుంది. ఈ ప్రభావం కాంతి తరంగాల సందర్భంలో “రెడ్షిఫ్ట్” మరియు “బ్లూషిఫ్ట్” అని పిలువబడే దృగ్విషయాలకు దారి తీస్తుంది.
రెడ్షిఫ్ట్లో, గమనించిన తరంగదైర్ఘ్యం ఎక్కువ అవుతుంది, మూలం పరిశీలకుడి నుండి దూరంగా వెళ్ళినప్పుడు కాంతిని స్పెక్ట్రం యొక్క ఎరుపు చివర వైపుకు మారుస్తుంది. దీనికి విరుద్ధంగా, బ్లూషిఫ్ట్లో, గమనించిన తరంగదైర్ఘ్యం తక్కువగా మారుతుంది, మూలం పరిశీలకుడి వైపు కదులుతున్నప్పుడు కాంతిని స్పెక్ట్రం యొక్క నీలిరంగు వైపుకు మారుస్తుంది.
కాంతి వేగం (సి) ఒక ప్రాథమిక స్థిరాంకం, మరియు కాంతి కోసం డాప్లర్ ప్రభావం మూలం మరియు పరిశీలకుడి మధ్య సాపేక్ష చలనాన్ని కలిగి ఉంటుంది, ఫలితంగా గమనించిన తరంగదైర్ఘ్యం లేదా కాంతి రంగులో మార్పులు వస్తాయి. ఖగోళ శాస్త్రంలో ఖగోళ వస్తువుల కదలిక మరియు దూరాలను కొలవడానికి మరియు విశ్వం గురించి మన అవగాహనను విస్తరించడానికి ఈ ప్రభావం చాలా కీలకమైనది.
నక్షత్రాలు, గెలాక్సీలు మరియు ఇతర కాస్మిక్ బాడీల నుండి కాంతి యొక్క రెడ్షిఫ్ట్ లేదా బ్లూషిఫ్ట్ను అధ్యయనం చేయడం ద్వారా, శాస్త్రవేత్తలు విశ్వం యొక్క విస్తరణ మరియు వేగం గురించి అంతర్దృష్టులను పొందుతారు, కాంతిలో డాప్లర్ ప్రభావాన్ని విశ్వోద్భవ శాస్త్రం మరియు ఖగోళ భౌతిక శాస్త్రంలో ముఖ్యమైన సాధనంగా మార్చారు.
Introduction
The Doppler effect, commonly associated with sound waves, also applies to light waves and the entire electromagnetic spectrum. This effect, also known as the relativistic Doppler effect, is observed when there is relative motion between the source of light and the observer. It results in a change in observed frequency or wavelength of light, leading to phenomena known as “redshift” and “blueshift“.
Understanding Doppler Effect in Light
- Defining the Doppler Effect for Light: The Doppler effect for light describes the change in wavelength (and thus color) of light due to the relative motion of the source and the observer. Unlike sound, light doesn’t need a medium to travel, so this effect involves changes at the speed of light, making it a relativistic effect.
- Redshift: When the source of light moves away from the observer, the observed wavelength is longer than the wavelength originally emitted by the source. This elongation shifts the light towards the red end of the spectrum, hence it’s called “redshift“. The formula to calculate the observed wavelength in this case is: $$\lambda_{\text{observed}} = \lambda_{\text{source}} \sqrt{[(1 + v/c) / (1 – v/c)]}$$
- Blueshift: Conversely, when the source moves towards the observer, the observed wavelength is shorter than the original emitted wavelength. This compression shifts the light towards the blue end of the spectrum, a phenomenon called “blueshift“. The formula to calculate the observed wavelength here is: $$\lambda_{\text{observed}} = \lambda_{\text{source}} \sqrt{[(1 – v/c) / (1 + v/c)]}$$
- Note: In both formulas, λsource is the wavelength of light emitted by the source, λobserved is the observed wavelength, v is the velocity of the source, and c is the speed of light.
