§ 73. Поперечность световых волн. Поляризация света

Определения и обозначения

Поперечная волна — волна, в которой колебания происходят перпендикулярно направлению её распространения. У световой волны колеблются электрическое и магнитное поля, а не частицы вещества. Это понятие нужно, чтобы сравнить свет с продольными волнами и понять возможность поляризации.

Поляризация света — упорядочение направлений колебаний в световой волне. В естественном свете эти направления беспорядочно меняются, а в линейно поляризованном свете выделено одно направление. Поляризация позволяет обнаруживать поперечность световой волны.

Поляризатор — устройство, пропускающее свет с определённым направлением колебаний. Из естественного света он выделяет колебания, ориентированные вдоль своей оси пропускания. Поэтому поляризатор используют как первый элемент опыта и получают поляризованный свет.

Анализатор — поляризатор, применяемый для исследования состояния поляризации света. Его поворачивают относительно первого поляризатора и наблюдают изменение яркости прошедшего света. Если яркость зависит от угла поворота, это указывает на упорядоченное направление колебаний.

Как это устроено

Световая волна является электромагнитной, поэтому в ней изменяются электрическое и магнитное поля. Векторы этих полей колеблются поперёк направления распространения волны и при этом остаются взаимно перпендикулярными. Именно такая геометрия полей делает возможным выделение определённой ориентации колебаний.

Источники света обычно испускают множество волн, направления колебаний электрического поля которых различны. Поэтому в естественном свете ориентация поля быстро и беспорядочно меняется, хотя направление распространения может оставаться одним и тем же. У линейно поляризованного света колебания упорядочены около одной фиксированной линии.

Поляризатор действует избирательно: его вещество или устройство пропускает колебания одной ориентации лучше остальных. В результате после него остаётся свет, у которого направление колебаний электрического поля определено. Так естественный свет превращается в поляризованный, даже если до устройства направления были смешаны.

Анализатор пропускает только составляющую уже поляризованного света вдоль собственной оси. При совпадении осей эта составляющая максимальна, поэтому наблюдается наибольшая яркость. При повороте анализатора составляющая уменьшается, а при взаимной перпендикулярности осей становится равной нулю, и свет почти гаснет.

Такой результат нельзя объяснить только изменением направления распространения света: оно при повороте анализатора не меняется. Меняется именно отбор поперечного направления колебаний. Продольная волна не дала бы подобной картины, поскольку её колебания направлены вдоль распространения и отдельной поперечной ориентации у неё нет.

Поперечные и продольные волны

Сначала определите направление распространения волны, затем сравните с ним направление колебаний. Если колебания поперечны, у них можно выделить одну ориентацию с помощью поляризатора. Именно эта особенность таблицы связывает поляризацию с доказательством поперечности света.

Разбор задач

Задача 1

Условие: объясните, почему опыт с поляризатором и анализатором позволяет заключить, что световая волна поперечная. Нужно связать наблюдаемое изменение яркости со свойствами волны. Числовые вычисления здесь не требуются.

1. Первый поляризатор выделяет из естественного света колебания электрического поля одного направления.
2. Анализатор пропускает только ту составляющую этих колебаний, которая совпадает с его осью пропускания.
3. При повороте анализатора эта составляющая меняется, поэтому яркость периодически возрастает и уменьшается, а при скрещивании устройств свет почти исчезает.

Ответ: избирательное пропускание колебаний определённой ориентации возможно только для поперечной волны. Поэтому наблюдение за поляризаторами подтверждает поперечность световой волны.

Задача 2

Условие: естественный свет проходит через поляризатор, а затем через анализатор. Опишите изменение яркости при повороте анализатора на 90°. За начальное положение примем совпадение направлений пропускания двух устройств.

1. В начальном положении оси параллельны, поэтому анализатор пропускает максимальную составляющую поляризованного света.
2. При повороте анализатора угол между осями увеличивается, и пропускаемая составляющая уменьшается.
3. После поворота на 90° оси становятся перпендикулярными, поэтому свет за анализатором почти исчезает.

Ответ: яркость непрерывно уменьшается от максимальной до почти нулевой. При дальнейшем вращении она снова возрастает, когда направления пропускания начинают сближаться.

Задача 3

Условие: между скрещёнными поляризатором и анализатором поместили третий поляризатор, ось которого образует угол 45° с каждым из них. Объясните появление света за анализатором. Рассматриваем идеализированный случай без потерь.

1. Первый поляризатор задаёт исходное направление колебаний, а анализатор направлен перпендикулярно ему.
2. Третий поляризатор пропускает составляющую исходных колебаний вдоль своей оси и тем самым поворачивает направление поляризации на 45°.
3. Для анализатора эта новая поляризация уже не перпендикулярна: между ними также 45°, поэтому у волны появляется пропускаемая составляющая.

Ответ: свет появляется, потому что промежуточный поляризатор постепенно изменяет направление колебаний. Скрещённость крайних устройств сама по себе не означает полного гашения, если между ними добавлен элемент с другим направлением пропускания.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что поляризация изменяет направление распространения света. Так думают, потому что при повороте устройства меняется наблюдаемая яркость. Проверьте себя: направление луча остаётся прежним, меняется только ориентация пропускаемых поперечных колебаний.

Ошибка: путать естественный и линейно поляризованный свет. Причина — в обоих случаях свет распространяется в одном направлении, но ориентация поля ведёт себя по-разному. В естественном свете она беспорядочно меняется, а в поляризованном выделена.

Ошибка: полагать, что скрещённые устройства пропускают больше всего света. Иногда путают параллельное и перпендикулярное направления их осей. Запомните проверку: при угле 0° яркость максимальна, а при угле 90° свет почти гаснет.

Ошибка: считать, что поляризация возможна у продольной волны. У продольной волны колебания идут вдоль распространения, поэтому независимого поперечного направления для отбора нет. Сопоставьте направление колебаний с направлением движения волны перед выводом.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления о волне, направлении её распространения и направлении колебаний. Эти понятия позволяют различать продольные и поперечные волны ещё до изучения поляризации.

Тема непосредственно связана с электромагнитной природой света: поляризуется именно ориентация электрического поля. Практическое применение идеи — поляризационные фильтры в оптических приборах и солнечных очках.

Что запомнить

• Свет — поперечная электромагнитная волна.
• В естественном свете направления колебаний не упорядочены.
• Поляризатор пропускает колебания определённого направления.
• После поляризатора свет становится поляризованным.
• Анализатор позволяет обнаружить поляризацию света.
• Поляризация служит доказательством поперечности световых волн.