Продольны или поперечны световые волны

Физика Поперечность световых волн. Поляризация света

Продольны или поперечны световые волны

Описание видеоурока

Свет обладает свойствами волн. В этом мы убедились, рассматривая такие явления как интерференция и дифракция.  Но какими волнами является свет: продольными или поперечными? Продолжительное время основатели волновой оптики Томас Юнг и Огюст Жан Френель считали световые волны, как и звуковые, продольными.

Световые волны рассматривались как упругие волны в эфире, которые заполняют пространство и проникают внутрь всех тел., следовательно, они не могли быть поперечными, ведь поперечные волны могли существовать только в твердом теле.  Однако не все факты можно было объяснить, если считать световые волны продольными. 
Проведем опыт.  Возьмем кристалл турмалина.

Кристалл турмалина имеет ось симметрии и является одноосным кристаллом.  Прямоугольную пластину турмалина вырежем таким образом, чтобы одна из ее граней была параллельна оси кристалла. Направим пучок света перпендикулярно к плоскости турмалина, вращение пластины вокруг пучка никакого изменения интенсивности света, не вызывает.

Кажется, что свет только частично поглотился в турмалине и поэтому приобрел зеленоватую окраску.  Следует отметить, что световая волна приобрела новые свойства.

Чтобы их обнаружить, проведем опыт. Возьмем два одинаковых кристалла турмалина и пропустим через них пучок света. При одинаково направленных осях кристаллов ничего нового не наблюдается, только интенсивность света еще более ослабляется за счет поглощения во втором кристалле. Проведем последний опыт еще раз, но при этом первый кристалл будет неподвижным, а второй будем вращать.

При этом мы наблюдаем гашение света. По мере увеличения угла между осями интенсивность света уменьшается. Как только оси будут перпендикулярны друг другу, свет целиком поглощается вторым кристаллом. Из проведенных опытов можно сделать следующие выводы. 1. Световая волна, идущая от источника света, является полностью симметричной волной относительно направления ее распространения.

Поэтому при вращении кристалла вокруг светового луча в первом опыте интенсивность не менялась.  2. Волна, вышедшая из первого кристалла, не обладает осевой симметрией. Поэтому в зависимости от поворота второго кристалла относительно светового луча получается другая интенсивность прошедшего света.

  Объяснить опыт с вращением второй пластины кристалла невозможно, если считать световую волну продольной. Так как продольные механические волны обладают однородной симметрией по отношению к направлению распространения колебания.  Колебания происходят вдоль этого направления, и оно является осью симметрии продольной волны.

Полное объяснение опыта можно получить, если предположить, что свет – это поперечная волна. Следовательно, световая волна обладает осевой симметрией, являясь в то же время поперечной. Световая волна называется естественной, если колебания происходят по всем направлениям, перпендикулярно направлению распространения. В обычных условиях источники света создают именно такую волну.

Значит, объяснение опыта таково: вращение кристалла турмалина не меняет интенсивность прошедшего света. Падающая волна обладает осевой симметрией и вместе с тем является поперечной. Кристалл турмалина обладает способностью пропускать световые волны с колебаниями, происходящими в одной определенной плоскости. Такой свет называется поляризованным или плоскополяризованным.

Теперь мы можем полностью объяснить результаты второго опыта. Из первого кристалла выходит плоскополяризованная волна. При скрещенных кристаллах, у которых угол между осями 900, она не проходит сквозь второй кристалл.

Если оси кристаллов составляют между собой угол отличный от 900, то проходят колебания, амплитуда которых равна проекции амплитуды волны, прошедшей через первый кристалл, на направление оси второго кристалла.  Значит, кристалл турмалина преобразует естественный свет в плоскополяризованный. Можно построить простую наглядную механическую модель рассматриваемого явления.

Создадим аналог естественной световой волны – поперечную волну в резиновом шнуре так чтобы колебания быстро меняли свое направление в пространстве. Теперь пропустим шнур сквозь узкий деревянный ящик. Из колебаний всевозможных направлений через ящик проходят колебания в одной определенной плоскости. Так из ящика выходит поляризованная волна.

Если на пути поляризованной волны поставить еще один точно такой же ящик, но повернутый относительного первого на 90 градусов, то колебания сквозь него не пройдут. Волна целиком гасится. Поляризовать свет могут не только кристаллы турмалина. Таким же свойством обладают поляроиды. Поляроид представляет собой тонкую, нанесенную на целлулоид или стеклянную пластинку.

Преимущество поляроидов в том, что можно создавать большие поверхности, поляризующие свет. К недостаткам поляроидов относится фиолетовый оттенок, который они придают белому свету. Для увеличения интенсивности и насыщенности красок при фотографировании используют поляризационный фильтр. Он действует, примерно, как решётка с длинными и узкими отверстиями.

