Исследовательский проект Эффект поляризации света и его применение на практике

Министерство образования Саратовской области

государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

Саратовской области

«Балашовский политехнический лицей»

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ

по учебной дисциплине

ФИЗИКА

Тема: «Эффект поляризации света, его применение на практике».

Выполнили:

обучающийся 2 курса гр. №23

Елисеев Никита

Руководитель:

Преподаватель ______________/Гулевская Е.В ./ «___» 2023 г.

Балашов, 2022

Содержание:

стр.
Введение………………………………….…………………………….2-3

теоретический аспект

1. 1. Явление поляризации……………………………………………...4

1.2. Получение поляризованного света………………………………...5

1.2.1. Поляризация света при отражении от поверхности диэлектрика….…………………………………………………………..6

1.3 Бесконтактный оптическая диагностика железнодорожного

полотна…………………………………………………………………. 8

Глава 2. Практическая часть………………………………………..10

2.1 Поляризация света двумя поляроидами…………………………..

2.2 Создание очков для машиниста………………………………......

2.3 Поляризация для диагностики железнодорожного полотна…...

Заключение …………………………………………………………….13
Список использованной литературы…………………………....…14

Приложение………………………………………………..…………..15-16

Введение

Машинист ведёт поезд, управляя локомотивом. Движение на огромной скорости часто связано с неожиданными событиями. Дорожная обстановка, дорожные знаки, показания приборов в кабине – всё это требует постоянного напряжённого внимания. В силу риска возникновения аварий ему просто необходима идеальная видимость во время поездок. Солнечный свет может создавать помехи во время вождения. При использовании линз, оглощающих ультрафиолетовые лучи, машинист может без проблем видеть все объекты на дороге даже в самый солнечный день. К тому же, специалисты доказали, что поляризационные очки значительно повышают реакцию водителя.

Так что же такое «поляризация света», в чем заключается сущность и важность этого явления?

Так как многие из нас, может быть, не знают ответы на эти вопросы, мы считаем эту тему актуальной.

Цель работы: изучение явления поляризации света и применение этого явления на железных дорогах.

Задачи:

1. Подобрать и изучить необходимую литературу (в публикациях и в сети Интернет).

2.Выяснить, что представляет собой явление поляризации света.

3. Рассмотреть области применения изучаемого явления.

4. Провести опыты по получению и исследованию поляризации света.

5. Соотнести теоретические данные о поляризации света, взятые из различных источников, с результатами опытов, которые были получены на практике для полного исследования явления.

Объект исследования: физическое явление.

Предмет исследования: поляризация света на железной дороге.

Методы исследования: анализ документов (получение информации для исследования), наблюдение, эксперимент (использовался для получения

объективных данных), моделирование.

Гипотеза: если правильно подобрать технологические и экономические условия, то можно создать и использовать защиту от поляризации света.

Практическая значимость: Сегодня актуальна проблема предотвращение травматизма на железной дороге от отраженного света. Используя поляризацию света, мы заботимся о здоровье людей всего мира.

теоретический аспект

Объяснение понятия «поляризация»

1.1.Явление поляризации.

Поляризация происходит от латинского слово «полус» — конец оси, полюс. Применительно к свету термин «поляризация» впервые ввел Исаак Ньютон.

Под поляризацией понимают характеристику поперечных волн, описывающую поведение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Для описания поляризации света достаточно знать положение только одного из векторов. Обычно для этого рассматривается вектор E.(напряжённость электрического поля).

Если вектор E колеблется в разных плоскостях с одинаковой  вероятностью, то такой свет называется естественным или неполяризованным. В естественном свете все эффекты, связанные с поляризацией усредняются, и его называют неполяризованным. Для выделения из неполяризованного света части, обладающей желаемой поляризацией, используют поляризаторы (например, исландский шпат или искусственные поляризаторы).

Разберём принцип действия поляризатора на простом механическом примере. Мы создаём волну с помощью верёвки, а в качестве препятствия имеем решётку.
Волны, бегущие по веревке, раскачиваемой в вертикальной плоскости, будут свободно проходить сквозь вертикальную щель решетки. Если же мы повернем щель на 90°, то этим приостановим колебания, т. е. как бы потушим их. Таким образом, преграда в виде решётки служит поляризатором для бегущих по верёвке поперечных волн, пропуская лишь волны, поляризованные в узком диапазоне углов в вертикальной плоскости.

Следовательно:

Поляризация света – процесс упорядочения колебаний вектора напряжённости для электрического поля световой волны при прохождении света сквозь некоторые вещества (при преломлении) или при отражении светового потока.

Поляризатор – вещество (или устройство) служащее для преобразования естественного света в плоскополяризованный.