- Relative Motion of Observer and Source: The Doppler effect of light isn’t limited to the movement of the source alone. Even if the observer is moving, either away from or towards the source, they will still observe the Doppler effect.
Summary
The Doppler effect of light is a crucial principle in physics and astronomy. It helps in understanding the movement and distance of celestial bodies by observing the redshift or blueshift in the light they emit. Understanding the Doppler effect in light extends our perception beyond the immediate environment, right out into the cosmos.
SAQ-2 : Derive the expression for the intensity at a point where interference of light occurs. Arrive at the conditions for maximum and zero intensity.
For Backbenchers 😎
Imagine two waves, like ripples in water, but they’re made of light. These waves have the same height, like two hills of the same size. However, one hill starts a little later than the other. We call this delay “phase difference.”
Now, when these two light waves meet, they mix up, and you get a new wave. Think of it like two friends high-fiving in the air. The new wave’s height at any point is the result of adding the heights of the two waves that met there.
This can make the new wave taller or shorter, depending on how their heights combine. Sometimes they help each other and make a really tall wave, and sometimes they cancel each other out, making a flat wave with no height.
The tall wave means the light is strong there, and we call that “maximum intensity.” The flat wave means there’s no light, which we call “minimum intensity.”
So, when two light waves meet with a little time difference (phase difference), they either make a super bright spot (maximum intensity) or a dark spot (minimum intensity). That’s how waves combine and make patterns of brightness and darkness. We see this phenomenon in different areas of science, like sound, light, and even tiny particles in quantum physics.
మన తెలుగులో
నీటిలో అలల వంటి రెండు తరంగాలను ఊహించుకోండి, కానీ అవి కాంతితో తయారు చేయబడ్డాయి. ఈ తరంగాలు ఒకే పరిమాణంలో ఉన్న రెండు కొండల మాదిరిగా ఒకే ఎత్తులో ఉంటాయి. అయితే, ఒక కొండ మరొకదాని కంటే కొంచెం ఆలస్యంగా ప్రారంభమవుతుంది. మేము ఈ ఆలస్యాన్ని “దశ వ్యత్యాసం” అని పిలుస్తాము.
ఇప్పుడు, ఈ రెండు కాంతి తరంగాలు కలిసినప్పుడు, అవి కలిసిపోతాయి మరియు మీరు కొత్త తరంగాని పొందుతారు. ఇద్దరు స్నేహితులు గాలిలో హై-ఫైవింగ్ చేస్తున్నట్లు ఆలోచించండి. ఏ బిందువులోనైనా కొత్త కెరటం ఎత్తు, అక్కడ కలిసిన రెండు తరంగాల ఎత్తులను జోడించడం వల్ల ఏర్పడుతుంది.
ఇది కొత్త తరంగాన్ని వాటి ఎత్తులు ఎలా కలుపుతాయనే దానిపై ఆధారపడి పొడవుగా లేదా పొట్టిగా చేయవచ్చు. కొన్నిసార్లు వారు ఒకరికొకరు సహాయం చేసుకుంటారు మరియు నిజంగా పొడవైన తరంగాన్ని తయారు చేస్తారు, మరియు కొన్నిసార్లు వారు ఒకరినొకరు రద్దు చేసుకుంటారు, ఎత్తు లేకుండా ఫ్లాట్ వేవ్ చేస్తారు.
పొడవాటి తరంగం అంటే అక్కడ కాంతి బలంగా ఉంటుంది మరియు దానిని మనం “గరిష్ట తీవ్రత” అని పిలుస్తాము. ఫ్లాట్ వేవ్ అంటే కాంతి లేదు, దానిని మనం “కనీస తీవ్రత” అని పిలుస్తాము.
