Справочная база данных по применению поляризованного света в медицине. Практическое применение явления поляризации Применения поляризованного света в безопасности

Явление поляризации света – это оптический феномен, находящий применение в технике, но не встречающийся в повседневной жизни. Поляризованный свет буквально окружает нас, но человеческому глазу поляризация практически недоступна. Мы страдаем «поляризационной слепотой».

В своей книге «Трактат о свете» Христиан Гюйгенс описывает удивительное явление, обнаруженное им в опытах с прозрачными кристаллами исландского шпата: если про­пустить свет через кристалл шпата, то после вторичного прохождения света через такой же кристалл, при определенной ориентации све­тового луча и кристалла, луч практически полностью исчезает. Отсюда можно заключить, что в результате действия на свет первого крис­талла вышедшая из него световая волна оказывается не такой, какой она была до этого. Впоследствии французский ученый Э. Малюс назвал это явление поляризацией света.

В электромагнитной теории света поляризация световых волн объясняется следующим образом.

Естественный свет, создаваемый солнцем или какими-либо обычными источниками, например лампами, представляет собой совокупность волн, излучаемых огромным количеством атомов. В таком свете колебания вектора Е происходит по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения света (рис.22.1). Если пучок естественного света пропустить через, например, кристалл турмалина, то свет окажется поляризованным. Это связано с тем, что некоторые кристаллы (особенно турмалин) обладают свойством пропускать световые волны только в одной плоскости, совпадающей с осью симметрии кристалла и при прохождении через кристалл будет пропущена лишь та часть падающего естественного света, в которой вектор напряжённости Е ориентирован параллельно оси кристалла.

Процесс ориентации колебаний вектора Е световой волны в определённом направлении называется поляризацией .

Поляризованной волной называется такая поперечная волна, в которой колебания всех частиц происходит в одной плоскости.

Плоскость, проходящая через электрический вектор Е и направление распространения электромагнитной волны, является плоскостью поляризации (плоскостью колебаний).

Если за первым кристаллом поставить второй кристалл, то до него уже доходит поляризованный свет (рис. 22.2). При параллельном расположении осей обоих кристаллов ничего интересного не произойдёт. Если же второй кристалл вращать, оставляя первый неподвижным, то по мере увеличения угла между их осями интенсивность прошедшего света будет постепенно уменьшаться и при взаимоперпендикулярном расположении осей обратится в нуль. В этом случае, в падающем на второй кристалл световой волне не будет присутствовать колебания вектора Е, параллельные оси кристалла, и потому этот кристалл не пропустит свет, полностью поглотив его.

Поляризованную волну можно получить с помощью резинового шнура, если на его пути поставить преграду с тонкой щелью. Щель пропустит только те колебания, которые происходят вдоль неё (рис.22.3). Плоскополяризованную волну излучает отдельный атом.

Устройство, выделяющее колебания, происходящие в одной плоскости, и позволяющее получать поляризованный свет из естественного света называется поляризатором .

Устройство, позволяющее определить плоскость поляризации (вторая щель) называется анализатором

Если на анализатор падает поляризованный луч, плоскость поляризации которого составляет угол α с плоскостью поляризации анализатора, то интенсивность прошедшего сквозь анализатор луча определяется законом Малюса (рис. 22.4):

I = I 0 cos 2 α (22.1)

Если α =π/2, то будет полное затмение поля зрения.

Поляризованный свет часто используется для гашения света, зеркально отраженного от гладких диэлектрических поверхностей. На этом принципе устроены, например, поляроидные солнечные очки. Когда естественный неполяризованный свет падает на поверхность водоема, часть его зеркально отражается и при этом поляризуется. Этот отраженный свет мешает видеть предметы, расположенные под водой. Если смотреть на воду через соответствующим образом ориентированный поляризатор, то большая часть зеркально отраженного света будет поглощаться и видимость подводных объектов значительно улучшится. При наблюдении через такие очки «шум» - свет, отраженный от поверхности, - уменьшается в 5-20 раз, а «сигнал» - свет от подводных объектов - уменьшается всего в 2-4 раза. Таким образом, отношение сигнала к «шуму» значительно возрастает.