И пропускает только те волны, которые проектируются вдоль направления этой решётки. Все остальные волны, проектирующиеся в других направлениях, блокируются. Все волны, прошедшие сквозь решётку, проектируются в одном и том же направлении, из-за чего свет становится поляризованным. В поляризованном свете окружающий нас мир выглядит совершенно по-другому.

Осветив чертежную линейку из прозрачной пластмассы таким светом, можно увидеть, как она оказывается разрисованной фантастическими цветными полосами. Сделаем вывод:  •    световая волна является поперечной; •    в поляризованной световой волне колебания происходят в строго определенном направлении. 

Рассмотрим электромагнитную теорию света как исторический процесс развития учения о свете.

Электромагнитную теорию света начал развивать в своих работа Джеймс Максвелл. Он только теоретически показал возможность существования электромагнитных волн и нашел, что скорость распространения волн в вакууме должна быть равна скорости света. В основе данной теории света лежит факт совпадения скорости света со скоростью распространения электромагнитных волн.

Кроме того, из этой теории непосредственно вытекает утверждение, что электромагнитные волны являются поперечными. Максвелл считал, что поперечность электромагнитных волн еще раз доказывает справедливость электромагнитной теории света.

Электромагнитная теория света получила очередное экспериментальное подтверждение в работах Генри Герца, который  экспериментально получил электромагнитные волны и измерил их скорость. Было доказано, что электромагнитные волны при распространении обнаруживают те же свойства, что и световые: отражение, преломление, интерференцию, поляризацию и другие.

В конце 19 века было окончательно установлено, что световые волны возбуждаются движущимися в атомах заряженными частицами. С признанием электромагнитной теории света отпала необходимость в введении гипотетической среды – эфира, в которой распространяются световые волны. Световые волны – это не механические волны в особом всепроникающем эфире, а волны электромагнитные.

Очередной раз подчеркнем, что в естественном свете колебания напряженности электрического поля и магнитной индукции магнитного поля происходят по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения волны. Если свет поляризован, то эти колебания происходят не по всем направлениям, а в двух определенных плоскостях. Специально поставленные опыты показали, что на сетчатку глаза или фотоэмульсию раздражает электрическое поле световой волны. Магнитная составляющая световой электромагнитной волны заметного влияния на нервные клетки глаза не оказывают. В связи с этим, за направление колебаний в световой волне принято направление вектора напряженности электрического поля. Открытие электромагнитной теории света – одно из немногих открытий, сделанных теоретически. Но уверенность в справедливости электромагнитной теории стала всеобщей после ее экспериментального подтверждения.

 

Источник: https://infourok.ru/videouroki/388

Поперечность световых волн. Поляризация света – Класс!ная физика

Продольны или поперечны световые волны

«Физика – 11 класс»

Явления интерференции и дифракции не оставляют сомнений в том, что распространяющийся свет обладает свойствами волн.
Но каких волн — продольных или поперечных?

Длительное время основатели волновой оптики Юнг и Френель считали световые волны продольными, т. е. подобными звуковым волнам. В то время световые волны рассматривались как упругие волны в эфире, заполняющем пространство и проникающем внутрь всех тел.

Такие волны, казалось, не могли быть поперечными, так как поперечные волны, в соответствии с воззрениями того времени, могут существовать только в твердом теле. Но как могут тела двигаться в твердом эфире, не встречая сопротивления? Ведь эфир не должен препятствовать движению тел.

В противном случае не выполнялся бы закон инерции.

Однако постепенно накапливалось все больше и больше экспериментальных фактов, которые никак не удавалось истолковать, считая световые волны продольными.

Опыты с турмалином

Рассмотрим подробно один из таких экспериментов, очень простой и эффектный.
Это опыт с кристаллами турмалина (прозрачными кристаллами зеленой окраски).

Кристалл турмалина принадлежит к числу так называемых одноосных кристаллов.

Возьмем прямоугольную пластину турмалина, вырезанную таким образом, чтобы одна из ее граней была параллельна оси кристалла.

Если направить нормально на такую пластину пучок света от электрической лампы или солнца, то вращение пластины вокруг пучка никакого изменения интенсивности света, прошедшего через нее, не вызовет.

Можно подумать, что свет только частично поглотился в турмалине и приобрел зеленоватую окраску.

Световая волна проявила новые свои свойства.

Эти новые свойства проявляются, если пучок света заставить пройти через второй точно такой же кристалл турмалина, параллельный первому (рис. а).