కాబట్టి, రెండు కాంతి తరంగాలు కొద్ది సమయ వ్యత్యాసంతో (దశ వ్యత్యాసం) కలిసినప్పుడు, అవి సూపర్ బ్రైట్ స్పాట్ (గరిష్ట తీవ్రత) లేదా చీకటి మచ్చ (కనిష్ట తీవ్రత) చేస్తాయి. తరంగాలు ఎలా మిళితం అవుతాయి మరియు ప్రకాశం మరియు చీకటి యొక్క నమూనాలను తయారు చేస్తాయి. మేము ఈ దృగ్విషయాన్ని సైన్స్లోని వివిధ రంగాలలో, ధ్వని, కాంతి మరియు క్వాంటం ఫిజిక్స్లోని చిన్న రేణువులలో కూడా చూస్తాము.
Introduction
The principle of superposition states that when two or more waves overlap in space, the resultant displacement at any point is the algebraic sum of the displacements of the individual waves at that point. Let’s discuss the case where we have two waves with the same amplitude but different phases and derive the resulting intensity.
Step-by-step Solution
- Given two waves with the same amplitude ‘a’ but with a phase difference ‘ϕ’, their displacements are:
$$y_1 = a \sin(\omega t)$$
$$y_2 = a \sin(\omega t + ϕ)$$ - The resultant displacement, 2y = y1 + y2, so:
$$y = a \sin \omega t + a \sin(\omega t + ϕ)$$ - Expanding this using the trigonometric identity sin(A+B) = sinA cosB + cosA sinB gives:
$$y = a \sin \omega t [1 + \cos ϕ] + a \cos \omega t \sin ϕ$$ - Let’s rewrite Eq. (3) in a different form:
If $$R \cos \theta = a(1 + \cos ϕ)$$
$$R \sin \theta = a \sin ϕ$$ - Substituting Eq. (4) and Eq. (5) into Eq. (3) gives:
$$y = R \sin(\omega t + \theta)$$ where ‘R’ is the resultant amplitude. From Eq. (4) and Eq. (5), by squaring and adding them, we get the resultant intensity ‘I’ as:
$$I = R^2 = 4a^2 \cos^2(\frac{ϕ}{2})$$ - Analyzing Eq. (7), we get:
- Maximum intensity (Imax) occurs when $$\cos^2(\frac{ϕ}{2}) = 1$$ i.e., ϕ = 2nπ, where n=0, 1, 2, 3,…, leading to ϕ = 0, 2π, 4π, 6π…. Hence, Imax = 4a2.
- Minimum intensity (Imin) occurs when $$\cos^2(\frac{ϕ}{2}) = 0$$ i.e., ϕ = (2n+1)π, where n=0, 1, 2, 3,…, leading to ϕ = π, 3π, 5π, 7π…. Hence, Imin=0.
Summary
The above derivations show how the resultant amplitude and intensity of two superposed waves with the same amplitude but different phases can be calculated. This analysis helps us understand the behavior of wave superposition and interference in various fields such as acoustics, optics, and quantum mechanics.
SAQ-3 : Does the principle of conservation of energy hold for interference and diffraction phenomena ? Explain briefly.
For Backbenchers 😎
Imagine you have a magical energy ball, and it can’t be created or destroyed; it can only change. That’s the rule. Now, when we play with light, two things happen: interference and diffraction.
In interference, light waves mix together to make some parts super bright and other parts dark. Even though some are bright and some are dark, the total energy in all those parts stays the same. It’s like sharing your energy evenly among all the different spots.
Now, let’s talk about diffraction. It’s when light bends or spreads out when it goes around things. Again, you get bright and dark parts, but here’s the trick: some of the bright parts are brighter, and some of the dark parts are not super dark. But guess what? The total energy doesn’t change. It’s like moving your magical energy around to different places, but you still have the same amount.
So, whether it’s interference or diffraction, the big idea is that your magical energy (which we call energy) doesn’t vanish or appear out of nowhere. It just shifts around, and that’s why we say energy is conserved. It’s like playing with light and following a cool rule of nature!
మన తెలుగులో
మీరు మాయా శక్తి బంతిని కలిగి ఉన్నారని ఊహించుకోండి మరియు దానిని సృష్టించడం లేదా నాశనం చేయడం సాధ్యం కాదు; అది మాత్రమే మార్చగలదు. అది నియమం. ఇప్పుడు, మనం కాంతితో ఆడినప్పుడు, రెండు విషయాలు జరుగుతాయి: జోక్యం మరియు విక్షేపం.
