39. Поперечность световых волн

Определения и обозначения

Поперечная волна — волна, в которой колебания происходят перпендикулярно направлению распространения. В световой волне колеблются электрическое и магнитное поля, причём их колебания поперечны направлению движения волны. Это определение позволяет различать типы волн по взаимному расположению колебаний и распространения.

Поляризация света — упорядочение направлений колебаний в световой волне. В естественном свете нет одного выделенного направления, а в линейно поляризованном колебания ориентированы определённым образом. Различие помогает понять, как фильтры изменяют свет и как исследовать его свойства.

Поляризатор — устройство, пропускающее световые колебания преимущественно в одном направлении. Когда естественный свет проходит через него, направления колебаний оказываются упорядоченными. Поэтому поляризатор используют, чтобы получить поляризованный свет.

Анализатор — поляризатор, с помощью которого исследуют направление колебаний в уже поляризованном свете. Его пропускающую ось поворачивают и наблюдают за яркостью прошедшего света. Так можно определить, поляризован ли свет и как ориентировано его колебание.

Как это устроено

Поляризация возможна только у поперечных волн, потому что у них есть несколько возможных направлений колебаний поперёк распространения. Фильтр может выделить одно из этих направлений, не меняя самого направления движения волны. У продольной волны колебания идут вдоль распространения, поэтому отдельных поперечных направлений нет. Значит, упорядочить такие направления, как у света, невозможно.

Естественный свет состоит из волн, в которых направления колебаний не выделены и сменяются от одной части светового потока к другой. Поляризатор пропускает колебания преимущественно вдоль своей пропускающей оси, а остальные ослабляет. После устройства в прошедшем свете остаётся преимущественно одно направление колебаний. Поэтому свет становится поляризованным, хотя его направление распространения не обязано измениться.

Чтобы проверить поляризацию, за поляризатором помещают анализатор и поворачивают его. Когда пропускающая ось анализатора ориентирована вдоль колебаний, через него проходит больше света; при повороте интенсивность уменьшается. Если оси поляризатора и анализатора перпендикулярны, их называют скрещёнными: для линейно поляризованного света анализатор почти не пропускает свет. Изменение яркости при повороте показывает, что результат зависит от направления колебаний.

Такое наблюдение служит доказательством поперечности световых волн. Анализатор различает ориентации колебаний, перпендикулярных распространению, и может пропускать одни из них лучше других. Для продольной волны подобное различие поперечных направлений не имело бы смысла. Следовательно, возможность поляризовать свет подтверждает, что световая волна поперечна.

Поляризованный свет можно получить и при отражении: при взаимодействии света с поверхностью отражённые колебания могут упорядочиться. Степень упорядочения зависит от условий отражения, поэтому отражённый свет бывает поляризован частично или полностью. Если при вращении анализатора яркость меняется, но не исчезает, в отражённом свете сохраняются колебания разных направлений. При полном гашении выделено одно направление, которое блокирует скрещённый анализатор.

Свет до и после поляризатора

Сначала определите, какой свет попадает на анализатор, а затем сравните направление его колебаний с пропускающей осью. Параллельное положение даёт максимум яркости, а скрещённое — минимум для линейно поляризованного света. Естественный свет не следует автоматически считать полностью погасшим при скрещённых осях: перед анализатором его ещё нужно поляризовать.

Разбор задач

Почему наличие поляризованного света позволяет заключить, что световая волна поперечная?

Решение. Сначала сравним направления колебаний у двух видов волн. У поперечной волны колебания направлены поперёк распространения, и возможные направления можно упорядочить. У продольной волны колебания идут вдоль распространения, поэтому выделить отдельное поперечное направление нельзя.

1. Поляризация означает, что колебания упорядочены по направлению.
2. Такое упорядочение возможно для поперечной волны, поскольку её колебания могут иметь разные направления поперёк распространения.
3. Если свет поляризуется, его колебания обладают этой поперечной особенностью.