При одинаково направленных осях кристаллов опять ничего интересного не происходит: просто световой пучок еще более ослабляется за счет поглощения во втором кристалле. Но если второй кристалл вращать, оставляя первый неподвижным (рис.

б), то обнаружится удивительное явление — гашение света. По мере увеличения угла между осями интенсивность света уменьшается. И когда оси перпендикулярны друг другу, свет не проходит совсем (рис. в).

Он целиком поглощается вторым кристаллом.

Как это можно объяснить?

Поперечность световых волн

Из описанных выше опытов следуют два вывода: 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 интенсивность прошедшего света изменяется).

Продольные волны обладают полной симметрией по отношению к направлению распространения (колебания происходят вдоль этого направления, и оно является осью симметрии волны).
Поэтому объяснить опыт с вращением второй пластины, считая световую волну продольной, невозможно.

Полное объяснение опыта можно получить, сделав два предположения.

Первое предположение относится к самому свету.
Свет — поперечная волна.

В падающем от обычного источника пучке световых волн происходят колебания всевозможных направлений, перпендикулярных направлению распространения волн.

Согласно этому предположению световая волна обладает осевой симметрией, являясь в то же время поперечной.
Волны, например, на поверхности воды такой симметрией не обладают, так как колебания частиц воды происходят только в вертикальной плоскости.

Световой поток, в котором колебания происходят по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения волн, называется естественным светом.

Такое название оправданно, так как в обычных условиях источники света излучают такой поток. Данное предположение объясняет результат первого опыта.

Вращение кристалла турмалина не меняет интенсивность прошедшего света, потому что падающая волна обладает осевой симметрией (несмотря на то, что она поперечная).

Второе предположение относится не к световой волне, а к кристаллу.

Кристалл турмалина обладает способностью пропускать световые волны с колебаниями, происходящими в одной определенной плоскости (плоскость Р).

Такой свет называется 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 их осями 90°) она не проходит сквозь второй кристалл.

Если оси кристаллов 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 преобразует естественный свет в плоскополяризованный.

Механическая модель опытов с турмалином

Нетрудно построить простую наглядную механическую модель рассматриваемого явления. Можно получить поперечную волну в резиновом шнуре так, чтобы колебания быстро меняли свое направление в пространстве. Это аналог естественной световой волны. Пропустим теперь шнур сквозь узкий деревянный ящик.

Из колебаний всевозможных направлений ящик «выделяет» колебания в одной определенной плоскости. Поэтому из ящика выходит поляризованная волна. Если на ее пути имеется еще точно такой же ящик, но повернутый относительно первого на 90°, то колебания сквозь него не проходят.

Волна целиком гасится.

Поляроиды

Не только кристаллы турмалина способны поляризовать свет. Таким же свойством, например, обладают так называемые поляроиды. Поляроид представляет собой тонкую (0,1 мм) пленку кристаллов герапатита, нанесенную на целлулоид или стеклянную пластинку.

С поляроидом можно провести те же опыты, что и с кристаллом турмалина. Преимущество поляроидов в том, что можно получать большие поверхности, поляризующие свет.

К недостаткам поляроидов относится фиолетовый оттенок, который они придают белому свету.

Прямыми опытами доказано, что световая волна является поперечной.
В поляризованной световой волне колебания происходят в строго определенном — поперечном направлении.

Источник: «Физика – 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Назад в раздел «Физика – 11 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин»

Световые волны. Физика, учебник для 11 класса – Класс!ная физика

Оптика — Скорость света — Принцип Гюйгенса. Закон отражения света — Закон преломления света — Полное отражение — Линза — Построение изображения в линзе — Формула тонкой линзы. Увеличение линзы — Примеры решения задач.

Геометрическая оптика — Дисперсия света — Интерференция механических волн — Интерференция света — Некоторые применения интерференции — Дифракция механических волн — Дифракция света — Дифракционная решетка — Поперечность световых волн.

Поляризация света — Поперечность световых волн и электромагнитная теория света — Примеры решения задач. Волновая оптика — Краткие итоги главы

Источник: http://class-fizika.ru/11_104.html

Эволюция физики. Развитие идей от первоначальных понятий до теории относительности и квантов (20 стр.)

Продольны или поперечны световые волны

Все рассмотренные нами оптические явления говорят в пользу волновой теории. Искривление луча света у краев малых отверстий и препятствий и объяснение преломления – это самые сильные аргументы в ее пользу.

Руководствуясь механистической точкой зрения, мы признаем, что остается еще один вопрос, на который следует ответить: определение механических свойств эфира. Для решения этой проблемы существенно знать, продольны или поперечны световые волны в эфире.

Другими словами, распространяется ли свет подобно звуку? Вызвана ли волна изменением плотности среды, т. е.