జోక్యంలో, కాంతి తరంగాలు కలిసి కొన్ని భాగాలను చాలా ప్రకాశవంతంగా మరియు ఇతర భాగాలను చీకటిగా చేస్తాయి. కొన్ని ప్రకాశవంతంగా మరియు కొన్ని చీకటిగా ఉన్నప్పటికీ, ఆ అన్ని భాగాలలో మొత్తం శక్తి అలాగే ఉంటుంది. ఇది మీ శక్తిని అన్ని విభిన్న ప్రదేశాల మధ్య సమానంగా పంచుకోవడం లాంటిది.
ఇప్పుడు, డిఫ్రాక్షన్ గురించి మాట్లాడుకుందాం. ఇది వస్తువుల చుట్టూ వెళ్ళినప్పుడు కాంతి వంగి లేదా వ్యాపించినప్పుడు. మళ్ళీ, మీరు ప్రకాశవంతమైన మరియు చీకటి భాగాలను పొందుతారు, కానీ ఇక్కడ ట్రిక్ ఉంది: కొన్ని ప్రకాశవంతమైన భాగాలు ప్రకాశవంతంగా ఉంటాయి మరియు కొన్ని చీకటి భాగాలు చాలా చీకటిగా ఉండవు. అయితే ఏమి ఊహించండి? మొత్తం శక్తి మారదు. ఇది మీ మంత్రశక్తిని వివిధ ప్రదేశాలకు తరలించడం లాంటిది, కానీ మీరు ఇప్పటికీ అదే మొత్తాన్ని కలిగి ఉన్నారు.
కాబట్టి, అది జోక్యం లేదా విక్షేపం అయినా, పెద్ద ఆలోచన ఏమిటంటే, మీ మాయా శక్తి (దీనిని మనం శక్తి అని పిలుస్తాము) అదృశ్యం కాదు లేదా ఎక్కడా కనిపించదు. ఇది కేవలం చుట్టూ తిరుగుతుంది మరియు అందుకే మేము శక్తి సంరక్షించబడిందని చెప్పాము. ఇది కాంతితో ఆడుకోవడం మరియు ప్రకృతి యొక్క చల్లని నియమాన్ని అనుసరించడం వంటిది!
Introduction
The principle of conservation of energy states that energy can neither be created nor destroyed; it only transforms from one form to another. This principle is universally applicable, including in the phenomena of light interference and diffraction.
Interference of Light
- During the interference of light, bright and dark fringes form due to the constructive and destructive superposition of light waves, respectively.
- All the bright fringes in an interference pattern have maximum and equal intensity, signifying points where light waves add constructively.
- Conversely, all the dark fringes have minimum intensity and are completely dark, signifying points where light waves cancel each other out destructively.
- Despite these differences, the total energy in the interference pattern remains constant as energy is equally distributed among the bright and dark fringes, illustrating conservation of energy.
Diffraction of Light
- Diffraction involves the bending or spreading of light waves around obstacles or through apertures, resulting in bright and dark fringes.
- Unlike interference, the bright fringes in a diffraction pattern do not have equal intensity. This is due to the different path lengths and varying degrees of constructive interference.
- Similarly, the dark fringes in a diffraction pattern, though completely dark, have different intensities compared to the bright fringes.
- However, the total energy remains constant in diffraction as well, as energy is simply redistributed among the bright and dark fringes, once again demonstrating the principle of energy conservation.
Summary
In both light interference and diffraction, the conservation of energy holds true. Although the intensity of the fringes varies in these phenomena due to different degrees of constructive and destructive interference, the total energy remains constant as it’s only redistributed, not created or lost.
SAQ-4 : How do you determine the resolving power of your eye?
For Backbenchers 😎
The resolving power of an optical system like the human eye or a telescope measures its ability to distinguish closely spaced objects. It’s often tested with visual acuity. Retinoscopy is a method used to evaluate and correct the resolving power of the human eye.
