44. Поперечность световых волн. Электромагнитная природа света

Определения и обозначения

Поперечная волна — волна, в которой колебания происходят перпендикулярно направлению распространения. Например, у световой волны колеблются электрическое и магнитное поля, а сама волна движется в другом направлении. Это определение помогает отличить свет от волн, где колебания направлены вдоль движения.

Поляризация света — выделение колебаний световой волны, ориентированных в определённом направлении. Поляризатор пропускает световые колебания с выбранной ориентацией и задерживает остальные. Поляризация важна потому, что она позволяет проверить, поперечны ли колебания в волне.

Электромагнитная волна — распространяющееся в пространстве изменение электрического и магнитного полей. Эти поля колеблются перпендикулярно друг другу и направлению распространения волны. Такое описание показывает, какие именно величины меняются при распространении света.

Электромагнитная природа света — представление о свете как об электромагнитной волне, а не о колебаниях частиц среды. Поэтому свет может идти через вакуум, где нет частиц, передающих колебания. Это понятие объединяет свойства света с явлениями электричества и магнетизма.

Как это устроено

В продольной волне частицы среды колеблются вдоль направления, в котором идёт волна: например, воздух в звуковой волне то сжимается, то разрежается. В поперечной волне колебания происходят поперёк направления движения; так можно представить колебания верёвки, если двигать её конец вверх-вниз. Различие связано с тем, в каком направлении распространяется возмущение и в каком направлении меняется состояние среды или поля. У света колебания полей поперечны направлению распространения.

Поляризатор пропускает колебания, ориентированные вдоль определённого направления, и ослабляет колебания других ориентаций. Это возможно для поперечной волны: у неё есть направления колебаний, перпендикулярные распространению, и прибор может отобрать одно из них. В продольной волне колебания направлены только вдоль распространения, поэтому выделить среди поперечных направлений нечего. Значит, наблюдение поляризации света показывает, что световая волна поперечная.

Электромагнитную волну образуют электрическое и магнитное поля, которые меняются вместе и поддерживают распространение волны. Направление электрического поля перпендикулярно направлению магнитного поля, а оба поля перпендикулярны направлению движения волны. Поэтому нельзя считать, что оба поля колеблются вдоль луча или в одном направлении. Если известны два направления, третье можно определить как перпендикулярное обоим.

Звуковая волна передаётся благодаря взаимодействию частиц вещества, но электромагнитной волне такая передача не требуется. Изменения электрического и магнитного полей распространяются и в вакууме, где частиц среды нет. В вакууме электромагнитные волны движутся со скоростью света c, примерно равной 3·10⁸ м/с. Для волны действует связь c = λν, где λ — длина волны, а ν — частота: при фиксированной скорости увеличение частоты означает уменьшение длины волны.

Свет изучают в оптике, а электрические и магнитные поля — в соответствующих разделах физики. Представление о свете как об электромагнитной волне показало, что эти явления связаны общей природой. Поля, создающие электромагнитную волну, имеют те же свойства, что и поля, изучаемые при рассмотрении электричества и магнетизма. Так оптика объединилась с учением об электромагнитных явлениях.

Поперечные и продольные волны и их свойства

Сравнивайте волны прежде всего по направлению колебаний, а затем проверяйте, возможна ли их поляризация. Пример в таблице помогает связать правило с конкретной ситуацией. Последняя строка подсказывает, какой вывод о свете следует из наблюдаемого свойства.

Разбор задач

Поляризатор и характер световой волны

Условие. Свет проходит через поляризатор. Нужно объяснить, почему этот опыт позволяет судить о характере световой волны. Рассуждать следует не только по результату прохождения света, но и по тому, что именно делает поляризатор. Ключ к решению — возможность отбора колебаний определённой ориентации.

1. Поляризатор пропускает колебания, ориентированные в выбранном направлении, а остальные ослабляет.
2. Такой отбор возможен, когда колебания могут иметь разные направления поперёк распространения волны.
3. Это свойство характерно для поперечных волн; в продольной волне колебания идут только вдоль распространения.
4. Следовательно, опыт с поляризатором показывает, что световая волна поперечная.