совершаются ли колебания частиц в направлении распространения? Или эфир похож на упругий студень – на среду, в которой могут распространяться лишь поперечные волны и в которой частицы движутся в направлении, перпендикулярном к направлению распространения самих волн?

Прежде чем решить эту проблему, попробуем определить, какой ответ следует предпочесть. Очевидно, мы должны были бы радоваться, если бы световые волны оказались продольными. В этом случае трудности в описании механического эфира были бы не так велики.

Картина строения эфира могла бы, вероятно, быть чем-то вроде механической картины строения газа, которая объясняет распространение звуковых волн. Было бы гораздо труднее создать картину строения эфира, передающего поперечные волны.

Представить себе среду в виде студня или желе, построенную из частиц таким образом, что через нее распространяются поперечные волны, – это нелегкая задача. Гюйгенс был убежден, что эфир скорее окажется “воздухообразным”, чем “желеобразным”. Но природа очень мало внимания обращает на наши трудности.

Была ли природа в этом случае милосердна к попыткам физиков понять все явления с механистической точки зрения? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны обсудить некоторые новые эксперименты.

Мы рассмотрим подробно лишь один из многих экспериментов, который в состоянии дать нам ответ. Предположим, что мы имеем очень тонкую пластинку из турмалинового кристалла, вырезанную особым образом, в описании которого здесь нет необходимости.

Пластинка кристалла должна быть настолько тонка, чтобы можно было видеть сквозь нее источник света. Возьмем теперь две такие пластинки и поместим их между глазами и источником света (рис. 48). Что мы увидим? Опять световую точку, если пластинки достаточно тонки.

Очень велики шансы на то, что эксперимент подтвердит наши ожидания. Не задаваясь целью установить, каковы эти шансы, допустим, что мы уже видим световую точку через оба кристалла. Будем теперь постепенно изменять положение одного кристалла, поворачивая его.

Это предложение будет иметь смысл лишь в том случае, если положение оси, вокруг которой происходит вращение, фиксировано. Мы возьмем в качестве оси линию, определяемую проходящим лучом.

Это означает, что мы перемещаем все точки одного кристалла, кроме тех, которые лежат на оси. Но что за странная вещь! Свет делается все слабее и слабее, пока не исчезает совершенно. Затем он вновь появляется, по мере того как продолжается вращение, и вновь приобретает первоначальный вид, когда достигается первоначальное положение.

Не входя в детали подобных экспериментов, мы можем задать следующий вопрос: можно ли объяснить эти явления, если световые волны продольны? Если бы волны были продольны, частицы эфира должны были бы двигаться вдоль оси, т. е. в том же направлении, в каком идет луч. Если кристалл вращается, ничего вдоль оси не изменяется.

Точки на оси не передвигаются, и лишь очень небольшое смещение имеет место вблизи оси. Такого ясно различимого изменения, как исчезновение и появление новой картины, не могло бы возникнуть для продольной волны.

Это, а также и многие другие подобные явления могут быть объяснены лишь в том случае, если предположить, что световые волны не продольны, а поперечны! Или, другими словами, нужно предположить “желеобразный” характер эфира.

Это очень печально! Мы должны подготовиться к встрече непреодолимых трудностей в попытке механического описания эфира.

Эфир и механистическое воззрение

Обсуждение всех различных попыток описать механическую природу эфира как среды, передающей свет, привело бы к длинной истории.

Механическая конструкция означает, как мы знаем, что субстанция состоит из частиц, между которыми вдоль прямой линии, соединяющей их, действуют силы, зависящие только от расстояния.

Для того чтобы построить эфир в виде желеобразной механической субстанции, физики должны принять несколько чрезвычайно неестественных предположений. Мы не будем приводить их здесь: они относятся к почти забытому прошлому. Но результат был значителен и важен.

Искусственный характер всех этих предположений, необходимость введения такого множества их, причем все они совершенно независимы друг от друга, – все это было достаточным, чтобы подорвать уверенность в механистической точке зрения.

Но имеются другие, более простые возражения против эфира, чем трудности его построения. Если мы хотим объяснить оптические явления механистически, то следует предположить, что эфир существует повсюду. Если свет передается только в среде, то не может быть никакого пустого пространства.

Однако из механики мы знаем, что межзвездное пространство не оказывает сопротивления движению материальных тел. Планеты, например, проходят через эфир-желе, не встречая какого-либо сопротивления своему движению, которое должна была бы оказать материальная среда.

Если же эфир не нарушает движения вещества, то не может быть никакого взаимодействия между частицами эфира и частицами вещества. Свет проходит через эфир, а также через стекло и воду, но его скорость изменяется в последних субстанциях.

