"Физика (базовый и углублённый уровни)", Грачёв А.В., Погожев В.А., Салецкий А.М., Боков П.Ю.
Поляризация волн — упорядоченность направления колебаний в поперечной волне. Она помогает отличить поперечные волны от продольных и исследовать свойства света. Поляризатор выделяет колебания одного направления, а анализатор позволяет обнаружить такую упорядоченность. Для линейно поляризованного света интенсивность после анализатора определяется законом Малюса: I = I0 cos² φ.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Поляризация волн — упорядоченное направление колебаний в поперечной волне. Это означает, что из множества возможных направлений выделяется определённое. Понятие нужно, чтобы описывать ориентацию колебаний и отличать поперечные волны от продольных.
Линейно поляризованная волна — волна, в которой вектор колебаний сохраняет одно направление, перпендикулярное направлению распространения. Для света обычно говорят о постоянном направлении колебаний вектора электрического поля. Такое описание позволяет однозначно определить направление поляризации.
Поляризатор — устройство, пропускающее колебания только одного направления. Он отбирает из неполяризованного света составляющую, соответствующую своей оси пропускания. Поэтому на выходе можно получить линейно поляризованный свет.
Закон Малюса — зависимость интенсивности света после анализатора от квадрата косинуса угла между направлениями поляризации. Она записывается так: I = I0 cos² φ, где I0 — интенсивность перед анализатором, а φ — угол между направлением поляризации и его осью. Закон позволяет вычислять результат поворота анализатора.
Поляризация возможна только для поперечных волн, потому что их частицы или поля могут колебаться в разных направлениях, перпендикулярных распространению. Среди этих направлений можно выбрать одно и пропустить только соответствующую составляющую. В продольной волне колебания идут вдоль распространения, поэтому отдельного поперечного направления для отбора нет.
Естественный свет обычно неполяризован: направления колебаний электрического поля быстро и беспорядочно меняются. При прохождении через поляризатор остаётся только составляющая поля вдоль его пропускающей оси. Поэтому выходящий свет становится линейно поляризованным, а его интенсивность для идеального поляризатора равна половине исходной.
Второй поляризатор называют анализатором, потому что он не просто пропускает свет, а позволяет исследовать его поляризацию. Если его ось почти совпадает с направлением колебаний, большая часть поля проходит. При повороте оси поперёк этого направления пропускание уменьшается и при угле 90° исчезает для идеальных устройств.
Пусть амплитуда электрического поля перед анализатором равна E0. Анализатор пропускает его проекцию на свою ось: E = E0 cos φ. Поскольку интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды, получаем I/I0 = E²/E0² = cos² φ, то есть I = I0 cos² φ.
Поляризация может возникать и при отражении: отражённый свет оказывается частично или полностью поляризованным при определённом угле падения. Это связано с тем, что при отражении составляющие электрического поля взаимодействуют с поверхностью неодинаково. По направлению и степени поляризации можно изучать свойства света и отражающей среды.
| Свойство | Неполяризованный свет | Линейно поляризованный свет | Круговая поляризация |
|---|---|---|---|
| Направление колебаний электрического поля | Меняется беспорядочно. | Остаётся неизменным. | Вектор вращается, сохраняя постоянную величину. |
| Можно ли выделить одно направление колебаний | Нет единственного направления. | Да, оно уже задано. | Можно выделить мгновенную составляющую, но не постоянное направление. |
| Результат прохождения через поляризатор | Становится линейно поляризованным. | Интенсивность зависит от угла оси. | Получается линейно поляризованный свет с уменьшенной интенсивностью. |
| Зависимость интенсивности от угла анализатора | Не зависит от угла; после идеального поляризатора I0/2. | I = I0 cos² φ. | Для идеального поляризатора не зависит от его поворота. |
| Примеры получения | Прямой естественный солнечный свет. | Поляризатор или отражение. | Сочетание линейного поляризатора и фазовой пластинки. |
Сначала определите, как меняется направление электрического поля, а затем посмотрите, что делает поляризатор. Для расчётов особенно важны строка о линейной поляризации и угол между осями, а не направление распространения света.
Условие. Определить, может ли продольная звуковая волна быть поляризованной. Нужно объяснить ответ через направление колебаний частиц среды.
Ответ: продольная звуковая волна не может быть поляризованной. Поляризация характерна для поперечных волн.
Условие. Линейно поляризованный свет интенсивностью I0 проходит через анализатор. Угол между направлением поляризации и осью анализатора равен 60°. Найти интенсивность прошедшего света.
Ответ: интенсивность прошедшего света равна I0/4, то есть 25% интенсивности перед анализатором.
Условие. Неполяризованный свет проходит через два идеальных поляризатора, угол между их осями равен 45°. Требуется определить итоговую интенсивность относительно исходной I0.
Ответ: после второго поляризатора остаётся I0/4, или 25% исходной интенсивности. Вклад первого поляризатора и наклон оси второго учитываются последовательно.
Считать, что поляризация возможна у любой волны, — значит забыть о поперечных направлениях колебаний. Так ошибаются, когда связывают поляризацию только с наличием волны, а не с её геометрией. Проверьте себя: есть ли у колебаний разные направления, перпендикулярные распространению?
В законе Малюса иногда берут угол между направлениями распространения волн. Ошибка возникает из-за смешения направления движения волны с направлением колебаний электрического поля. Нужно измерять угол между осями поляризатора и анализатора или между осью анализатора и направлением поляризации.
Запись I = I0 cos φ неверна, потому что интенсивность связана с квадратом амплитуды поля. Проекция амплитуды даёт cos φ, а при переходе к интенсивности появляется квадрат. Быстрая проверка: при φ = 90° обе формулы дают ноль, но при 60° правильный результат равен I0/4.
После первого идеального поляризатора неполяризованный свет не сохраняет исходную интенсивность. Забывают множитель ½, когда сразу применяют закон Малюса ко второму устройству. Сначала запишите I1 = I0/2, а затем используйте I2 = I1 cos² φ.
Для понимания поляризации нужны представления о поперечных и продольных волнах, электромагнитной волне, взаимно перпендикулярных векторах электрического и магнитного полей, а также об интенсивности света. Позже эти знания пригодятся при изучении оптических приборов, жидкокристаллических экранов и 3D-кино. Поляризация также используется в фотоупругости и при анализе напряжений в материалах.
Почему продольную волну нельзя поляризовать?
В продольной волне частицы колеблются вдоль направления распространения. У такого движения нет разных поперечных направлений, которые можно было бы выделить поляризатором.
Чем поляризатор отличается от анализатора?
Поляризатор создаёт или выделяет определённое направление колебаний. Анализатор — второй поляризатор, с помощью которого проверяют наличие поляризации и измеряют её, изменяя угол между осями.
Почему через два параллельных поляризатора проходит максимальный свет?
Оси параллельных поляризаторов совпадают, поэтому направление колебаний света после первого полностью совпадает с разрешённым направлением второго. В законе Малюса φ = 0°, а cos² 0° = 1.
Почему при повороте анализатора интенсивность меняется по закону косинуса в квадрате?
Анализатор пропускает проекцию амплитуды электрического поля на свою ось, а эта проекция равна E0 cos φ. Интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды, поэтому появляется cos² φ.
Можно ли наблюдать поляризацию естественного солнечного света?
Да, солнечный свет можно частично поляризовать при отражении от воды, стекла или дороги, а также при рассеянии в атмосфере. Обычный прямой солнечный свет в целом неполяризован.
§ 58. Поляризация волн