In Retinoscopy, an optometrist uses a retinoscope to shine light into the patient’s eye and observe the reflection off the retina. They move the light to see how the reflection changes and then use lenses to “neutralize” the reflection.
The actual resolving power of the human eye with 20/20 vision is usually considered to be around one arc minute or 60 arc seconds. But it’s not just about the pupil size; it’s also influenced by factors like the eye’s diffraction limit.
The diffraction limit can be calculated using Rayleigh’s criterion, where θ = λ/D, with λ being the wavelength of light (about 500 nm) and D being the diameter of the eye’s pupil (approximately 5 mm). Using this formula, the diffraction-limited angular resolution of the eye is about 0.008 degrees, which means you could distinguish lines in a pattern from 15 meters away.
But remember, the actual resolving power depends on more than just the numbers; it’s also influenced by the health of the eye’s cells and how our brain processes what we see.
మన తెలుగులో
మానవ కన్ను లేదా టెలిస్కోప్ వంటి ఆప్టికల్ సిస్టమ్ యొక్క పరిష్కార శక్తి దగ్గరగా ఉండే వస్తువులను వేరు చేయగల సామర్థ్యాన్ని కొలుస్తుంది. ఇది తరచుగా దృశ్య తీక్షణతతో పరీక్షించబడుతుంది. రెటినోస్కోపీ అనేది మానవ కన్ను యొక్క పరిష్కార శక్తిని అంచనా వేయడానికి మరియు సరిచేయడానికి ఉపయోగించే ఒక పద్ధతి.
రెటినోస్కోపీలో, ఆప్టోమెట్రిస్ట్ రోగి కంటిలోకి కాంతిని ప్రకాశింపజేయడానికి మరియు రెటీనా నుండి ప్రతిబింబాన్ని గమనించడానికి రెటినోస్కోప్ను ఉపయోగిస్తాడు. ప్రతిబింబం ఎలా మారుతుందో చూడటానికి వారు కాంతిని కదిలిస్తారు మరియు ప్రతిబింబాన్ని “తటస్థీకరించడానికి” లెన్స్లను ఉపయోగిస్తారు.
20/20 దృష్టితో మానవ కన్ను యొక్క వాస్తవ పరిష్కార శక్తి సాధారణంగా ఒక ఆర్క్ నిమిషం లేదా 60 ఆర్క్ సెకన్లుగా పరిగణించబడుతుంది. కానీ ఇది విద్యార్థి పరిమాణం గురించి మాత్రమే కాదు; ఇది కంటి వివర్తన పరిమితి వంటి కారకాలచే కూడా ప్రభావితమవుతుంది.
వివర్తన పరిమితిని రేలీ యొక్క ప్రమాణాన్ని ఉపయోగించి లెక్కించవచ్చు, ఇక్కడ θ = λ/D, λ కాంతి తరంగదైర్ఘ్యం (సుమారు 500 nm) మరియు D అనేది కంటి విద్యార్థి వ్యాసం (సుమారు 5 మిమీ). ఈ సూత్రాన్ని ఉపయోగించి, కంటి యొక్క డిఫ్రాక్షన్-పరిమిత కోణీయ రిజల్యూషన్ సుమారు 0.008 డిగ్రీలు, అంటే మీరు 15 మీటర్ల దూరంలో ఉన్న పంక్తులను ఒక నమూనాలో వేరు చేయవచ్చు.
కానీ గుర్తుంచుకోండి, వాస్తవ పరిష్కార శక్తి కేవలం సంఖ్యల కంటే ఎక్కువ ఆధారపడి ఉంటుంది; ఇది కంటి కణాల ఆరోగ్యం మరియు మన మెదడు మనం చూసే వాటిని ఎలా ప్రాసెస్ చేస్తుంది అనే దానిపై కూడా ప్రభావం చూపుతుంది.
Introduction
The resolving power of an optical system such as the human eye or a telescope is defined as its ability to distinguish or resolve two closely spaced objects. For the human eye, this is often evaluated using a test for visual acuity. A commonly used method to evaluate and correct the resolving power of the human eye in the field of optometry is Retinoscopy.