Как можно объяснить этот факт механистически? По-видимому, лишь предполагая некоторое взаимодействие между частицами эфира и частицами вещества. Мы только что видели, что для свободно движущихся тел следует предположить, что такого взаимодействия не существует.

Другими словами, существует взаимодействие между эфиром и веществом в оптических явлениях, но не существует никакого взаимодействия в механических явлениях! Это, конечно, очень парадоксальное заключение!

По-видимому, из всех этих трудностей будет единственный выход.

При попытке понять явления природы с механистической точки зрения на всем протяжении развития науки до XX столетия было необходимо вводить искусственные субстанции, такие как электрические и магнитные жидкости, световые корпускулы или эфир.

Результатом было только то, что все эти трудности концентрировались в нескольких существенных пунктах, таких как эфир, в случае оптических явлений.

Здесь все бесплодные попытки построить эфир простым путем, так же как и другие возражения, обнаруживают, что ошибка лежит в фундаментальном положении о том, что все явления в природе можно объяснить с механистической точки зрения. Наука не имела успеха в последовательном проведении механистической программы, и сегодня ни один физик не верит в возможность ее выполнения.

В нашем кратком обозрении принципиальных идей физики мы встретили ряд нерешенных проблем, пришли к трудностям и препятствиям, которые обескуражили ученых в попытках сформулировать единое и последовательное воззрение на все явления внешнего мира.

В классической механике мы встретили незамеченную руководящую нить исследования – равенство тяжелой и инертной масс. Обнаружен искусственный характер электрической и магнитной жидкостей.

Во взаимодействии между электрическим током и магнитной иглой встретились неразрешенные трудности. Следует напомнить, что эта сила действовала не по линии, соединяющей проводник и магнитный полюс, и зависела от скорости движущегося заряда.

Закон, выражающий ее направление и величину, был чрезвычайно сложен. И наконец, установлено наличие больших трудностей с эфиром.

Современная физика атаковала все эти проблемы и разрешила их. Но в борьбе за эти решения возникли новые и более глубокие проблемы. Наши знания теперь шире и глубже, чем знания физика XIX столетия, но таковы же и наши сомнения и трудности.

Подведем итоги.

В старой теории электрических жидкостей, в корпускулярной и волновой теориях света мы видим дальнейшие попытки применить механистическое воззрение. Но в области электрических и оптических явлений это применение встречает большие трудности.

Движущийся заряд действует на магнитную иглу, причем сила зависит не только от расстояния, но и от скорости заряда. Сила эта не отталкивает и не притягивает, а действует перпендикулярно к линии, соединяющей иглу и заряд.

В оптике мы должны отдать предпочтение волновой теории света перед корпускулярной. Волны, распространяющиеся в среде, состоящей из частиц, между которыми действуют механические силы, – это, конечно, механическое понятие.

Но что это за среда, в которой распространяется свет, и каковы ее механические свойства? Пока этот вопрос остается без ответа, нет никаких надежд свести оптические явления к механическим.

Но трудности в разрешении этой проблемы так велики, что мы должны отказаться от этого пути, стало быть, должны отказаться и от механистических воззрений.

Источник: https://dom-knig.com/read_231994-20

Поляризация света

Продольны или поперечны световые волны

Начало XIX века для физики ознаменовалось развитием волновой теории света, которым занимались ученые Т. Юнг и О. Френель. В то время природа световых волн оставалась неизвестной. Изначально предполагалось, что свет является распространяющимися в некоторой гипотетической среде – эфире продольными волнами.

Однако в процессе изучения явлений дифракции и интерференции вопрос о том, продольные или поперечные световые волны, стал второстепенен.

На тот момент казалось невозможным, что свет – это поперечные волны, по той причине, что по аналогии с механическими волнами пришлось бы признать эфир твердым телом, ведь поперечные механические волны не обладают возможностью распространяться в газообразной или же жидкой среде.

Несмотря ни на что, постепенно копились свидетельствующие в пользу поперечности световых волн экспериментально полученные факты.

Определение 1

Еще в конце XVII века было обнаружено, что кристалл исландского шпата (CaCO3) обладает свойством, позволяющим ему раздваивать проходящие сквозь него лучи. Данное явление было названо двойным лучепреломлением (рис. 3.11.1).

Рисунок 3.11.1. Прохождение света через кристалл исландского шпата (двойное лучепреломление). При повороте кристалла относительно направления первоначального луча оба луча, которые проходят через кристалл, тоже поворачиваются.

Определение 2

Поляризация света – это явление выделения из пучка естественного света лучей с определенной ориентацией электрического вектора.

Как же получить поляризованный свет?

