13. Поляризация (Д. М. Побединский)

Введение

Мы говорим о свете как об электромагнитной волне. Волна – это распространение возмущения, в данном случае – возмущения электромагнитного поля. Или, по-другому: распространение электромагнитных колебаний (см. рис. 1).

Рис. 1. Передача тепла через электромагнитное излучение

Ближе всего к этой модели из того, что мы уже изучали, – звук – распространение механических колебаний (см. рис. 2).

Рис. 2. Распространение механических колебаний

Обсудим сначала их.

Механические колебания

Когда наблюдаем колебания и вообще движение, результат будет зависеть от расположения наблюдателя.

Представьте себе карусель. Если смотреть на нее сверху и следить за одной лошадкой (см. рис. 3), то будет видно движение по кругу.

Рис. 3. Движение карусели, вид сверху

А если сбоку – то колебания, для наблюдателя лошадка будет двигаться вдоль отрезка (см. рис. 4).

Рис. 4. Движение карусели, вид сбоку

Это характерно не только для колебаний. Представьте, что на перроне бросают мяч под углом к горизонту. Наблюдатель, который стоит на перроне, видит движение мяча по параболе (см. рис. 5).

Рис. 5. Движение мяча по параболе

Наблюдатель, который едет на поезде вдоль перрона, при определенной скорости поезда вообще увидит движение мяча вертикально вверх, затем вниз (см. рис. 6).

Рис. 6. Движение мяча вертикально вверх и вниз

А для муравья, который сидит на мяче, мяч будет неподвижен, ему будет казаться, что движется все вокруг (см. рис. 7).

Рис. 7. Движение относительно муравья на мяче

Вернёмся к колебаниям.

Представим два колеблющихся перпендикулярно друг другу пружинных маятника (см. рис. 13), на которые мы смотрим через вертикальную щель.

Рис. 13. Пружинные маятники

Что мы увидим? Колебания одного маятника мы будем хорошо видеть. А колебания второго будут от нас скрыты, он будет лишь периодически появляться в одной точке (см. рис. 14).

Рис. 14. Колебания пружинных маятников

И наоборот, если повернуть щель горизонтально, увидим колебания только второго маятника (см. рис. 15).

Рис. 15. Наблюдение за колебаниями пружинных маятников через горизонтальную щель

То есть, наблюдая через щель, можно отсечь колебания в одном из направлений.

Пример распространения механической волны

Рассмотрим пример распространения механической волны. Возьмем канат, закрепим один из его концов. Второй, не натягивая, будем дергать вверх-вниз, тогда по канату распространится волна (см. рис. 16).

Рис. 16. Распространение волны по канату

Снова возьмем дощечку со щелью и теперь пропустим через нее канат. Ориентируем щель вертикально, чтобы канат в каждой точке колебался вдоль прямой, параллельной щели (см. рис. 16). По аналогии с маятником: колебания каната сквозь эту щель будут распространяться без помех, волна «пройдет».

Если повернуть щель на 900, волна не пройдет (см. рис. 17).

Рис. 17. Горизонтальное расположение щели

А если оставить щель в промежуточном положении, например повернуть на 450 (см. рис. 18)?

Рис. 18. Промежуточное расположение щели

Представим движение каната как комбинацию двух движений – вдоль щели и перпендикулярно ей, то есть разложим на проекции (см. рис. 19).

Рис. 19. Разложение колебаний на составляющие. Одна из них гасится щелью

Мы использовали модель, которую уже неоднократно применяли: раскладывали полет мяча на две составляющие, изучали отдельно электрическую, отдельно магнитную составляющую электромагнитного поля и т. д. (см. рис. 20).

Рис. 20. Использование модели разложения на составляющие

Если воспользоваться этой моделью, то видно, что перпендикулярная составляющая колебаний отсекается, а дальше проходит только параллельная (см. рис. 21).