Retinoscopy
- Retinoscopy is an objective method used to obtain an estimation of a person’s refractive error and lens prescription.
- During retinoscopy, an optometrist uses a device known as a retinoscope to shine light into a patient’s eye and observe the reflection (reflex) off the retina.
- As the spot of light is moved across the pupil, the relative movement of the reflex is observed.
- Subsequently, the optometrist manually places lenses over the patient’s eye using a temporary frame to “neutralize” the reflex.
Calculation of Resolving Power
- The actual resolving power of the human eye with 20/20 vision is generally considered to be about one arc minute or 60 arc seconds.
- This resolving power, however, is not solely dependent on the diameter of the pupil. In reality, it’s more complex and influenced by factors such as the eye’s diffraction limit.
- The diffraction limit can be calculated using Rayleigh’s criterion, which states that the angular resolution is given by θ = λ/D, where λ is the wavelength of light (approximately 500 nm), and D is the diameter of the eye’s pupil (about 5 mm).
- Using this formula, we calculate the diffraction-limited angular resolution of the eye to be around 0.008 degrees.
- Thus, if the eye could resolve images at the diffraction limit, one would be able to distinguish lines in a printed pattern at a distance of about 15 meters.
Summary
The resolving power of the human eye is an important measure of visual acuity and can be measured using retinoscopy. The calculated diffraction limit provides an understanding of the maximum potential resolving power of the eye. However, the actual resolving power is influenced by additional factors, such as the health of the eye’s photoreceptor cells and neural processing in the brain.
SAQ-5 : Explain the polarization of light by reflection and arrive at Brewster’s law from it.
For Backbenchers 😎
Polarization of light refers to light waves moving in a specific direction. Polarization by reflection happens when light bounces off a surface in a special way due to a particular angle called Brewster’s angle.
At Brewster’s angle, the reflected light becomes polarized, meaning its waves move in a specific direction parallel to the surface. This angle is crucial because the reflected and refracted rays become perpendicular to each other.
Snell’s law and trigonometry help us calculate Brewster’s angle. The refractive indices of the materials involved, like glass and air, play a role in this calculation. This knowledge is used in applications like making polarized sunglasses.
In simple terms, polarization by reflection is when light waves become special when they bounce off something at Brewster’s angle, and Brewster’s Law helps us calculate that angle using math. This is important for things like creating polarized sunglasses.
మన తెలుగులో
కాంతి యొక్క ధ్రువణత అనేది ఒక నిర్దిష్ట దిశలో కదిలే కాంతి తరంగాలను సూచిస్తుంది. బ్రూస్టర్ కోణం అని పిలువబడే ఒక నిర్దిష్ట కోణం కారణంగా కాంతి ఒక ప్రత్యేక మార్గంలో ఉపరితలం నుండి బౌన్స్ అయినప్పుడు ప్రతిబింబం ద్వారా ధ్రువణత జరుగుతుంది.
బ్రూస్టర్ కోణంలో, ప్రతిబింబించే కాంతి ధ్రువణమవుతుంది, అంటే దాని తరంగాలు ఉపరితలంతో సమాంతరంగా ఒక నిర్దిష్ట దిశలో కదులుతాయి. ప్రతిబింబించే మరియు వక్రీభవన కిరణాలు ఒకదానికొకటి లంబంగా మారడం వలన ఈ కోణం కీలకం.
స్నెల్ యొక్క చట్టం మరియు త్రికోణమితి బ్రూస్టర్ కోణాన్ని లెక్కించడంలో మాకు సహాయపడతాయి. గాజు మరియు గాలి వంటి పదార్థాల వక్రీభవన సూచికలు ఈ గణనలో పాత్ర పోషిస్తాయి. పోలరైజ్డ్ సన్ గ్లాసెస్ తయారీ వంటి అప్లికేషన్లలో ఈ పరిజ్ఞానం ఉపయోగించబడుతుంది.