Поляризационная микроскопия. В ряде исследований широко применяется поляризационная микроскопия. Поляризационный микроскоп снабжен двумя поляризационными призмами или двумя поляроидами. Один из них - поляризатор - расположен перед конденсором, а второй - анализатор - за объективом. В последние годы в поляризационные микроскопы вводят специальные поляризационные компенсаторы, значительно повышающие чувствительность и контраст. С помощью микроскопов с компенсаторами были обнаружены и сфотографированы такие мелкие и неконтрастные объекты, как внутриклеточные двоякопреломляющие структуры и детали строения ядер клетки, которые невозможно обнаружить другим способом.

Усиление контраста. Поляризационные фильтры часто используют для повышения контраста прозрачных и малоконтрастных элементов. Так, например, их применяют при фотосъемке облачного неба с целью усиления контраста между облаками и чистым небом. Свет, рассеянный облаками, почти совсем неполяризован, свет же ясного голубого неба поляризован значительно. Применение поляризационных фильтров является самым эффективным средством усиления контраста.

Кристаллографические исследования и фотоупругий анализ. В кристаллографии поляризационные исследования проводят особенно часто. Многие кристаллы и ориентированные полимерные материалы обладают значительным двойным лучепреломлением и дихроизмом. Изучая эти характеристики и определяя направление соответствующих осей, можно проводить идентификацию материалов, а также получать данные о химической структуре новых веществ.

Особое значение в технике имеет фотоупругий анализ . Это метод, позволяющий по сдвигу фаз судить о механических напряжениях. Для проведения фотоупругого анализа исследуемую деталь изготовляют из прозрачного материала с высоким коэффициентом фотоупругости. Основная часть установки для фотоанализа - полярископ, состоящий из осветительной системы, поляризатора, анализатора и окуляра. Если плоскую стеклянную полосу подвергнуть растяжению, то стекло окажется несколько деформированным, в нем возникнут механические напряжения. Вследствие этого оно станет двоякопреломляющим и будет сдвигать фазу световой волны. Измеряя сдвиг фазы, можно определить величину напряжения.

Метод фотоупругого анализа может быть применен и в офтальмологии, так как в оболочках глаза обнаружены фотоупругие явления.

Применение поляризованного света необычайно широко.

1. В дефектоскопии, когда конструкторы и архитекторы, разрабатывая проекты новых машин и сооружений и рассчитывая отдельные узлы, должны знать, как распределится нагрузка в данном узле, в каких частях она будет наибольшей. С этой целью изготовляется точная модель детали из целлулоида и просматривается в поляризованном свете. Подвергая модель различным нагрузкам, мы ясно увидим на целлулоиде все узлы напряжений и легко можем определить, где нужно усилить конструкцию или, наоборот, облегчить.

2. Геологи, исследуя в поляризованном свете различные минералы и изделия, могут безошибочно отличить природные от искусственных, поддельные от настоящих.

3. Фотографы, выполняя репродукции с картин в застекленных рамах, могут легко уничтожить мешающие им блики от стекла, надевая на объектив поляризационный фильтр.

4. Водителям автомашин в ночное время очень мешают вести машину слепящие фары встречных машин. Надев поляризационные очки, водитель избавляется от этих помех.

5. Поляризационные очки используют для разделения картинок предназначенных для левого и правого глаза в стереокино (направление поляризации линзы левого и правого глаза ортогонально).

6. Поляризационный бинокль помогает капитанам кораблей вести корабль по правильному курсу, уничтожая при наблюдении мешающие световые блики на морских волнах.

7. Применяя поляризованный свет в стекольной промышленности, легко проверить правильность и равномерность закалки стекла.

8. Поляризованный свет используют в быстродействующих затворах (выдержка <1 мс) благодаря магнитооптическому эффекту Фарадея.

9. Поляризованный свет используют также в жидкокристаллических дисплеях, принцип работы которого основан на вращении плоскости поляризации и изменении интенсивности световой волны в соответствии с законом Малюса.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ландсберг С.Г. Оптика. М.: Наука, 1976.