Рис. 21. Отсечение составляющей колебаний, перпендикулярной щели

И по какой сложной траектории мы бы ни дергали канат, за щелью канат колеблется в одной плоскости (см. рис. 22).

Рис. 22. Колебания каната за щелью происходят только в одной плоскости

Если поставить на пути волны еще одну щель перпендикулярно первой, то волна препятствие из этих двух щелей не пройдет вовсе (см. рис. 23).

Рис. 23. Использование двух щелей

Свет

Вернемся к свету. Раз это тоже волна, электромагнитная, есть ли там такое явление? Оказывается, есть. Только у света длина волны составляет доли микрометра, плюс происходит не движение вещества, а колебание поля. Поэтому, естественно, для света «щель» должна быть другой. Такой щелью для света выступает кристаллическая решетка некоторых веществ, например турмалина, исландского шпата (см. рис. 24).

Рис. 24. Турмалин

И это можно применить.

Но как именно это происходит: ведь свет – это не движение вещества, которое можно перекрыть дощечкой? Это колебания электромагнитного поля, которое взаимодействует с электромагнитным полем электрона – а электроны движутся как-то по-особому в зависимости от кристаллической решетки (см. рис. 25).

Рис. 25. Электромагнитные колебания проходят через вещество

Давайте не углубляться в эти подробности.

Во-первых, у нас недостаточно знаний для этого. Мы говорим о движении отдельных электронов в кристаллической решетке, о взаимодействии электронов с электромагнитной волной – закономерности, которые мы до этого изучили, и модели, которые мы применяли, оказываются неприменимыми для описания этих процессов.

А во-вторых, нам это на данном этапе и не нужно. Если углубляться в суть любого явления, то рано или поздно столкнемся с тем, что не можем объяснить.

Мы сейчас не отвечаем на вопрос, как именно на атомном уровне происходит описанное явление, а говорим, что после прохождения света через некоторые кристаллы он обладает определенным свойством, и его мы уже можем описать.

Поляризация

Колебания электрического поля после прохождения через кристалл турмалина происходят в одной плоскости (колебания магнитного поля тоже происходят в одной плоскости, векторы напряженности электрического и магнитного поля перпендикулярны друг другу, так что достаточно говорить об одной составляющей поля) (см. рис. 26).

Рис. 26. Колебания электрического и магнитного полей

Такое явление назвали поляризацией (от лат. polus – ось).

Как мы можем обнаружить, пронаблюдать поляризацию света? У нас есть кристалл – поляризатор (см. рис. 27).

Рис. 27. Поляризатор

Мы пропускаем сквозь него неполяризованный свет, в нем электрическое поле колеблется во всех направлениях (см. рис. 28).

Рис. 28. Пропускание через поляризатор неполяризованного света

Как понять, что прошедший сквозь кристалл свет поляризован? Для наших глаз он ничем не отличается от обычного.

Вернемся к наглядному примеру с канатом и дощечкой. Когда волна проходила через щель дощечки, она становилась поляризованной (см. рис. 22). Когда мы поставили еще одну щель, то наблюдалась четкая зависимость: при одном расположении второй щели поляризованная волна проходила через нее, а при другом – нет (см. рис. 23).

Так же поступим и со светом. Возьмем второй кристалл и будем вращать его относительно первого. И увидим, что есть такое расположение кристаллов, при котором свет через них не проходит, а если повернуть их на 900 – то проходит полностью (см. рис. 29). Видим это по интенсивности прошедшего через кристаллы света и воспринимаем через яркость света на выходе. При промежуточных углах получим промежуточное значение яркости – через второй кристалл волна будет проходить частично, пропорционально проекции амплитуды на плоскость поляризации.

Рис. 29. Прохождение света через два поляризатора

Это значит, что при выходе из кристалла действительно получается поляризованный свет. И между прочим, это одно из подтверждений того, что свет действительно можно рассматривать как электромагнитную волну. Причем именно поперечную волну – продольную мы бы не смогли поляризовать.