Плоскость поляризации – плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоскополяризованной волны и направление распространения этой волны.
Ученые различают три вида поляризации: линейную (плоскостную), эллиптическую и круговую. В линейно поляризованном свете электрические колебания происходят только в одном направлении. Линейно поляризованный свет возникает при отражении, например, от листа стекла или поверхности воды, при прохождении света через некоторые виды кристаллов, например, кварца.

1.2 Получение поляризованного света.

Чтобы наблюдать явление поляризации света, нужно пропустить естественный свет через анизотропную среду, которая называется поляризатором и «отсекает» ненужные направления колебаний, оставляя какое-то одно.

Принцип работы искусственных поляризаторов

Поляризующие солнцезащитные очки сделаны из синтетического материала с добавлением игольчатых кристаллов. Эти кристаллы ориентированы параллельно друг другу. Благодаря кристаллам поляризующая линза действует таким образом, как будто она состоит из множества параллельных щелей. Поэтому через поляризатор проходят только те световые волны, у которых плоскость колебаний электрических полей совпадает с направлением расположения параллельных щелей. Если разместить друг перед другом две поляризующие линзы, они будут действовать как два одинаково ориентированных поляризатора. Первая линза по ходу распространения света называется поляризатором, а вторая линза – анализатором. Когда кристаллы в обеих линзах ориентированы параллельно друг другу, то через линзы проходит максимально возможное количество света. Если, начиная от этого положения, повернуть анализатор на 90°, кристаллы в линзах окажутся расположенными под прямыми углами друг к другу, и поляризованный свет не сможет пройти через анализатор.

1.2.1. Поляризация света при отражении от поверхности диэлектрика.

Еще один способ получения поляризованного света — отражение от диэлектрика. Когда свет падает на границу раздела двух сред, луч подразделяется на отраженный и преломленный.  При этом лучи являются частично поляризованными, а степень их поляризации зависит от угла падения и от показателя преломления диэлектрика. 

Отраженный от диэлектрика свет всегда частично поляризован. При некотором определенном углу падения света  отраженный луч оказывается полностью поляризованным. Угол , называется углом полной поляризации, связан с показателем преломления n диэлектрика законом Брюстера.

Степень поляризации преломленного луча может быть значительно повышена путем многократного преломления. Так, при прохождении одной стеклянной пластинки степень поляризации преломленного луча не превышает 15 %. Но после прохождения стопы из 16 наложенных друг на друга пластин вышедший свет будет поляризован практически полностью.

Такая совокупность пластинок называется стопой Столетова. 

Вращение плоскости поляризации оптически активными веществами

Прохождение поляризованного света через некоторые анизотропные среды сопровождается поворотом плоскости его поляризации вокруг направления распространения света. Это явление называется вращением плоскости поляризации. Вещества, в которых наблюдается это явление, называют оптически активными. Примерами твердых оптически активных веществ являются твердые вещества кварц, сахар, киноварь.

Поляризация света в природе

Человеческий глаз весьма чувствителен к окраске (то есть длине волны) и яркости света, но третья характеристика света, поляризация, ему практически недоступна. Мы страдаем «поляризационной слепотой».

В этом отношении некоторые представители животного мира гораздо совершеннее нас. Например, пчелы различают поляризацию света почти так же хорошо, как цвет или яркость. И так как поляризованный свет часто встречается в природе, им дано увидеть в окружающем мире нечто такое, что человеческому глазу совершенно недоступно. Пчелы и муравьи пользуются этой своей способностью для ориентировки в тех случаях, когда Солнце закрыто облаками. Что придает глазу насекомых такую способность? Дело в том, что в глазе млекопитающих (и в том числе человека) молекулы светочувствительного пигмента родопсина расположены беспорядочно, а в глазе насекомого те же молекулы уложены аккуратными рядами, ориентированы в одном направлении, что и позволяет им сильнее реагировать на тот свет, колебания которого соответствуют плоскости размещения молекул.

Поляризация света в технике.

Одной из важных повседневных задач светотехники является плавное изменение и регулировка интенсивности световых потоков. Решение этой задачи с помощью пары поляризаторов (например, поляроидов) имеет ряд преимуществ перед другими методами регулировки. Интенсивность может плавно изменяться от максимальной (при параллельных поляроидах) практически до темноты (при скрещенных). При этом интенсивность меняется одинаково по всему сечению пучка и само сечение остается постоянным. Поляроиды могут быть изготовлены большого размера, поэтому такие пары употребляются не только в лабораторных установках, в солнечных очках, но и в иллюминаторах пароходов, окнах железнодорожных вагонов и т. п.