Ответ: поляризация свидетельствует о поперечном характере световой волны, поскольку поляризатор выделяет колебания определённой ориентации.

Длина электромагнитной волны

Условие. Частота электромагнитной волны равна ν = 6·10¹⁴ Гц. Найти длину волны в вакууме. Для вычисления нужна скорость волны в вакууме и связь между скоростью, длиной волны и частотой. Сначала выбираем формулу, затем подставляем величины в единицах СИ.

1. Записываем скорость света в вакууме: c = 3·10⁸ м/с.
2. Используем связь c = λν и выражаем длину: λ = c/ν.
3. Подставляем значения: λ = (3·10⁸ м/с)/(6·10¹⁴ с⁻¹) = 0,5·10⁻⁶ м.
4. Приводим результат к стандартной записи: 0,5·10⁻⁶ м = 5·10⁻⁷ м.

Ответ: длина волны равна 5·10⁻⁷ м.

Направления полей и распространения

Условие. Электрическое поле колеблется вертикально, а электромагнитная волна распространяется горизонтально. Нужно определить направление магнитного поля. В условии названы два взаимно перпендикулярных направления, поэтому используем взаимное расположение трёх направлений в электромагнитной волне. Необходимо проверить, что магнитное поле перпендикулярно и электрическому полю, и распространению.

1. Записываем известные направления: электрическое поле — вертикально, распространение — горизонтально.
2. Магнитное поле должно быть перпендикулярно обоим названным направлениям.
3. Направление, перпендикулярное вертикальному и горизонтальному, лежит в третьем измерении: оно направлено поперёк этих двух направлений.

Ответ: магнитное поле направлено перпендикулярно и вертикали, и горизонтали, то есть поперёк обоих заданных направлений.

Типичные ошибки

Неверно считать, что поляризовать можно любую волну. Такое мнение возникает из-за смешения самого распространения волны и направления её колебаний. Проверь себя: есть ли у колебаний направления поперёк распространения? Если волна продольная, поляризация невозможна.

Иногда направление распространения света принимают за направление колебаний его полей. Причина ошибки — слово «свет движется», которое легко связать с движением колебаний. Но в электромагнитной волне поля колеблются поперёк движения. Для проверки нарисуй направление распространения и отметь, что направление поля должно быть к нему перпендикулярно.

Электрическое и магнитное поля также ошибочно представляют колеблющимися в одном направлении. Возможно, так происходит потому, что оба поля меняются одновременно, но одновременность не означает совпадения направлений. Проверь условие электромагнитной волны: поля взаимно перпендикулярны, и каждое перпендикулярно распространению.

Ещё одна ошибка — считать, что свету обязательно нужна материальная среда. Так рассуждают по аналогии со звуком, который не распространяется в вакууме. Свет — электромагнитная волна, поэтому ему не требуются колеблющиеся частицы вещества. Проверка проста: в задаче о вакууме для света используют скорость c, а не скорость передачи колебаний в среде.

Связь с другими темами

До этой темы нужно различать продольные и поперечные волны, а также знать связь скорости, длины волны и частоты: v = λν. Эти знания позволяют понять, почему поляризация указывает на поперечность, и вычислять параметры волны. Дальше свойства электромагнитных волн пригодятся при изучении оптики, поляризации и работы оптических приборов. Они также помогают описывать распространение электромагнитных волн и их взаимодействие с веществом.

Что запомнить

• Свет можно поляризовать, поэтому световая волна является поперечной.
• В электромагнитной волне колеблются электрическое и магнитное поля.
• Электрическое и магнитное поля перпендикулярны друг другу.
• Оба поля перпендикулярны направлению распространения волны.
• Электромагнитные волны могут распространяться в вакууме.
• Скорость света в вакууме равна скорости распространения электромагнитных волн.