Страница 227 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Как вы думаете, может ли произойти поворот вектора $\vec{E}$ независимо от поворота вектора $\vec{B}$?

Нет, поворот вектора напряженности электрического поля $\vec{E}$ не может произойти независимо от поворота вектора магнитной индукции $\vec{B}$. Это утверждение следует из фундаментальных принципов электродинамики, описываемых уравнениями Максвелла.

Рассмотрим основные причины, почему это невозможно:

1. Взаимная перпендикулярность векторов. В бегущей электромагнитной волне векторы напряженности электрического поля $\vec{E}$, магнитной индукции $\vec{B}$ и скорости распространения волны $\vec{v}$ образуют правую тройку векторов. Это означает, что векторы $\vec{E}$ и $\vec{B}$ всегда взаимно перпендикулярны ($\vec{E} \perp \vec{B}$). Если бы вектор $\vec{E}$ мог повернуться независимо от $\vec{B}$, то это условие ортогональности было бы нарушено, что противоречит природе электромагнитных волн.

2. Неразрывная связь полей. Электрическое и магнитное поля в волне не существуют по отдельности; они являются двумя сторонами единого электромагнитного поля. Их взаимосвязь описывается уравнениями Максвелла. В частности, два из них (в вакууме) показывают, как изменяющиеся поля порождают друг друга:

   • Закон электромагнитной индукции Фарадея: изменяющееся во времени магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.
     $\nabla \times \vec{E} = -\frac{\partial \vec{B}}{\partial t}$

   • Закон Ампера-Максвелла: изменяющееся во времени электрическое поле порождает вихревое магнитное поле.
     $\nabla \times \vec{B} = \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial \vec{E}}{\partial t}$

   Эти уравнения показывают, что любое изменение вектора $\vec{E}$ (включая его поворот, который является изменением направления) неизбежно приводит к соответствующему изменению вектора $\vec{B}$, и наоборот. Они "жестко" связаны. Независимое поведение одного из векторов невозможно.

3. Поляризация электромагнитных волн. Явление поляризации хорошо иллюстрирует эту связь. Например, в волне с круговой поляризацией конец вектора $\vec{E}$ описывает окружность в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Вслед за ним, оставаясь перпендикулярным, вращается и вектор $\vec{B}$. Если бы вектор $\vec{E}$ вращался, а вектор $\vec{B}$ оставался неподвижным (или вращался как-то иначе), это была бы уже не электромагнитная волна в классическом понимании.

Таким образом, ориентация векторов $\vec{E}$ и $\vec{B}$ в электромагнитной волне строго скоординирована. Поворот одного из них без синхронного и согласованного поворота другого невозможен.

Ответ: Нет, поворот вектора $\vec{E}$ не может произойти независимо от поворота вектора $\vec{B}$. В электромагнитной волне эти векторы всегда взаимно перпендикулярны и их изменения (включая поворот) неразрывно связаны уравнениями Максвелла, описывающими взаимное порождение электрического и магнитного полей.

1. Доказательством поперечности световой волны служит явление

1) дифракции

2) интерференции

3) дисперсии

4) поляризации

1. Решение

Для того чтобы определить, какое явление доказывает поперечность световой волны, необходимо понять, что такое поперечная волна и проанализировать каждое из предложенных явлений.

Поперечная волна — это волна, в которой колебания (например, смещение частиц среды или изменение векторов напряженности полей) происходят в плоскости, перпендикулярной направлению ее распространения. В отличие от нее, в продольной волне колебания происходят вдоль направления распространения.

Рассмотрим предложенные варианты:

1) дифракции. Дифракция — это явление огибания волнами препятствий. Это свойство характерно для любых волн, как поперечных (например, свет, волны на воде), так и продольных (например, звук). Следовательно, дифракция доказывает волновую природу света, но не его поперечность.

2) интерференции. Интерференция — это сложение нескольких когерентных волн, приводящее к усилению или ослаблению результирующей волны в разных точках пространства. Это явление также является общим для всех типов волн и не может служить доказательством поперечности световых волн.

3) дисперсии. Дисперсия света — это зависимость скорости распространения света в среде (и, следовательно, показателя преломления) от его частоты (или длины волны). Это явление объясняет разложение белого света в спектр при прохождении через призму. Дисперсия связана с взаимодействием волны со средой, но не с направлением колебаний в волне, поэтому она не доказывает поперечность света.

4) поляризации. Поляризация — это свойство поперечных волн, описывающее ориентацию вектора колебаний в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. В естественном (неполяризованном) свете колебания вектора напряженности электрического поля $\vec{E}$ происходят во всех возможных направлениях, перпендикулярных вектору распространения волны $\vec{v}$. Явление поляризации заключается в выделении из такого света волн с колебаниями, лежащими только в одной плоскости. Это возможно осуществить с помощью специальных устройств — поляризаторов. Продольные волны не могут быть поляризованы, так как в них колебания всегда происходят только в одном направлении — вдоль направления распространения, и у них нет "плоскости колебаний". Поскольку свет проявляет свойство поляризации, это является прямым экспериментальным доказательством того, что световые волны являются поперечными.

Ответ: 4) поляризации

2. Поляризация света доказывает, что свет — это

1) поток заряженных частиц

2) поток электронейтральных частиц

3) поперечная волна

4) продольная волна

Решение

Поляризация света — это явление, которое заключается в упорядочивании колебаний вектора напряженности электрического поля $\vec{E}$ световой волны при ее прохождении через определенные вещества (поляроиды) или при отражении и преломлении на границе двух сред. Явление поляризации является одним из фундаментальных доказательств волновой природы света.

Чтобы понять, о чем именно свидетельствует поляризация, необходимо рассмотреть типы волн.

• Поперечные волны — это волны, в которых колебания происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Поскольку существует целая плоскость для колебаний, можно выделить одно привилегированное направление колебаний, то есть поляризовать волну.
• Продольные волны — это волны, в которых колебания происходят вдоль направления распространения волны. У таких волн есть только одно возможное направление колебаний, поэтому их невозможно поляризовать.

Поскольку свет может быть поляризован, это неопровержимо доказывает, что световые волны являются поперечными.

Рассмотрим предложенные варианты ответа:

1) поток заряженных частиц
Этот вариант неверен. С точки зрения квантовой физики свет является потоком частиц-фотонов, но фотоны не имеют электрического заряда, они электронейтральны.

2) поток электронейтральных частиц
Этот вариант также не является верным объяснением. Хотя свет и можно представить как поток нейтральных частиц (фотонов), корпускулярная теория сама по себе не объясняет явление поляризации, которое является свойством волн.

3) поперечная волна
Этот вариант является правильным. Существование поляризации возможно только для поперечных волн, так как только у них есть плоскость колебаний, перпендикулярная направлению движения, в которой можно выделить определенное направление.

4) продольная волна
Этот вариант неверен. Как было указано выше, продольные волны (например, звуковые волны в воздухе) не могут быть поляризованы.

Ответ: 3) поперечная волна