2. Матвеев А.Н. Оптика. М.: Высшая школа, 1985.

3. Королев Ф.А. Курс физики: Оптика, атомная и ядерная физика. М.: Просвещение, 1974.

4. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. - М.: Высшая школа, 2002.

5. Зисман Г.А. и Тодес О.М. Курс общей физика: В 3-х т. М.: Наука, 1972, т.3.

Балятинская Ульяна, ученица 11 класса

В работе приводится наглядный материал к урку по теме "Практическое применение явления поляризации"

Скачать:

Предварительный просмотр:

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Применение поляризации света Выполнила ученица 11 класса Балятинская Ульяна

Поляризационные микроскопы В основе принципа действия поляризационных микроскопов лежит получение изображения исследуемого объекта при его облучении поляризационными лучами, которые в свою очередь должны быть сгенерированы из обычного света с помощью специального прибора - поляризатора.

Очень часто при отражении от снежного покрова, поверхности воды, мокрого снега, стекла образуется режущий глаза яркий свет,они называются « бликами». Эти « блики « понижают качество фотографий, мешают рыбакам при рыбной ловле, ухудшают видимость водителям автомашин. Для подавления отраженного света применяется поляризационные линзы в очках, светофильтры в фотоаппаратах.

Солнцезащитные поляризационные очки Поляризационные очки защищают глаза от ослепляющих бликов, которые представляют собой отраженный от различных поверхностей свет. Световые лучи отражаются от дорожного полотна, лежащего на земле снега, от водной поверхности, от стен и крыш домов. Эти отраженные световые лучи образуют блики. Блики ухудшают качество зрения, мешают видеть детали, яркие блики ослепляют. Отражение тем сильнее, чем выше отражающая способность поверхности. Например, сильно отражаются солнечные лучи от мокрого дорожного полотна, особенно когда солнце стоит низко над горизонтом. Ослепление водителя в этих ситуациях увеличивает риск возникновения аварийной ситуации на дороге. Солнцезащитные поляризационные очки обладают способностью блокировать отраженные световые лучи и таким образом улучшают качество зрение, повышают контраст изображения, увеличивают зрительный комфорт в целом. Устройство поляризационных очков В поляризационных очках установлены специальные поляризационные очковые линзы, обладающие способностью блокировать отраженный от горизонтальных поверхностей солнечный свет. Поляризационные линзы обычно представляют собой многослойную конструкцию, внутри которой находится прозрачная поляризационная пленка. Поляризационная пленка установлена в линзы так, что она пропускает свет, имеющий только вертикальную поляризацию. Световые лучи, отраженные от горизонтальных поверхностей (заснеженного поля, водной поверхности и др.), имеют, наоборот, горизонтальную поляризацию и поэтому не проходят через поляризационные линзы. В то же время лучи, исходящие от других объектов, неполяризованные и поэтому проходят через поляризационные линзы и формируют четкое изображение на сетчатке глаза.

Технологии производства очков можно свести к двум. В первом случае кристаллы поляризующего вещества наносят на пленку, которую вклеивают между двух пластиковых пластин, образующих линзу очков. Эта технология наиболее дешевая. Вторая технология состоит в размещении кристалов поляризующего вещества непосредственно в стекле линзы очков. Эта технология значительно дороже по стоимости, но и качество изготовления таких очков существенно выше. Чем дешевле очки, тем тоньше в них линзы и тоньше слой поляризующего вещества. Прямое следствие этого - плохой уровень поляризации. Хорошие очки стоят довольно дорого, но всегда оправдывают потраченные на них средства. Если говорить о ценах, то вполне приличные очки стоят от 50 до 100 американских долларов.

Выбор цвета очков Серый хорошо подходит для яркого солнечного дня. Цвета передаются практически без искажений, позволяя видеть вещи с их натуральными оттенками. Если вы хотите найти компромисс между хорошим контрастом и натуральными оттенкам, выбирайте коричневый. Оранжевый (медный) цвет практически универсален, но наиболее хорош в облачную погоду. Наибольшее количество известных рыбаков, для которых успех рыбалки во многом состоит в способности увидеть рыбу, пользуются именно такими линзами Если вы ловите рыбу ранним утром и ближе к вечеру, то желтый цвет линз наиболее предпочтителен так как позволяет пользоваться ими в условиях исключительно низкой освещенности. Только не стоит надевать такие очки в солнечную погоду потому, так как глазам требуется более серьезная защита.

