44. Поперечность световых волн. Электромагнитная природа света

Определения и обозначения

Поперечная волна — волна, в которой колебания происходят перпендикулярно направлению распространения. Для света это означает, что электрическое и магнитное поля изменяются поперёк направления движения волны. Такое определение помогает отличить свет от продольных волн.

Поляризация света — выделение в световой волне колебаний определённого направления. Поляризатор пропускает только такую составляющую колебаний. Поляризация нужна для обнаружения поперечности света.

Электромагнитная волна — распространяющиеся в пространстве взаимосвязанные колебания электрического и магнитного полей. Эти поля изменяются одновременно и образуют единую волну. Поэтому для распространения света не требуется воздух или другое вещество.

Электромагнитная природа света — представление о свете как об электромагнитной волне. Оно объясняет его распространение в вакууме и свойства, связанные с электрическим и магнитным полями. В формулах скорость света обозначают буквой c, длину волны — λ, частоту — ν.

Как это устроено

В поперечной волне частицы среды колеблются в направлении, поперечном переносу энергии. Например, точка натянутой верёвки движется вверх и вниз, а возмущение идёт вдоль верёвки. В продольной волне частицы колеблются вдоль распространения, как витки пружины при сжатии и разрежении.

Поляризатор можно представить как устройство с одной разрешённой ориентацией колебаний. Он пропускает составляющую светового колебания вдоль своей оси, а остальные составляющие ослабляет. Если поворачивать поляризатор, совпадение его оси с направлением колебаний меняется, поэтому меняется и яркость прошедшего света.

Наблюдение поляризации показывает, что у световых колебаний есть выделенное поперечное направление. У продольной волны нельзя таким способом выбрать одно из поперечных направлений, поэтому она не поляризуется. Значит, поляризация является признаком поперечности световой волны.

Изменяющееся электрическое поле порождает изменяющееся магнитное поле, а изменение магнитного поля связано с появлением электрического поля. Поэтому возникшее возмущение может поддерживать себя и удаляться от источника. Так в пространстве распространяется электромагнитная волна.

В электромагнитной волне направления электрического поля, магнитного поля и распространения попарно перпендикулярны. Если волна идёт вправо, поле может колебаться вверх-вниз, а второе поле — в направлении, перпендикулярном этим двум. Свет представляет собой такую волну и потому является поперечным.

Сравнение продольных и поперечных волн и света

Сначала по таблице определите, что именно колеблется, затем сравните направление колебаний с направлением распространения. Возможность поляризации сразу указывает на поперечный характер волны. Свет отличается от механических волн тем, что его колебания принадлежат не веществу, а электрическому и магнитному полям.

Разбор задач

Задача 1. На поляризатор направили свет, а затем повернули его на 90°. Требуется описать изменение яркости в идеализированном случае. Считаем, что падающий свет уже имеет определённое направление поляризации.

1. Поляризатор сначала ориентирован вдоль направления колебаний и пропускает свет.
2. После поворота на 90° его ось становится перпендикулярной этому направлению.
3. Колебаний вдоль новой оси нет, поэтому идеальный поляризатор их не пропускает.

Ответ: яркость прошедшего света станет равной нулю, то есть свет погаснет.

Задача 2. Волна распространяется вправо, а электрическое поле колеблется вверх-вниз. Нужно указать возможное направление магнитного поля. Направления трёх величин должны быть взаимно перпендикулярны.

1. Направление распространения зададим горизонтально вправо.
2. Электрическое поле направлено вертикально вверх-вниз.
3. Магнитное поле должно быть перпендикулярно и горизонтальному, и вертикальному направлениям, поэтому оно может колебаться из плоскости листа и обратно.

Ответ: магнитное поле направлено перпендикулярно листу: например, из листа при одном полупериоде и в лист при другом.

Задача 3. Частота света в вакууме ν = 6·10¹⁴ Гц, скорость c = 3·10⁸ м/с. Найдём длину волны по формуле, связывающей скорость, частоту и длину волны.

1. Записываем формулу: λ = c/ν.
2. Подставляем значения: λ = (3·10⁸)/(6·10¹⁴) м.
3. Делим коэффициенты и степени десяти: λ = 0,5·10⁻⁶ м = 5·10⁻⁷ м.

Ответ: длина волны равна 5·10⁻⁷ м, или 500 нм.

Типичные ошибки

Иногда считают, что в поперечной волне колебания идут вдоль распространения. Ошибка возникает из-за смешения движения самой волны с движением частиц или поля. Проверьте себя: в поперечной волне эти направления должны быть перпендикулярны.

Поляризацию ошибочно приписывают любой волне. Её связывают с волной вообще, не учитывая, что выделять направление можно только при поперечных колебаниях. Если колебания продольные, поляризатор не выберет одну поперечную ориентацию.

Направление электрического поля иногда принимают за направление движения света. Это происходит потому, что поле изображают стрелкой рядом с направлением распространения. Проверьте схему: электрическое поле должно быть перпендикулярно направлению движения волны.

Свет называют механической волной и считают, что ему обязательно нужен воздух. Так путают свет со звуком и другими колебаниями вещества. Проверка проста: электромагнитный свет распространяется в вакууме, где нет частиц среды.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления о волне, направлении её распространения и колебаниях. Полезно различать продольные и поперечные механические волны, сравнивая направление движения частиц с переносом энергии.

Тема опирается на знания об электрическом и магнитном полях. Она подготавливает к изучению электромагнитных волн, спектра излучения, оптических приборов и явлений, связанных с поляризацией.

Что запомнить

• В поперечной волне колебания перпендикулярны направлению распространения.
• Поляризация — признак поперечности световой волны.
• Свет является электромагнитной волной.
• Электрическое и магнитное поля в электромагнитной волне взаимно перпендикулярны.
• Оба поля перпендикулярны направлению распространения волны.
• В вакууме длина волны, частота и скорость связаны соотношением c = λν.