Определение 3

Французским инженером Э. Малюсом в 1809 году был открыт названный в его честь закон. В экспериментах Малюса свет последовательно пропускался сквозь пару одинаковых пластинок из турмалина (прозрачное кристаллическое вещество зеленоватого оттенка). Они могли поворачиваться друг относительно друга на угол φ, как это проиллюстрировано на рисунке 3.11.2.

Рисунок 3.11.2. Наглядный пример закона Малюса.

Интенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной cos2 φ: 

I~cos2φ.

Двойное лучепреломление точно также, как и закон Малюса не может быть объяснено с точки зрения теории продольных волн. Для продольных волн направление распространения луча представляет собой ось симметрии. В них любые направления в плоскости, нормальной, то есть перпендикулярной, лучу, равноправны.

Пример 1

В поперечной волне, к примеру, в бегущей по резиновому жгуту волне, направление колебаний и перпендикулярное ему направление не равноправны (рис. 3.11.3).

Рисунок 3.11.3. Поперечная волна в резиновом жгуте. Частицы совершают колебательные движения вдоль оси y. При повороте щели S затухнет волна.

Выходит, что асимметрия относительно направления распространения луча – это решающий признак, отличающий поперечную и продольную волны. Первым высказал догадку о поперечности световых волн Т. Юнг в 1816 году.

Независимо от Юнга Френель тоже выдвинул концепцию поперечности световых волн, и даже смог обосновать ее с помощью большого количества опытов. Им была создана теория двойного лучепреломления света в кристаллах.

В середине 60-х годов XIX века Максвелл, взяв за основу совпадение известных значений скоростей распространения света и электромагнитных волн, сделал вывод о природе света.

Ученый решил, что свет – это частный случай электромагнитных волн. К тому времени экспериментальным путем была подтверждена поперечность световых волн.

По этой причине Максвелл предположил, что она является еще одним важным аргументом в пользу его выводов насчет электромагнитной природы света.

Пропала необходимость во введении особой среды распространения волн – эфира, который приходилось рассматривать как твердое тело. Благодаря этому электромагнитная теория света приобрела должную стройность.

В условиях электромагнитной волны вектора E→ и B→ направлены перпендикулярно друг к другу и находятся в плоскости, которая перпендикулярна направлению распространения волны плоскости. (рис. 2.6.3)

Рисунок 2.6.3. Синусоидальная (гармоническая) электромагнитная волна. Векторы E→, B→ и υ→ взаимно перпендикулярны.

Определение 4

В каждом из процессов взаимодействия света с веществом электрический вектор E→ играет основную роль. По данной причине его называют световым вектором.

Виды поляризации света

Определение 5

Если при распространении электромагнитной волны световой вектор сохраняет свою ориентацию, то подобная волна носит название линейно поляризованной или плоско поляризованной. Отметим, что термин поляризации волн ввел Малюс применительно к поперечным механическим волнам.

Определение 6

Плоскость, в которой колеблется световой вектор E→, носит название плоскости колебаний (то есть плоскость yz, изображенная на рисунке 2.6.3), а плоскость, в которой совершает колебание магнитный вектор B→, является плоскостью поляризации (плоскость xz на рисунке 2.6.3).

Определение 7

В случае, когда две поляризованные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях монохроматические волны распространяются вдоль одного и того же направления, в общем случае результатом их сложения будет эллиптически поляризованная волна (смотрите рисунок 3.11.4).

Рисунок 3.11.4. Сложение двух взаимно перпендикулярно поляризованных волн и образование эллиптически поляризованной волны.

Определение 8

В нормальной (то есть перпендикулярной) направлению распространения волны эллиптически поляризованной волне в каждой плоскости P конец результирующего вектора E→ за период светового колебания обходит некоторый эллипс, носящий название эллипса поляризации.

Его размер и форма характеризуются амплитудами ax и ay линейно поляризованных волн и фазовым сдвигом Δφ между ними.

Определение 9

Волна, обладающая круговой поляризацией (ax=ay, Δφ=±π2) представляет собой частный случай эллиптически поляризованной волны.

Данные, получаемые при просмотре рисунка 3.11.5, дают представление о пространственной структуре эллиптически поляризованной волны.

Рисунок 3.11.5. Электрическое поле в эллиптически поляризованной волне.

Линейно поляризованный свет производится лазерными источниками. В случае отражения или рассеяния свет может стать поляризованным. В частности, голубой свет от неба частично или полностью поляризован. Однако, свет, который испускают обычные источники, такие как, например, солнечный свет и излучение ламп накаливания, является неполяризованным.

Свет, исходящий от подобных источников, в любой момент состоит из вкладов огромного числа независимо излучающих атомов, обладающими различной ориентацией светового вектора в волнах, которые они излучают.