సరళంగా చెప్పాలంటే, కాంతి తరంగాలు బ్రూస్టర్ కోణంలో దేనినైనా బౌన్స్ చేసినప్పుడు ప్రత్యేకంగా మారినప్పుడు ప్రతిబింబం ద్వారా ధ్రువణత అంటారు మరియు బ్రూస్టర్ యొక్క చట్టం గణితాన్ని ఉపయోగించి ఆ కోణాన్ని లెక్కించడంలో మాకు సహాయపడుతుంది. ధ్రువణ సన్ గ్లాసెస్ సృష్టించడం వంటి వాటికి ఇది ముఖ్యమైనది.
Introduction
Polarization of light refers to the phenomenon where light waves oscillate in a particular direction. Polarization by reflection occurs when unpolarized light is reflected at a specific angle from a transparent medium, resulting in light that is predominantly polarized in a plane perpendicular to the plane of incidence. This phenomenon is described by Brewster’s Law.
Polarization by Reflection
- When light reflects off a surface, the reflected light can become polarized if the angle of incidence is such that the reflected and refracted rays are perpendicular to each other.
- At this specific angle, known as Brewster’s angle (θB), the light reflected from the surface is perfectly polarized parallel to the surface.
- The refracted ray and the reflected ray are at 90 degrees to each other.
Derivation of Brewster’s Law
- According to Snell’s law, n1 sin θi = n2 sin θr, where n1 and n2 are the refractive indices of the two media, and θi and θr are the angles of incidence and refraction, respectively.
- At Brewster’s angle, the angle of reflection (θr) and the angle of refraction add up to 90 degrees $$\theta_r + \theta_{refracted} = 90^\circ$$
- Using trigonometric identities, we can say that $$\tan \theta_B = \frac{\sin \theta_{refracted}}{\cos \theta_{refracted}}$$
- Since $$\sin \theta_{refracted} = n_1/n_2 \sin \theta_i$$ (from Snell’s Law) and \cos $$\theta_{refracted} = \cos(90^\circ – \theta_i) = \sin \theta_i$$ we get $$\tan \theta_B = n_2/n_1$$
- Therefore, Brewster’s Law states that the Brewster’s angle (θB) is such that the tangent of this angle is the ratio of the refractive indices of the two media, or $$\tan \theta_B = n_2/n_1$$
Summary
The polarization of light by reflection is a critical concept in optics, demonstrating how light can be polarized through reflection at a specific angle, known as Brewster’s angle. Brewster’s Law provides a quantitative description of this angle, stating that it is the angle at which light with electric fields perpendicular to the incident plane does not reflect, resulting in polarized reflected light. This principle has numerous applications in photography, glare reduction, and various optical technologies.
SAQ-6 : Discuss the intensity of transmitted light when a polaroid sheet is rotated between two crossed polaroid’s.
For Backbenchers 😎
Polaroid sheets are optical filters that allow light waves of a specific polarization to pass through while blocking light waves of other polarizations. When light goes through, it becomes polarized, with the electric field moving in a single plane.
The principle of operation relies on Malus’s Law, which states that the intensity of transmitted light varies based on the angle between the light’s initial polarization and the filter’s axis.
In an experiment with two crossed Polaroid sheets, their polarization axes are initially perpendicular, blocking light. Adding a third Polaroid sheet between them allows us to change the intensity of transmitted light.
When you rotate the middle Polaroid, it changes the angle between the light’s polarization and the middle filter’s axis. According to Malus’s Law, this rotation affects how much light gets through, with maximum transmission occurring at a 45-degree angle.
This experiment helps us understand how polarized light and filters work together, showing how the angle plays a crucial role in controlling the amount of light that can pass through.
మన తెలుగులో
పోలరాయిడ్ షీట్లు ఆప్టికల్ ఫిల్టర్లు, ఇవి ఇతర ధ్రువణాల యొక్క కాంతి తరంగాలను నిరోధించేటప్పుడు నిర్దిష్ట ధ్రువణత యొక్క కాంతి తరంగాలను దాటడానికి అనుమతిస్తాయి. కాంతి గుండా వెళుతున్నప్పుడు, అది ధ్రువణమవుతుంది, విద్యుత్ క్షేత్రం ఒకే విమానంలో కదులుతుంది.
