§ 25. Поляризация волн

Определения и обозначения

Поляризация волн — упорядоченность направлений колебаний в поперечной волне. Она показывает, что из множества возможных направлений колебаний выделено одно или несколько согласованных направлений. Это понятие позволяет отличать поперечные волны от продольных и описывать свойства света.

Естественный свет — свет, в котором направления колебаний вектора напряжённости электрического поля беспорядочно меняются в плоскости, перпендикулярной лучу. Ни одно направление не является постоянным и преимущественным. Такое определение нужно, чтобы сравнивать обычный свет со светом, прошедшим через поляризатор.

Линейно поляризованный свет — свет, в котором колебания вектора напряжённости электрического поля происходят в одном фиксированном направлении. Это направление перпендикулярно направлению распространения света. Линейная поляризация является простейшим примером упорядоченного состояния волны.

Поляризатор — устройство, пропускающее свет с определённым направлением колебаний и задерживающее остальные компоненты. Его ось пропускания задаёт направление разрешённых колебаний, а не направление движения луча. Поэтому поляризатор может преобразовать естественный свет в линейно поляризованный.

Как это устроено

В поперечной волне колебания происходят перпендикулярно направлению распространения, поэтому в этой плоскости возможны разные направления колебаний. Например, вектор электрического поля световой волны может быть направлен вертикально, горизонтально или под углом к ним. Именно наличие такого выбора делает возможным упорядочивание направлений, то есть поляризацию.

В продольной волне колебания происходят вдоль направления распространения. У неё нет набора поперечных направлений, между которыми можно было бы выбирать, поэтому обычное понятие поляризации к ней не применяют. Так сравнение поперечных и продольных волн объясняет, почему поляризация служит признаком поперечности.

В естественном свете излучатели создают колебания электрического поля с разными направлениями, которые беспорядочно меняются. Поляризатор действует как отборщик: он оставляет проекцию колебания на свою ось пропускания, а поперечную ей составляющую задерживает. После такого отбора у прошедшего света появляется одно выделенное направление колебаний.

Первый поляризатор создаёт линейную поляризацию, поэтому направление колебаний после него известно. Второй поляризатор пропускает ту часть колебания, которая направлена вдоль его собственной оси. Если ось повернуть, совпадающая компонента изменится, и изменится количество прошедшего света.

При параллельных осях второй поляризатор пропускает колебания почти без дополнительного отбора. При скрещённых осях его направление перпендикулярно колебаниям после первого поляризатора, поэтому совпадающей компоненты нет. В идеальной модели свет тогда полностью задерживается, а ориентация осей определяет результат прохождения.

Сравнение света до и после поляризатора

Пользуйтесь таблицей так: сначала определите направление колебаний света, затем сравните его с осью второго поляризатора. Чем меньше угол между ними, тем большая компонента проходит; при прямом угле компонента исчезает. Формулировка «идеальная модель» означает, что не учитываются несовершенства реальных фильтров.

Разбор задач

Задача 1. Поляризация звуковой волны

Можно ли поляризовать продольную звуковую волну в воздухе? Для ответа нужно сравнить направление колебаний частиц воздуха с направлением распространения волны. Затем проверить, есть ли несколько поперечных направлений, из которых можно выделить одно.

1. Звуковая волна в воздухе является продольной: частицы колеблются вдоль направления распространения возмущения.
2. При таком движении нет выбора направлений в плоскости, перпендикулярной распространению.
3. Следовательно, устройство не сможет выделить особое поперечное направление колебаний.

Ответ: продольную звуковую волну в воздухе поляризовать нельзя. Причина не в слабости или силе звука, а в продольном характере колебаний.

Задача 2. Естественный свет и поляризатор

Естественный свет проходит через поляризатор. Нужно описать состояние света после устройства и направление его колебаний. Ориентиром служит ось пропускания поляризатора.

1. До поляризатора направления колебаний электрического поля беспорядочно меняются.
2. Поляризатор задерживает компоненты, не совпадающие с его осью, и оставляет компоненту вдоль этой оси.
3. У прошедшего света появляется единственное выделенное направление колебаний.

Ответ: свет становится линейно поляризованным. Колебания вектора напряжённости электрического поля происходят вдоль оси пропускания поляризатора.

Задача 3. Два поляризатора

Свет после первого поляризатора направляют на второй. Требуется определить результат для параллельных, перпендикулярных и наклонных осей. Сравнивать нужно не направление луча, а направление колебаний с осью второго поляризатора.

1. При параллельных осях колебания после первого поляризатора направлены вдоль оси второго, поэтому свет проходит.
2. При перпендикулярных осях совпадающей компоненты нет, поэтому идеальный второй поляризатор свет задерживает.
3. При промежуточном угле на ось второго поляризатора проектируется часть колебания, поэтому проходит часть света.

Ответ: результат зависит от угла между осями. Параллельные оси дают наибольшее прохождение, скрещённые — отсутствие света в идеальной модели, промежуточные — частичное прохождение.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что поляризовать можно любую волну. Её допускают, когда поляризацию воспринимают просто как ослабление волны, хотя речь идёт об отборе направлений поперечных колебаний. Проверьте себя: сначала определите, поперечная волна или продольная.

Ошибка: путать направление распространения света с направлением колебаний. В электромагнитной волне вектор электрического поля колеблется поперёк луча, а не вдоль него. Для проверки мысленно изобразите луч и проведите направление колебаний под прямым углом к нему.

Ошибка: считать ось поляризатора направлением распространения света. Ось задаёт направление пропускаемых колебаний, тогда как луч может идти через устройство прямо. Проверьте себя: сравнивайте ось не с ходом луча, а с вектором электрического поля.

Ошибка: утверждать, что второй поляризатор всегда полностью задерживает свет. Прохождение зависит от угла между осями: при параллельных осях свет проходит, при наклонных — частично. Сначала определите этот угол, а уже потом делайте вывод.

Связь с другими темами

Перед изучением поляризации нужно различать поперечные и продольные волны. Также необходимо помнить устройство электромагнитной световой волны: направления распространения, электрического и магнитного полей взаимно перпендикулярны. Эти знания объясняют, почему у света возможны разные направления колебаний.

Поляризация подтверждает поперечный характер световых волн и связывает волновую оптику с практикой. Поляризационные фильтры применяют в оптических приборах, фототехнике, солнцезащитных очках и средствах уменьшения бликов от воды, стекла и дороги.

Что запомнить

• Поляризация характеризует упорядоченность направлений колебаний поперечной волны.
• Продольные волны поляризовать нельзя.
• Естественный свет не имеет выделенного направления колебаний.
• Поляризатор пропускает компоненту колебаний вдоль своей оси пропускания.
• При параллельных осях идеальных поляризаторов свет проходит.
• При скрещённых осях идеальных поляризаторов свет не проходит.