По этой причине в результирующей волне вектор E→ хаотично меняет свою ориентацию во времени, из-за чего в среднем все направления колебаний получаются равноправными. 

Определение 10

Неполяризованный свет также называют естественным светом.

В любой момент времени вектор E→ может быть спроецирован на две взаимно перпендикулярные оси (смотри рисунок 3.11.6).

Рисунок 3.11.6. Разложение вектора E→ по осям Ох и Оу.

Это значит, что любую волну, вне зависимости от того, поляризованная она или же нет, можно представить в виде суперпозиции двух линейно поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях волн: E→(t)=Ex→(t)+Ey→(t).

В поляризованной волне обе составляющие Ex(t) и Ey(t) когерентны, то есть разность фаз между Ex(t) и Ey(t) не претерпевает изменений, а в неполяризованной – некогерентны, значит разность фаз представляет собой случайную функцию времени.

Явление двойного лучепреломления света основывается на том, что в кристаллических веществах показатели преломления линейно поляризованных во взаимно нормальных направлениях волн, зачастую различны.

По данной причине кристалл раздваивает лучи, которые проходят сквозь него так, как это показано на рисунке 3.11.1.

Два луча на выходе кристалла линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях.

Определение 11

Кристаллы, в которых происходит двойное лучепреломление, называются анизотропными.

Прибегая к разложению вектора E→ на составляющие по осям, можно объяснить закон Малюса (рис. 3.11.2).

Определение 12

У значительной части кристаллов поглощение света кардинально зависимо от направления электрического вектора в световой волне. Такое явление носит название дихроизма.

Пример 2

В частности, данным свойством обладают использованные в знакомых нам опытах Малюса пластины турмалина. При некоторой толщине пластинка турмалина практически полностью поглощает одну из взаимно перпендикулярно поляризованных волн (как, к примеру, Ex) и частично пропускает вторую волну (то есть Ey).

Определение 13

Направление колебаний электрического вектора в прошедшей волне является разрешенным направлением пластины.

Пластинка турмалина может применяться как для создания поляризационного света, то есть в качестве поляризатора, так и для анализа характера поляризации света, как анализатор.

Определение 14

В наше время часто применяются искусственные дихроичные пленки, называющиеся поляроидами.

Поляроиды пропускают практически всю волну разрешенной поляризации и не пропускают поляризованную в нормальном направлении волну. Исходя из всего вышесказанного, можно заявить, что поляроиды – это идеальные поляризационные фильтры.

Пример 3

Разберем последовательное прохождение естественного света через пару идеальных поляроидов П1 и П2 (рисунок 3.11.7), чьи разрешенные направления развернуты друг относительно друга на угол φ. Первый поляроид в приведенном тандеме занимает место поляризатора. Он преобразовывает естественный свет в линейно поляризованный. Второй поляроид применяется в качестве анализатора.

Рисунок 3.11.7. Прохождение естественного света через два идеальных поляроида. yy'представляет собой разрешенные направления поляроидов.

Обозначение амплитуды линейно поляризованной волны после прохождения света через первый поляроид в виде E0=I02 приводит к тому, что пропущенная вторым поляроидом волна приобретает амплитуду E=E0 cos φ. Таким образом, интенсивность I линейно поляризованной волны на выходе второго поляроида может быть записана в виде следующего выражения:

I=E2=E02cos2φ=12I0cos2φ.

Выходит, что в электромагнитной теории света закон Малюса находит естественное объяснение, чья основа заключается в разложении вектора E→ на его составляющие.

Рисунок 3.11.8. Модель поляризации света.

Рисунок 3.11.9. Модель закона Малюса.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Источник: https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/volnovaja-optika/poljarizatsija-sveta/

Поляризация света – Всё для чайников

Продольны или поперечны световые волны

Подробности Категория: Оптика

Длительное время основатели волновой оптики Юнг и Френель считали световые волны продольными, т. е. подобными звуковым волнам. В то время световые волны рассматривались как упругие волны в эфире, заполняющем пространство и проникающем внутрь всех тел.

Такие волны, казалось, не могли быть поперечными, так как поперечные волны могут существовать только в твердом теле. Но как могут тела двигаться в твердом эфире, не встречая сопротивления? Ведь эфир не должен препятствовать движению тел. В противном случае не выполнялся бы закон инерции.

Однако постепенно набиралось все больше и больше экспериментальных фактов, которые никак не удавалось истолковать, считая световые волны продольными.

Опыты с турмалином. Рассмотрим подробно только один из экспериментов, очень простой и исключительно эффектный. Это опыт с кристаллами турмалина (прозрачными кристаллами зеленой окраски).

