Поперечность световых волн. Поляризация света
Материалы к уроку
Конспект урока
Поперечность световых волн. Поляризация света
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.
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.
• 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.
Остались вопросы по теме? Наши педагоги готовы помочь!
Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам
Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки
Повысим успеваемость по школьным предметам
Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