Представьте, что у нас вместо каната пружина, по которой мы пускаем продольную волну (см. рис. 30) – какие щели на ее пути ни ставь, колебания пружины все равно направлены вдоль самой пружины, то есть вдоль направления распространения волны.

Рис. 30. Распространение продольной волны

Поляризация, которую мы описали, когда электрическое поле колеблется в одной плоскости, называется плоской. О других видах поляризации вы узнаете в ответвлении.

Применение поляризации

Подумаем, как явление поляризации можно применить. Представьте: у нас есть два разных луча света от двух источников, оба плоско поляризованы, только плоскости поляризации направлены перпендикулярно друг другу (см. рис. 33).

Рис. 33. Два плоско поляризованных луча

Можно взять поляризатор и повернуть его так, чтобы он пропускал один луч и отсекал второй (см. рис. 34).

Рис. 34. Использование поляризатора

Получаем по сути два независимых канала, по которым можно передавать информацию и которые можно легко отделить друг от друга, используя поляризаторы. Это научились применять для создания 3D-кино. Мы видим мир объемным, потому что наши глаза находятся не в одной точке и поэтому получают немного разные изображения, с разных ракурсов (см. рис. 35).

Рис. 35. 3d-изображение

Чтобы это сымитировать, чтобы фильм казался объемным, нужно показать нашим глазам на одном экране кинотеатра разные картинки (см. рис. 36).

Рис. 36. Использование поляризации

Это и делают с помощью поляризации. На экране показаны сразу два изображения, свет от которых поляризован в разных плоскостях. С помощью поляризаторов в 3d-очках эти изображения разделяются. Когда будете на сеансе 3d, попробуйте провести с этими поляризаторами опыт, который мы рассмотрели для двух кристаллов: вращая головой, вы не всегда одинаково хорошо будете видеть глаза соседа в очках.

Обсуждалась такая идея применения поляризации: можно сделать стекло автомобильных фар и лобовое стекло автомобиля из поляризатора, плоскости поляризации ориентировать одинаково, под углом 450 к горизонтали (см. рис. 37).

Рис. 37. Лобовое стекло и фары из поляризатора

Таким образом, в отраженном свете своих же фар водитель все будет видеть так же, как в случае с обычными стеклами. Но у встречного водителя стекло будет повернуто так, что его плоскость поляризации будет перпендикулярна плоскости поляризации чужих фар, и водитель не будет ими ослеплен (см. рис. 38).

Рис. 38. Встречный водитель

Также мы можем использовать поляризацию для исследования веществ.

Некоторые вещества при прохождении через них поляризованного света поворачивают плоскость поляризации.

Такие вещества назвали оптически активными, такими свойствами обладают растворы многих органических веществ. Это вращение мы обнаруживаем поляроидом-анализатором. Причем чем большее количество вещества было на пути светового пучка, тем на больший угол поворачивается плоскость поляризации: это можно использовать при анализе веществ по их свойствам и определении их количества.

Некоторые вещества изменяют свои свойства, связанные с поляризацией, при деформации (см. рис. 44).

Рис. 44. Деформация веществ

Это можно использовать при выявлении деформаций, дефектов поверхностей и т. д.

Список литературы

1. Физика. Базовый уровень. 11 класс: учебник/В.А. Касьянов. – 7-е изд., перераб. – М.: Дрофа, 2019. – 288 с.

2. Физика: Базовый уровень: 11 класс: учебник/Г.Я. Мякишев, М.А. Петрова, О.С. Угольников и др. – М.: Дрофа, 2018. – 476, [4] с.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «eduspb.com» (Источник)

2. Интернет-портал «physics.ru» (Источник)

3. Интернет-портал «class-fizika.narod.ru» (Источник)

Домашнее задание

1. Что такое поляризация?

2. Чем отличается естественный свет от поляризованного?

3. Что такое фигуры Лиссажу?

4. Где можно применить поляризацию в реальной жизни?