Кристалл турмалина имеет ось симметрии и принадлежит к числу так называемых одноосных кристаллов. Возьмем прямоугольную пластину турмалина, вырезанную таким образом, чтобы одна из ее граней была параллельна оси кристалла.

Если направить нормально на такую пластину пучок света от электрической лампы или солнца, то вращение пластины вокруг пучка никакого изменения интенсивности света, прошедшего через нее, не вызовет (рис. 135). Можно подумать, что свет только частично поглотился в турмалине и приобрел зеленоватую окраску.

Больше ничего не произошло. Но это не так. Световая волна приобрела новые свойства.

Эти новые свойства обнаруживаются, если пучок заставить пройти через второй точно такой же кристалл турмалина (рис. 136, а), параллельный первому. При одинаково направленных осях кристаллов опять ничего интересного не происходит: просто световой пучок еще более ослабляется за счет поглощения во втором кристалле.

Но если второй кристалл вращать, оставляя первый неподвижным (рис. 136, б), то обнаружится удивительное явление— гашение света. По мере увеличения угла между осями интенсивность света уменьшается. И когда оси перпендикулярны друг другу, свет не проходит совсем (рис. 136, в). Он целиком поглощается вторым кристаллом.

Как это можно объяснить?

Поперечность световых волн.

Из описанных выше опытов следует два факта: во-первых, что световая волна, идущая от источника света, полностью симметрична относительно направления распространения (при вращении кристалла вокруг луча в первом опыте интенсивность не менялась) и, во-вторых, что волна, вышедшая из первого кристалла, не обладает осевой симметрией (в зависимости от поворота второго кристалла относительно луча получается та или иная интенсивность прошедшего света).Продольные волны обладают полной симметрией по отношению к направлению распространения (колебания происходят вдоль этого направления, и оно является осью симметрии волны). Поэтому объяснить опыт с вращением второй пластины, считая световую волну продольной, невозможно.Полное объяснение опыта можно получить, сделав два предположения.Первое предположение относится к самому свету. Свет — поперечная волна. Но в падающем от обычного источника пучке волн присутствуют колебания всевозможных направлений, перпендикулярных направлению распространения волн (рис. 137).

Согласно этому предположению световая волна обладает осевой симметрией, являясь в то же время поперечной. Волны, например, на поверхности воды такой симметрией не обладают, так как колебания частиц воды происходят только в вертикальной плоскости.

Световая волна с колебаниями по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения, называется естественной. Такое название оправдано, так как 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 поперечная).

Второе предположение, которое необходимо сделать, относится к кристаллу. Кристалл турмалина обладает способностью пропускать световые волны с колебаниями, лежащими в одной определенной плоскости (плоскость Р на рис. 138).

Такой свет называется 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 кристаллов 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 преобразует естественный свет в плоско-поляризованный.

Механическая модель опытов с турмалином. Нетрудно построить простую наглядную механическую модель рассматриваемого явления.

Можно создать поперечную волну в резиновом шнуре так, чтобы колебания быстро меняли свое направление в пространстве. Это аналог естественной световой волны. Пропустим теперь шнур сквозь узкий деревянный ящик (рис. 139).

Из колебаний всевозможных направлений ящик «выделяет» колебания в одной определенной плоскости. Поэтому из ящика выходит поляризованная волна.

Если на ее пути имеется еще точно такой же ящик, но повернутый относительно первого на 90°, то колебания сквозь него не проходят. Волна целиком гасится.

Поляроиды. Не только кристаллы турмалина способны поляризовать свет. Таким же свойством, например, обладают так называемые поляроиды.

Поляроид представляет собой тонкую (0,1 мм) пленку кристаллов герапатита, нанесенную на целлулоид или стеклянную пластинку. С поляроидом можно проделать те же опыты, что и с кристаллом турмалина.

Преимущество поляроидов в том, что можно создавать большие поверхности, поляризующие свет.К недостаткам поляроидов относится фиолетовый оттенок, который они придают белому свету.

Поперечность волны              

Установка для наблюдения трехсантиметровых волн              

Поляризация трехсантиметровых волн            

Поляризатор и анализатор для трехсантиметровой волны            

Поляризация естественного света при отражении от стекла            

Угол Брюстера             

Естественный видимый свет. Три поляризатора. Закон Малюса             

Поляризатор и анализатор для видимого света – 1             

Поляризатор и анализатор для видимого света – 2             

Поляризатор и анализатор для дециметровой волны              

Источник: https://forkettle.ru/vidioteka/estestvoznanie/41-fizika/optika/51-polyarizatsiya-sveta-1981

Мед-Центр Здоровье
Добавить комментарий