Обычные солнцезащитные очки просто затемняют видимую среду, не защищают от бликов. Очки с поляризационными линзами препятствуют проникновению отраженного от различных предметов света, пропускают только свет, полезный для глаза человека.

Поляризационные светофильтры Невозможно представить современную фотографию без поляризационных светофильтров. Он представляет собой пластинку из специального материала, укрепленную между двумя плоскими стеклами и поляризующую свет. Вся это система монтируется в специальной вращающейся оправе, на которой наносится метка, показывающая положение плоскости поляризации. Поляризационный светофильтр увеличивает на фотографии резкость и чистоту цвета, помогает устранить блики. За счет этого на фотографии лучше проявляется собственный цвет предметов, увеличивается насыщенность цвета.

Устройство ЖК-монитора. C остоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами и двух поляризационных фильтров, плоскости поляризации которых перпендикулярны. В отсутствие жидких кристаллов свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокируется вторым.Молекулы в отсутствие электрического напряжения между электродами выстраиваются в винтовую структуру, при этом до второго фильтра плоскость поляризации поворачивается на 90 º и свет через вертикальный фильтр проходит уже без потерь. Если же к электродам приложено напряжение, молекулы стремятся выстроиться в направлении поля, что искажает винтовую структуру. При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Изменяя напряжение между электродами, можно управлять световым потоком, проходящим через монитор. При этом светятся не экраны телевизоров, а тонкий слой жидкого кристалла.

Поляризованный свет прибора Биоптрон оказывает регулирующее действие на многие физиологические процессы в организме, на иммунную систему, обладает противовоспалительным, иммуномодулирующим, анальгезирующим действием, стимулирует регенерацию тканей. Под влиянием поляризованного света увеличивается энергетическая активность клеточной мембраны, поглощение кислорода тканями, улучшаются реологические свойства крови и микроциркуляция, газообменная и транспортная функция крови, изменяется функциональная активность всех циркулирующих лейкоцитов.

Интересные факты, связанные с поляризацией света Солнечный свет в определенном направлении от Солнца является поляризованным. Поляризация солнечных лучей происходит в результате отражения от молекул воздуха и преломления на капельках воды Поэтому с помощью поляроида можно полностью закрыть радугу Многие насекомые в отли - чие от человека видят поляризованный свет. Пчелы и муравьи хорошо ориентируются даже тогда, когда Солнце скрыто за облаками. В глазе человека молекулы светочувстви - тельного пигмента родоп - сина расположены беспо - рядочно, а в глазе насеко - те же молекулы уложены аккуратными рядами, ориентированы в одном направлении, что и позво – ляет им сильнее реагиро - вать на тот свет, колебания которого соответствуют плоскости размещения молекул.

Поворачивая кристалл и следя за изменением проходящего через него рассеянного атмосферой солнечного света, викинги могли на основании таких наблюдений определить направление на Солнце, даже если оно находится ниже линии горизонта.

Спасибо за внимание

Блики представляют собой концентрацию световых лучей при их отражении от блестящих поверхностей.

Человеческому глазу становится сложно обеспечить четкость зрительного восприятия.

Блокировка неприятных горизонтальных лучей носит название поляризации.

Поляризационная слепота человека

Окружающий в повседневной жизни человека свет имеет три характеристики:

• Яркость;
• Длину волны. Её определяют в виде цветовой палитры окружающего мира;
• Поляризацию.

Последняя характеристика недоступна человеку. Можно провести опыты со специальными фильтрами, чтобы понять о каком явлении идёт речь. Однако представить мир таким, как он выглядит, в результатах опытов почти невозможно.

Большинство животных и насекомых могут различать поляризацию света.