Ответ: наличие поляризованного света показывает, что световая волна поперечная. Для продольной волны поляризация в этом смысле невозможна.

Естественный свет проходит через поляризатор и анализатор. Как изменится яркость при повороте анализатора на 90°?

Решение. После первого поляризатора свет становится линейно поляризованным, поэтому направление его колебаний известно относительно оси этого устройства. Анализатор пропускает колебания вдоль собственной оси. Поворот на 90° переводит ось из параллельного положения в скрещённое или обратно.

1. Если оси сначала параллельны, свет проходит через анализатор с наибольшей яркостью.
2. При повороте анализатора на 90° его ось становится перпендикулярной направлению колебаний.
3. В скрещённом положении анализатор почти полностью задерживает линейно поляризованный свет.

Ответ: при повороте от параллельного положения яркость уменьшится до минимума; при повороте из скрещённого положения она возрастёт до максимума. Вывод основан на том, что первый поляризатор уже упорядочил колебания.

Свет, отражённый от поверхности, проверяют анализатором. При повороте анализатора яркость меняется, но не исчезает полностью. Что можно заключить о поляризации отражённого света?

Решение. Полная линейная поляризация дала бы возможность подобрать положение анализатора, при котором свет почти полностью гаснет. Здесь яркость меняется, значит, анализатор по-разному пропускает составляющие света при разных ориентациях. Но полного гашения не наблюдается, следовательно, в отражённом потоке остаются колебания, не устраняемые одним положением оси.

1. Изменение яркости указывает, что направления колебаний неравноценны: свет поляризован.
2. Отсутствие полного гашения означает, что поляризация не полная.
3. Поэтому отражённый свет следует считать частично поляризованным.

Ответ: отражённый свет поляризован частично. Для полной поляризации при некотором положении анализатора яркость стала бы минимальной, близкой к нулю.

Типичные ошибки

Ошибка: считать поляризацию изменением направления распространения света. Такое представление возникает потому, что слова «направление» и «свет» часто связывают с тем, куда движется луч. При поляризации упорядочиваются направления колебаний, а не ход луча. Проверьте себя: сравнивайте направление распространения с направлением колебаний, а не с траекторией света.

Ошибка: путать поляризатор и анализатор. Оба устройства пропускают колебания преимущественно одного направления, поэтому их функции кажутся одинаковыми. Поляризатор получают для создания поляризованного света, а анализатор используют для его исследования. Спросите себя, стоит ли устройство до поляризации света или служит проверкой уже полученного результата.

Ошибка: полагать, что поляризовать можно продольную волну. Путаница возникает из-за того, что фильтр представляют как устройство, которое просто ослабляет волну. Но для поляризации нужно выбирать направление поперечных колебаний, а у продольной волны их нет. Проверьте ориентацию колебаний относительно распространения.

Ошибка: считать, что скрещённые оси гасят любой свет. Это правило относится к линейно поляризованному свету, прошедшему первый поляризатор; естественный или частично поляризованный свет может пройти и при скрещённых осях. Ошибка появляется, если не учитывать исходное состояние света. Перед выводом о гашении выясните, был ли свет линейно поляризован.

Связь с другими темами

Для понимания поляризации нужно различать поперечные и продольные волны, направление распространения и направление колебаний. Тема продолжает изучение электромагнитной природы света: в световой волне колеблются электрическое и магнитное поля. Практическое применение поляризации связано с фильтрами в оптике, например в солнцезащитных очках и жидкокристаллических экранах. Там упорядочение световых колебаний помогает управлять тем, какой свет проходит к наблюдателю.

Что запомнить

• В поперечной волне колебания перпендикулярны направлению распространения.
• Поляризация упорядочивает направления колебаний.
• Продольные волны поляризовать нельзя.
• Поляризатор пропускает световые колебания преимущественно одного направления.
• Анализатор помогает определить, поляризован ли свет и как ориентированы его колебания.
• Поляризация света подтверждает поперечность световых волн.