"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.; под ред. Орлова В.А. (ч.1); Генденштейн Л.Э., Кошкина А.В., Левиев Г.И. (ч. 2)
Поляризация света показывает, как направлены колебания электрического поля световой волны. Поляризатор выделяет колебания одного направления, а анализатор позволяет обнаружить поляризацию и сравнить интенсивность света при разных углах. Главная формула темы — закон Малюса: I = I₀ cos² α. Поляризация подтверждает поперечность световой волны, а геометрическая оптика рассматривается как её приближённое описание.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Поляризация света — упорядоченность направления колебаний вектора напряжённости электрического поля световой волны. Если направления колебаний распределены не хаотично, а выделено одно направление, свет называют линейно поляризованным. Это понятие нужно, чтобы описывать свойства света, которые нельзя увидеть в модели обычных лучей.
Поляризатор — устройство, пропускающее световые колебания только определённого направления. Его ось пропускания задаёт направление, вдоль которого может колебаться электрическое поле прошедшей волны. Поляризатор используют для получения линейно поляризованного света.
Анализатор — поляризатор, применяемый для определения направления поляризации и исследования интенсивности прошедшего света. Поворачивая анализатор, сравнивают яркость света при разных углах между его осью и направлением поляризации. Поэтому анализатор не является особым новым прибором: это поляризатор в измерительной роли.
Закон Малюса — зависимость интенсивности линейно поляризованного света после анализатора от угла между направлениями их пропускания: I = I₀ cos² α. Здесь I₀ — интенсивность света перед анализатором, а I — после него. Закон позволяет рассчитывать яркость и находить угол между осями поляризаторов.
Поляризация возможна для поперечной волны, потому что у такой волны колебания происходят в направлениях, перпендикулярных распространению. У электромагнитной волны вектор напряжённости электрического поля может менять направление в поперечной плоскости. Если выделить одно из этих направлений, возникнет поляризованный свет; у продольной волны такого выбора нет, поэтому поляризация служит доказательством поперечности света.
В естественном свете атомы и молекулы излучают независимо, поэтому направления колебаний электрического поля быстро и беспорядочно меняются. Ни одно направление не имеет постоянного преимущества. В линейно поляризованном свете колебания происходят в одной выбранной плоскости и имеют определённое направление, перпендикулярное лучу.
Поляризатор действует как направленный фильтр для колебаний электрического поля. Из множества направлений, присутствующих в естественном свете, он оставляет составляющую вдоль своей оси пропускания. Часть энергии не проходит через устройство, поэтому интенсивность после поляризатора уменьшается; для идеального поляризатора естественного света она обычно становится примерно вдвое меньше.
Анализатор обнаруживает поляризацию благодаря изменению яркости при повороте. Если его ось совпадает с направлением колебаний, он пропускает свет наиболее эффективно. При повороте на 90° ось становится перпендикулярной колебаниям, и свет гасится, поэтому изменение интенсивности от максимума до нуля показывает наличие поляризации.
После первого поляризатора свет уже линейно поляризован, поэтому его электрическое поле можно разложить на составляющую вдоль оси анализатора. Амплитуда этой составляющей пропорциональна cos α, а интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды. Поэтому I = I₀ cos² α: при α = 0 оси параллельны и I = I₀, а при α = π/2 поляризаторы скрещены и I = 0.
Геометрическая оптика заменяет волну лучами и хорошо работает, когда размеры препятствий, отверстий и оптических приборов намного больше длины волны. Тогда волновые эффекты заметны слабо, и удобно говорить о прямолинейном распространении, отражении и преломлении лучей. Поляризация требует сведений о направлении колебаний электрического поля, поэтому объясняется только волновой оптикой.
| Ситуация или величина | Условие | Интенсивность | Наблюдаемый результат |
|---|---|---|---|
| Естественный свет | Направления колебаний не упорядочены | I₀ | Поляризация отсутствует |
| Линейно поляризованный свет | Колебания происходят в одном направлении | I₀ | Есть определённое направление поляризации |
| Поляризатор и анализатор параллельны | α = 0 | I = I₀ | Свет проходит наиболее интенсивно |
| Поляризатор и анализатор скрещены | α = π/2 | I = 0 | Свет не проходит |
| Произвольный угол между осями | 0 < α < π/2 | I = I₀ cos² α | Интенсивность изменяется при повороте анализатора |
В таблице I₀ удобно считать интенсивностью перед анализатором, когда свет уже прошёл первый поляризатор. Для естественного света и для линейно поляризованного света обозначение зависит от выбранного участка схемы, поэтому всегда проверяйте, где именно измеряется интенсивность.
Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите состояние света и угол между осями пропускания. Затем примените закон Малюса и сравните полученный результат с крайними случаями: максимумом при нулевом угле и нулём при прямом угле.
Естественный свет проходит через поляризатор и анализатор, оси пропускания которых образуют угол 60°. Нужно сравнить интенсивность после анализатора с интенсивностью перед ним. После первого поляризатора свет становится линейно поляризованным, поэтому закон Малюса применим ко второму устройству.
Ответ: после анализатора интенсивность равна ¼ от интенсивности перед ним, то есть уменьшается в 4 раза.
После первого поляризатора интенсивность света равна I₀. Требуется повернуть анализатор так, чтобы прошла четверть этой интенсивности. Искомый угол должен быть между 0° и 90°, поскольку поворот на 60° и на 120° даёт одинаковое значение квадрата косинуса, но в схеме обычно берут меньший угол.
Ответ: анализатор нужно повернуть на 60° относительно направления поляризации первого поляризатора.
Два первых поляризатора скрещены, а между ними помещён третий, повернутый на 45° относительно первого. Без третьего поляризатора свет не проходил бы через второе устройство, но теперь между соседними осями появляются углы 45°. Интенсивность нужно уменьшать последовательно на каждом участке.
Ответ: свет начинает проходить, потому что третий поляризатор поворачивает направление поляризации промежуточно; конечная интенсивность составляет 1/4 интенсивности после первого поляризатора.
Поляризуется направление распространения света. Так ошибаются, смешивая направление луча и направление колебаний поля. Проверка проста: направление поляризации должно быть поперечным лучу и относится к вектору электрического поля.
Закон Малюса применяют прямо к естественному свету. Формула описывает свет, уже линейно поляризованный первым поляризатором, а не исходный хаотический свет. Сначала найдите участок, перед которым задано I₀, и только затем используйте формулу.
Берут угол между направлениями распространения лучей. В обычной схеме лучи идут практически в одном направлении, а меняются положения осей устройств. В законе Малюса нужен угол между осями пропускания поляризатора и анализатора.
Путают параллельные и скрещенные поляризаторы. При α = 0° cos² α = 1, поэтому интенсивность максимальна, а при α = 90° она равна нулю. Перед ответом проверьте результат по этим двум крайним случаям.
Для понимания поляризации нужны свойства поперечных электромагнитных волн, взаимное расположение векторов электрического и магнитного полей, понятия интенсивности и длины волны. Эти знания объясняют, что именно колеблется и почему направление колебаний можно выделить.
Поляризация вместе с интерференцией и дифракцией подтверждает волновую природу света. Интерференция и дифракция показывают сложение и огибание волн, а поляризация раскрывает поперечный характер электромагнитных колебаний.
Поляризаторы применяют в солнцезащитных очках, жидкокристаллических экранах, фотографии и оптических измерениях. С их помощью также исследуют напряжения в прозрачных материалах, поскольку напряжённый материал может изменять состояние поляризации света.
Почему поляризация доказывает поперечность световой волны?
Поляризация упорядочивает направление колебаний, перпендикулярных направлению распространения волны. Для продольной волны невозможно выделить одно из поперечных направлений колебаний, поэтому поляризация характерна именно для поперечных волн.
Чем поляризатор отличается от анализатора?
Поляризатор получает из естественного света линейно поляризованный свет, пропуская колебания одного направления. Анализатор — это поляризатор, который используют для определения направления поляризации и измерения зависимости интенсивности от угла.
Почему через два скрещенных поляризатора свет не проходит?
После первого поляризатора электрическое поле колеблется вдоль его оси пропускания. Ось второго поляризатора перпендикулярна этому направлению, поэтому при α = 90° закон Малюса даёт I = I₀ cos² 90° = 0.
Как определить угол между осями поляризатора и анализатора по интенсивности света?
Для линейно поляризованного света используют формулу I = I₀ cos² α. Из отношения I/I₀ находят cos² α, а затем выбирают угол α в диапазоне от 0 до 90° для обычной схемы с поляризаторами.
Почему геометрическая оптика не может объяснить явление поляризации?
Геометрическая оптика описывает свет как лучи и не учитывает направления колебаний электрического поля. Поляризация связана именно с волновыми свойствами света, поэтому для её объяснения требуется волновая оптика.
§ 25. Поляризация света. Соотношение между волновой и геометрической оптикой