ఆపరేషన్ సూత్రం Malus యొక్క చట్టంపై ఆధారపడి ఉంటుంది, ఇది కాంతి యొక్క ప్రారంభ ధ్రువణత మరియు వడపోత యొక్క అక్షం మధ్య కోణం ఆధారంగా ప్రసార కాంతి యొక్క తీవ్రత మారుతుందని పేర్కొంది.
రెండు క్రాస్డ్ పోలరాయిడ్ షీట్లతో చేసిన ప్రయోగంలో, వాటి ధ్రువణ అక్షాలు మొదట్లో లంబంగా ఉంటాయి, కాంతిని అడ్డుకుంటాయి. వాటి మధ్య మూడవ పోలరాయిడ్ షీట్ను జోడించడం ద్వారా ప్రసారం చేయబడిన కాంతి యొక్క తీవ్రతను మార్చవచ్చు.
మీరు మధ్య పోలరాయిడ్ను తిప్పినప్పుడు, అది కాంతి ధ్రువణత మరియు మధ్య వడపోత అక్షం మధ్య కోణాన్ని మారుస్తుంది. మాలస్ చట్టం ప్రకారం, ఈ భ్రమణం 45-డిగ్రీల కోణంలో గరిష్ట ప్రసారంతో ఎంత కాంతిని పొందుతుందో ప్రభావితం చేస్తుంది.
పోలరైజ్డ్ లైట్ మరియు ఫిల్టర్లు ఎలా కలిసి పని చేస్తాయో అర్థం చేసుకోవడంలో ఈ ప్రయోగం మాకు సహాయం చేస్తుంది, గుండా వెళ్ళే కాంతి పరిమాణాన్ని నియంత్రించడంలో కోణం ఎలా కీలక పాత్ర పోషిస్తుందో చూపిస్తుంది.
Introduction
Polaroid sheets are optical filters that allow light waves of a specific polarization to pass through while blocking light waves of other polarizations. When light passes through a Polaroid, it becomes polarized, with the electric field oscillating in a single plane.
Principle of Operation
The principle behind the intensity of transmitted light through a Polaroid sheet is based on Malus’s Law. This law states that the intensity of polarized light transmitted through a polarizing filter varies as the cosine squared (cos2cos2) of the angle between the light’s initial polarization direction and the axis of the filter.
Experiment Setup
In the experiment involving two crossed Polaroid sheets (polarizers), the first and third polarizers are aligned such that their polarization axes are perpendicular to each other. This setup initially allows no light to pass through to the observer. Introducing a third Polaroid sheet between the crossed pair introduces a variable that can change the intensity of the transmitted light.
Effect of Rotating the Middle Polaroid
- Initial Alignment: When the middle Polaroid’s axis is aligned with either of the outer Polaroids, the intensity of light transmitted is maximized or minimized, depending on the alignment.
- Rotation: As the middle Polaroid is rotated, the angle between the polarization direction of the light passing through the first Polaroid and the axis of the middle Polaroid changes.
- Intensity Variation: According to Malus’s Law, the intensity of the light transmitted through the second (middle) Polaroid and observed after the third Polaroid varies as the cosine squared of the rotation angle of the middle Polaroid.
- Maximum Transmission: The maximum transmission occurs when the middle Polaroid’s axis is at 45 degrees to the axes of the first and third Polaroids. This configuration allows some light to pass through all three Polaroids.
Summary
The intensity of light transmitted through a set of three Polaroid sheets, with the middle one being rotated, demonstrates a fundamental property of polarized light and its interaction with polarizing filters. The experiment vividly illustrates Malus’s Law and the dependence of light intensity on the angle of polarization, emphasizing the polarization angle and the cosine squared relationship as key factors in determining the transmitted light’s intensity.