Поляроиды могут использоваться также в системах световой блокировки, т. е. в таких системах, которые пропускают свет там, где нужно, и не пропускают там, где не нужно. Пример — светоблокировка автомобильных или железнодорожных фар. Если на фары и смотровые стекла локомотивов поставить поляроиды, ориентированные под 45° вправо к вертикали, то поляроиды на фарах и смотровом стекле данного транспорта будут параллельны. Следовательно, машинист будет хорошо видеть дорогу и встречные поезда, освещаемые собственными фарами. Но поляроиды, фар встречных поездов будут скрещены с поляроидом смотрового стекла данного состава. Поэтому слепящий свет фар встречного поезда будет погашен. Несомненно, это сделало бы ночную работу машинистов значительно проще и безопаснее. Поляроиды могут быть полезны тем, кто работает на воде (морякам, рыбакам и т. п.), для гашения зеркально отраженных от воды бликов, которые, как мы знаем, частично поляризованы. Поляризаторы широко применяются в фотографии для устранения бликов от фотографируемых объектов (картин, стеклянных и фарфоровых изделий и пр.). При этом можно помещать поляризаторы между источником и отражающей поверхностью, это помогает вовсе погасить блики. Такой метод полезен при освещении фотостудий, картинных галерей, при фотографировании хирургических операций и в ряде других случаев

1. Бесконтактная оптическая диагностика железнодорожного полотна.

Предложен новый метод диагностики, который позволяет выявлять дефекты рельсов(волны, сколы, трещины) и может обеспечить оперативность осмотра железнодорожных путей с помощью дистанционно пилотируемых летательных аппаратов или других видов летательной техники. Метод обнаружения дефектов заключается в регистрации отраженного от поверхности головки рельсов света(который становится при этом частично поляризованным) с использованием фотоприемного устройства, снабженного поляризационным фильтром. Для описания поляризованного света был выбран вектор Стокса, так как с его помощью легче анализировать прохождение лучей света через оптические системы. Показано, что последующая алгоритмическая обработка полученных изображений позволяет повысить контраст дефектов по сравнению с контрастом при обычной видеорегистрации.

Глава 2. Практическая часть.

Опыт 1

Оборудование: два поляроида, свет.

Ход работы: направим через один из поляризаторов на окно луч солнца. Расположим второй поляризатор за первым и станем его вращать. В определенном положении свет через два поляризатора не будет проходить, а на месте падения старого луча на окно останется темное пятно.

Вывод: мы получили поляризованный свет, а также подтвердили его получение с помощью второго поляризатора- анализатора.

Направим луч солнца через поляризатор, анализатор будем вращать. Изменяя угол, мы получим поляризованный свет с четкой картинкой.

Опыт 2

Главная деталь поляризационных очков для машиниста – это очковые линзы c поляризацией, блокирующие световые лучи, отражённые от горизонтальной плоскости. Oбычнo oни пpeдcтaвляют coбoй кoнcтpукцию из нecкoлькиx cлoeв, в cocтaв кoтopoй вxoдит тoнчaйшaя плёнкa. Блaгoдapя ocoбoму pacпoлoжeнию в oчкax oнa пpoпуcкaeт тoлькo лучи c вepтикaльнoй пoляpизaциeй, пo этoй пpичинe cвeт, oтpaжeнный oт гopизoнтaли нe пpoникaeт cквoзь oптику. Линзы имeют тpи cлoя. Пocpeдинe pacпoлaгaeтcя пpoзpaчнaя плeнкa, c внeшнeй cтopoны тoниpoвaнныe cтёклa.

.Мы взяли старый кнопочный телефон, отделили от него дисплей и решили проверить на наличие поляризационный решетки. Меняя угол дисплея, мы видим как меняется яркость света. Под углом 90° мы замечаем то, что дисплей не пропускает лучи. Именно так созданы очки для машинистов.

Опыт 3

Еще один способ получения поляризованного света – отражение от диэлектрика. Когда свет падает на границу раздела двух сред, луч разделяется на отраженный и преломленный. При этом лучи являются частично поляризованными, а степень их поляризации зависит от угла падения. Этот способ применяют в диагностике двух сред.

Заключение

Поляроиды широко применяются для уменьшения зрительного напряжения и повышения зрительного комфорта, улучшения качества зрения и обеспечение полной защиты от вредного воздействия солнечного ультрафиолетового излучение, от усталости глаз, увеличения контраста и четкости изображения, повышения безопасности.

Список используемой литературы:

1. https://propolyethylene.ru/plenka/polyarizacionnaya.html

2. https://svetilov.ru/teoriya/chto-takoe-polyarizaciya-svets

3. https://asutpp-ru.turbopages.org/asutpp.ru/s/elektromagnitnye-volny.html

4. https://zaochnik.ru/blog/polyarizaciya-svets-dlya-chajnikov-opredelenie-sut- yavleniya-i-sushhnost/

5. https://multiurok.ru/indix.php/files/priezientatsiia-po-temie-poliarizatsiia-svieta-za.html

Приложение

Опыт №1.

Опыт №2

Опыт №3