11 класс
§ 54. Поляризация световых волн
Поперечность световых волн. Поляризация.
Явления интерференции и дифракции не оставляют сомнений в том, что распространяющийся свет обладает свойствами волн. Но каких волн — продольных или поперечных?
Исследования физических явлений опытным путём
Поперечность световых волн была доказана в ходе многочисленных экспериментов. Рассмотрим лишь один из них. Это опыт с кристаллами турмалина — прозрачными кристаллами зелёной окраски. Кристалл турмалина имеет ось симметрии и принадлежит к числу так называемых одноосных кристаллов. Возьмём прямоугольную пластину турмалина, вырезанную таким образом, чтобы одна из её граней была параллельна оси кристалла. Если направить перпендикулярно на такую пластину пучок света от электрической лампы или Солнца, то вращение пластины вокруг пучка не приведёт к изменению интенсивности света, прошедшего через неё.
Теперь заставим пучок света пройти через второй (2) точно такой же кристалл турмалина, параллельный первому (1) (рис. 8.35, а). При одинаково направленных осях кристаллов опять ничего интересного не происходит: просто световой пучок ещё более ослабляется за счёт поглощения во втором кристалле. Но если второй кристалл вращать, оставляя первый неподвижным (рис. 8.35, б), то обнаружится удивительное явление — гашение света. По мере увеличения угла между осями интенсивность света уменьшается. В том случае, когда оси перпендикулярны друг другу, свет не проходит совсем (рис. 8.35, в). Он полностью поглощается вторым кристаллом. Как это можно объяснить?
Из этих опытов следует два факта. Во-первых, световая волна, идущая от источника света, полностью симметрична относительно направления распространения (при вращении кристалла вокруг луча в первом опыте интенсивность не менялась). Во-вторых, волна, вышедшая из первого кристалла, не обладает осевой симметрией (в зависимости от поворота второго кристалла относительно луча получается та или иная интенсивность прошедшего света).
Полное объяснение опыта можно получить, сделав два предположения. Первое из них относится к самому свету. Свет — поперечная волна. Но в падающем от обычного источника пучке волн присутствуют колебания всевозможных направлений, перпендикулярных направлению распространения волны (рис. 8.36).
Световую волну с колебаниями по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения, называют естественной.
В обычных условиях источники света создают именно такую волну. Данное предположение объясняет результат первого опыта. Вращение кристалла турмалина не меняет интенсивность прошедшего света, так как падающая волна обладает осевой симметрией (несмотря на то что она является поперечной).
Второе предположение, которое необходимо сделать, относится к кристаллу. Кристалл турмалина обладает способностью пропускать световые волны с колебаниями, лежащими в одной определённой плоскости (плоскость P на рис. 8.37). Такой свет называют поляризованным или, точнее, плоскополяризованным, в отличие от естественного света, который может быть назван также неполяризованным. Это предположение полностью объясняет результаты второго опыта. Из первого кристалла выходит плоскополяризованная волна.
При скрещенных кристаллах (угол между осями 90°) она не проходит сквозь второй кристалл. Если оси составляют между собой некоторый угол, отличный от 90°, то проходят колебания, амплитуда которых равна проекции амплитуды волны, прошедшей через первый кристалл, на направление оси второго кристалла.
Итак, кристалл турмалина поляризует свет, т. е. преобразует естественный свет в плоскополяризованный. Это означает, что в поляризованном свете вектор напряжённости E электрического поля совершает колебания только в одной плоскости, называемой плоскостью поляризации.
Устройство, преобразующее естественный свет в поляризованный, называют поляризатором. Устройство, позволяющее определять плоскость поляризации световой волны, называют анализатором. В опыте, показанном на рисунке 8.35, поляризатором является пластинка 1, анализатором — пластинка 2.
Поляроиды.
Не только кристаллы турмалина способны поляризовать свет. Таким же свойством обладают, например, так называемые поляроиды. Поляроид представляет собой тонкую (0,1 мм) плёнку кристаллов герапатита, нанесённую на целлулоид или стеклянную пластинку. C поляроидом можно проделать те же опыты, что и с кристаллом турмалина.
Преимущество поляроидов состоит в том, что можно создавать большие поверхности, поляризующие свет. К недостаткам поляроидов относится фиолетовый оттенок, который они придают белому свету.
Поляроидные плёнки применяют для регулировки интенсивности света, например, в солнечных очках, фарах автомобиля, в фотографии для получения моментальных снимков (рис. 8.38) и др.
Отметим, что свет поляризуется не только при прохождении сквозь кристаллы. Частичная поляризация света наблюдается при отражении света от поверхности диэлектрика и при преломлении света. Частично поляризованный свет можно рассматривать как смесь естественного света и плоскополяризованного. Поляризацию света легко обнаружить, наблюдая сквозь полоску поляроида отражённый от поверхности воды или стекла пучок лучей.
Вопросы:
1. Как можно экспериментально установить поперечность световых волн?
2. Как можно объяснить результаты опытов, показанных на рисунке 8.35?
3. Чем отличается естественная световая волна от плоскополяризованной?
4. Что называют:
а) плоскостью поляризации;
б) поляризатором;
в) анализатором?
5. Что представляют собой поляроиды? Приведите примеры использования поляроидных плёнок.
Это любопытно...
Из истории развития физики и техники
В 1808 г. французский физик и инженер Этьен Луи Малюс (1775—1812) открыл явление поляризации света. Он рассматривал сквозь пластинку исландского шпата отблеск Солнца в окнах Люксембургского дворца в Париже. При этом он обнаружил, что при некоторых положениях кристалла вместо двух преломлённых лучей наблюдается только один! Сначала Малюс решил, что замеченное им явление объясняется изменениями яркости солнечного света, обычно незаметными для глаза.
Но в ту же ночь он собрал на столе экспериментальную установку, состоявшую из восковой свечи, чаши с водой, угломера и кристалла исландского шпата. Постепенно поднимая чашу, Малюс изменял угол падения света от восковой свечи на поверхность воды. Лучи света, отражённые от гладкой поверхности воды, Малюс рассматривал через кристалл. Когда угол падения лучей достиг 36°, в кристалле один из преломлённых лучей исчез. После этого Малюс заменил чашу с водой на стеклянное зеркало — и снова повторилась та же картина, но на этот раз лучи падали под углом 35°, когда исчезал один из преломлённых лучей.
Явление поляризации Малюс объяснял тем, что частицы света имеют полюсы, как магниты. В обычном свете полюсы разных частиц направлены беспорядочно. Но при поляризации отсортировываются лишь частицы света с определёнными направлениями полюсов. Возможно, используя слово «полюс», Малюс и предложил назвать новое явление поляризацией. Кроме того, он вывел закон, позволяющий определить интен сивность света, прошедшего через поляризатор.
