Закон Малюса

Поляризация света и связанные с ней эффекты относятся к наиболее трудным для понимания разделам курса общей физики. Одна из причин этого заключается в том, что человеческий глаз непосредственно не реагирует на поляризацию электромагнитных волн[19]. Человек хорошо различает цвет, который определяется частотой колебаний электромагнитного поля. Весьма чувствителен человеческий глаз к интенсивности света, которая связана с амплитудой колебаний поля. Фазовые соотношения между колебаниями в принципе легко визуализируются с помощью интерференции (сложения) волн. А вот наблюдение поляризации света требует специальных оптических устройств – анализаторов, с помощью которых различные состояния поляризации падающего на них света преобразуются в различную интенсивность излучения на выходе анализатора[20]. Без анализатора определить состояние поляризации невозможно.

Вторая причина, обусловливающая сложность изучения поляризации, связана с формированием у студентов наглядной модели поляризованного света. Как известно, такой свет (в отличие от неполяризованного) характеризуется той или иной степенью упорядоченности колебаний электрического вектора поля[21]. Если конец этого вектора описывает замкнутый эллипс (частные случаи – прямая, круг), то свет называется полностью эллиптически (соответственно, линейно, циркулярно) поляризованным. Если же «траекторией» конца электрического вектора является незамкнутая линия, то такой свет называется частично поляризованным с указанием формы «средней» траектории, например, частично эллиптически (или циркулярно, или линейно) поляризованный свет.

Важной характеристикой частично поляризованного света является степень поляризации, определение которой дается в учебниках по общей физике. В дальнейшем частично поляризованный свет мы рассматривать не будем.

Наконец, в неполяризованном свете колебания электрического вектора имеют хаотический характер. Такой свет испускает Солнце, лампочки накаливания и многие другие природные и рукотворные источники, поэтому синонимом термина «неполяризованный свет» является «естественный свет».

Для понимания поляризационных эффектов очень важно уметь представлять ту или иную поляризованную волну как суперпозицию двух других поляризованных волн. Например, циркулярно поляризованная волна – это суперпозиция (сумма) двух линейно поляризованных волн, между которыми имеется сдвиг фазы π/2 ± mπ, где m – целое число. В то же время линейно поляризованную волну можно рассматривать как сумму двух циркулярно поляризованных волн с противоположными направлениями вращения электрических векторов. Эту же линейно поляризованную волну можно разложить не только на две циркулярно поляризованные, но и на две линейно поляризованные волны, причем сделать это можно бесконечным числом способов, выбирая разные направления осей X и Y.

Цикл лекционных демонстраций по поляризации света целесообразно начать именно с закона Малюса. Как известно, в соответствии с этим законом, интенсивность линейно поляризованного света I, прошедшего анализатор, зависит от угла α между направлением колебаний электрического вектора и осью пропускания анализатора

,

где I₀ – интенсивность линейно поляризованного света, падающего на анализатор.

Для демонстрации этого эффекта используется специальная «двухъярусная» оправка из оргстекла, на которую помещаются два дихроичных поляризатора достаточно большого размера (рис. 8.53)[22]. Каждый поляризатор можно независимо вращать вокруг вертикальной оси. Оправка с поляризаторами помещается на кодоскоп, с помощью которого изображения поверхностей поляризаторов проецируются на экран или на стену аудитории.

Рис. 8.53. Дихроичные поляризаторы в двухъярусной оправке на кодоскопе.

Сначала преподаватель на глазах у студентов помещает на оправку нижний поляризатор, добивается резкого изображения его поверхности на экране и начинает непрерывно вращать его вокруг вертикальной оси, показывая, что интенсивность изображения на экране при этом не изменяется. Наши глаза не реагируют на поляризацию света! Затем нижний поляризатор убирается[23], а на верхний ярус оправки помещается второй поляризатор, с которым производятся те же манипуляции, что и с нижним.

а	б	в

Рис. 8.54. Закон Малюса.

Все дальнейшие эксперименты демонстрационного цикла проводятся с двумя поляризаторами на оправке (рис. 8.54).

Непрерывно вращая верхний или нижний поляризатор, наглядно убеждаемся в периодическом изменении интенсивности изображения поверхности нижнего или верхнего поляризатора[24]. Именно этот простейший эксперимент должен ассоциироваться у студентов с законом Малюса.

Дата добавления: 2014-01-04