"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Петрова М.А. и др.
Поляризация показывает, как ориентированы колебания электрического поля в световой волне. В естественном свете эти направления беспорядочно меняются, а при линейной поляризации колебания происходят в одном направлении. Поляризатор выделяет колебания нужной ориентации, а анализатор помогает обнаружить поляризацию по изменению яркости при повороте. Это явление важно не только для понимания природы света: поляризационные фильтры используют, например, чтобы уменьшать блики.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Поперечная световая волна — волна, в которой колебания вектора напряжённости электрического поля происходят перпендикулярно направлению распространения света. Это определение помогает отличить направление движения волны от направления колебаний поля. Их нельзя путать: свет распространяется вперёд, а поле колеблется поперёк этого направления.
Естественный свет — свет, в котором направления колебаний вектора напряжённости электрического поля быстро и беспорядочно меняются. Например, обычный свет от лампы не имеет одного выделенного направления таких колебаний. Понятие нужно, чтобы описывать свет до его упорядочения поляризатором.
Поляризованный свет — свет, в котором колебания вектора напряжённости электрического поля упорядочены; при линейной поляризации они происходят в одном направлении. Иными словами, множество возможных направлений колебаний сведено к одному. Это позволяет проследить, как свет взаимодействует с устройствами, пропускающими только определённую ориентацию колебаний.
Поляризатор и анализатор — устройство, выделяющее световые колебания определённого направления, и устройство, с помощью которого проверяют характер поляризации света. Их действие основано на пропускании колебаний вдоль пропускающей оси. Поляризатор используют для получения поляризованного света, а анализатор — чтобы исследовать его.
Свет — электромагнитная волна: в ней распространяются изменения электрического и магнитного полей. В поперечной волне колебания поля направлены не вдоль движения волны, а поперёк него. Поэтому направление распространения само по себе не сообщает, куда именно колеблется электрическое поле: вокруг него возможны разные поперечные ориентации. Для описания поляризации выбирают электрическое поле, потому что по его направлению удобно характеризовать состояние световой волны.
В естественном свете нет постоянного выделенного направления колебаний электрического поля: оно быстро меняется беспорядочно. В линейно поляризованном свете колебания упорядочены и остаются в одном направлении. Различие не в том, есть ли колебания, а в том, насколько согласованы их ориентации. Именно поэтому естественный свет нельзя называть светом без колебаний.
У поляризатора есть пропускающая ось — направление, вдоль которого он пропускает колебания поля. Если колебание направлено иначе, устройство ослабляет его составляющую, не совпадающую с этой осью. В результате после поляризатора остаются колебания одной ориентации, и прошедший свет становится линейно поляризованным. Ось задаёт направление колебаний, но не меняет направление распространения световой волны.
Анализатор действует как поляризатор, но его используют для проверки света. При повороте анализатора меняется угол между его пропускающей осью и направлением колебаний падающего поляризованного света, поэтому меняется и доля света, которая проходит. Когда оси анализатора и поляризатора перпендикулярны, их называют скрещёнными; идеальная система в таком положении свет не пропускает. Следовательно, изменение яркости при вращении анализатора позволяет судить о поляризации.
Поляризация возможна потому, что у световой волны есть поперечные направления колебаний, которые можно выделить. Если бы волна была продольной, колебания шли бы только вдоль направления распространения, и отдельное поперечное направление выбрать было бы нельзя. Поляризатор не превращает продольную волну в поперечную и не создаёт поперечность света. Возможность упорядочить колебания служит свидетельством того, что световая волна поперечная.
| Ситуация | Направления колебаний электрического поля | Что происходит при прохождении через поляризатор | Как меняется прошедший свет при повороте анализатора |
|---|---|---|---|
| Естественный свет | Быстро и беспорядочно меняются | Проходят колебания вдоль пропускающей оси; свет становится линейно поляризованным | Если анализатор вращать после поляризатора, яркость в идеальном случае не меняется |
| Линейно поляризованный свет | Происходят в одном направлении | Проходит составляющая вдоль оси, остальные направления ослабляются | Яркость меняется в зависимости от угла между направлением колебаний и осью анализатора |
| Естественный свет после поляризатора | Упорядочены вдоль пропускающей оси поляризатора | Второй поляризатор пропускает часть света в соответствии с углом между осями | При вращении анализатора яркость меняется; для скрещённых осей идеальный свет не проходит |
| Поляризованный свет при скрещённых осях поляризатора и анализатора | Колебания перпендикулярны пропускающей оси анализатора | Идеальный анализатор не пропускает такой свет | В скрещённом положении яркость минимальна и в идеале равна нулю |
Сначала определите, какое устройство создаёт поляризованный свет, а какое проверяет его: функции зависят от их положения в опыте. Затем сопоставьте направление колебаний с пропускающей осью и выясните, есть ли совпадающая составляющая. Столбец о повороте анализатора помогает понять, какой признак наблюдать в эксперименте.
Задача 1. Естественный свет падает на поляризатор. Опишите, каким будет свет после него и как ориентированы колебания электрического поля. Здесь не требуется вычислять яркость: нужно выяснить, какие направления колебаний сохранятся после прохождения через устройство. Решение:
Ответ: после поляризатора свет будет линейно поляризованным, а колебания электрического поля будут направлены вдоль его пропускающей оси. Направление распространения света при этом не обязано совпадать с осью: ось задаёт ориентацию колебаний, а не движение волны. Поэтому изображать свет как движущийся вдоль оси поляризатора было бы неверно.
Задача 2. Поляризованный свет проходит через анализатор. Объясните, что будет происходить с яркостью при повороте анализатора и в каком положении свет не пройдёт. Чтобы ответить, сравним направление колебаний падающего света с пропускающей осью анализатора. Чем больше совпадает их ориентация, тем больше света проходит.
Ответ: яркость будет меняться при повороте анализатора; при взаимно перпендикулярных направлениях колебаний и пропускающей оси идеальный анализатор не пропустит свет. Если перед ним стоит поляризатор, это положение называют скрещёнными осями. В реальных устройствах небольшое количество света может всё же пройти из-за несовершенства фильтров.
Задача 3. С помощью поляризатора и анализатора нужно выяснить, является ли свет от источника естественным или поляризованным. Предложите порядок наблюдений и объясните вывод. Наблюдать нужно не только за светом сразу после первого устройства, но и за тем, как меняется яркость при вращении второго. Для чистоты вывода сохраняйте положение источника и не перекрывайте луч.
Ответ: в идеальном опыте изменение яркости при вращении анализатора указывает, что падающий на него свет поляризован. Если яркость за анализатором остаётся одинаковой при повороте, свет перед ним может быть естественным. Однако первый поляризатор сам поляризует естественный свет, поэтому для проверки источника анализатор нужно ставить перед ним или исследовать исходный луч напрямую. Так не спутать поляризацию, возникшую в опыте, с поляризацией света от источника.
Ошибка: считать, что после поляризации свет начинает распространяться вдоль оси поляризатора. Так думают, потому что ось устройства принимают за направление движения луча. Но она задаёт направление колебаний электрического поля, а луч продолжает распространяться в прежнем направлении. Проверьте себя: отдельно укажите направление луча и направление колебаний — для поперечной волны они перпендикулярны.
Ошибка: понимать естественный свет как свет без колебаний. Такое представление возникает из-за слова «естественный», будто бы речь идёт о неупорядоченности самой волны. На самом деле колебания есть, но их направления беспорядочно меняются. Проверка проста: назовите, что меняется у естественного света, — ориентация колебаний, а не наличие электрического поля.
Ошибка: полагать, что скрещённые поляризатор и анализатор пропускают больше света. Путаница возникает, если не сравнить направления их пропускающих осей. Скрещённые оси перпендикулярны, поэтому у колебаний после первого устройства нет составляющей вдоль оси второго. Для проверки нарисуйте оси под прямым углом: идеальная система в таком положении света не пропускает.
Ошибка: считать, что поляризатор создаёт поперечность световой волны. Поляризатор действительно упорядочивает колебания, поэтому его действие можно ошибочно принять за причину поперечности. Однако он лишь выделяет одно из уже возможных поперечных направлений; именно наблюдение поляризации свидетельствует о поперечном характере света. Проверьте причинность: устройство изменяет ориентацию колебаний прошедшего света, но не превращает продольную волну в поперечную.
Для понимания поляризации нужно знать, что свет распространяется как электромагнитная волна, и помнить свойство поперечной волны: колебания в ней перпендикулярны направлению распространения. Это связывает тему с изучением электромагнитных волн и их свойств. Поляризационные фильтры используют в оптических приборах, в том числе для уменьшения бликов: фильтр пропускает свет определённой ориентации и ослабляет часть отражённого света. Поэтому поляризация важна и для объяснения явлений, и для практического применения оптики.
Что именно колеблется в световой волне при поляризации?
При описании поляризации рассматривают колебания вектора напряжённости электрического поля. Они происходят поперёк направления распространения света. Магнитное поле электромагнитной волны тоже колеблется, но поляризацию обычно характеризуют именно по электрическому полю.
Чем естественный свет отличается от поляризованного?
В естественном свете направления колебаний электрического поля быстро и беспорядочно меняются. В линейно поляризованном свете колебания происходят в одном выделенном направлении. При этом свет продолжает распространяться так же, как и до поляризации.
Как поляризатор изменяет свет?
Поляризатор пропускает составляющие колебаний электрического поля, ориентированные вдоль его пропускающей оси. Колебания других направлений ослабляются. Поэтому после идеального поляризатора свет становится линейно поляризованным.
Как определить, поляризован ли свет, с помощью анализатора?
Направьте свет на анализатор и поворачивайте его, наблюдая за яркостью прошедшего света. Если яркость меняется с поворотом, это признак поляризации; при некоторых положениях она может стать минимальной. У естественного света после поляризатора яркость при вращении второго такого устройства в идеальном случае не меняется.
Почему поляризация доказывает, что световая волна поперечная?
Поляризация связана с выделением направления колебаний, перпендикулярных направлению распространения света. В продольной волне колебания идут вдоль распространения, поэтому выбирать среди поперечных направлений было бы нечего. Возможность поляризовать свет подтверждает, что световая волна поперечная.
§ 54. Поляризация световых волн