При помощи фотопринадлежностей, рассматривая голубое небо, можно увидеть появление особой тёмной полосы. Эффект проявляется при повороте фильтров в случаях размещения солнца сбоку.

Сложные манипуляции. Каждая пчела способна различать данный эффект без любых приспособлений. Однако, далеко не факт, что она видит такую же полосу.

Исследования в данной области были начаты ещё в 1690 году Х.Гюйгенсом, а затем продолжены И.Ньютоном и Дж.Максвеллом, чтобы в 1844 Хайдингер смог сделать удивительное открытие.

Далеко не все люди равнодушны к поляризации света. Глаза некоторых способны различать её без специальных приборов или фильтров.

Им достаточно смотреть на однородное поле, освещенное поляризованным светом, чтобы увидеть фигуру Хайдингера. Она напоминает эллипс, сдавленный в центре. Её окрас приближен к светло-желтому, а фон кажется голубым.

Видеть подобную картину возможно всего лишь несколько секунд. Расположение фигуры всегда строго перпендикулярно поляризационным лучам.

Применение исследований поляризации в офтальмологии

Исследования в линейно поляризованном и циркулярнополяризованном свете подтвердили, что люди, обладающие способностью видеть фигуру, наблюдают её в обоих случаях.

В результате возникло предположение, что некоторым сферам глаза под силу оказывать двойное преломление света. Также было установлено, что полным качеством отличается именно сетчатка глаза или её поверхность.

При обращении человека к офтальмологу по причине ослабления зрения и сохранении способности видеть уникальную фигуру, специалист исключает заболевания, связанные с сетчаткой.

Утрата способности видеть фигуру неизменно связана с повреждением сетчатки.

При установке поляризатора в лучевой канал исследователям удалось изучить анатомические особенности строения глаза. Первые опыты в данном направления были проведены еще в 1920 году, но тогда не хватило возможностей техники.

Возобновили исследования японские ученые, подтвердившие предположения о пересечении волокон в центральной части роговицы по принципу сетки.

Для своих экспериментов они использовали волновую пластинку, с помощью которой смогли собрать максимально точные данные о световых лучах, отражающихся от прозрачных элементов глаза.

Защита глаза с помощью поляризации света

Водители, рыбаки, лыжники прекрасно знают, насколько серьёзные нагрузки приходится испытывать глазам. Человеку необходимо сохранять скорость реакции на непредвиденные ситуации.

Обычные солнцезащитные очки не способны подавить агрессивное воздействие бликов на поверхность глаза, заставляя щуриться.

Помимо определенного дискомфорта блики вызывают и серьезную усталость глаз, вызывая кратковременную, но значительную потерю остроты зрения.

Длительные исследования в области защиты от негативных явлений приобрели реальное воплощение с развитием технического прогресса.

Использование поляризационных линз в очках полностью блокируют блики. Если оптические свойства линзы сохранены при получении необходимого изгиба, человек не будет испытывать дискомфорта, рассматривая мир сквозь линзы таких очков.

Разница между обычными солнечными очками и очками с поляризационными линзами огромна.

Они не только блокируют яркие пучки света, но и представляют мир максимально контрастным, что позволяет моментально заметить любое изменение, а значит и своевременно среагировать на него.
Качественно разработанные модели поляризационных очков абсолютно комфортные, не вызывают ощущения усталости даже при длительном использовании.

Профессиональное использование оптического эффекта

Неспособность человеческого глаза различить многие контрасты в обычном дневном свете вовсе не означает отсутствие возможности оценить всю глубину и красоту момента.

Профессиональные фотографы прекрасно знают, что специальные фильтры позволяют увидеть истинное расстояние между почти прозрачными объектами.

Облака на фоне голубого неба выглядят невероятно пушистыми, объёмными.

Исследования учёных в области оптики позволили создать самый чувствительный микроскоп.

В его конструкцию включены поляризаторы и поляризационные компенсаторы, что позволяет получить максимальную четкость и контрастность мельчайших частиц, существование которых до этого даже не было определено.

Одним из подобных открытий стало определение элементов ядра клетки. Сейчас многие учёные даже не представляют свою работу без столь точной техники.

Поляризация активно используется во многих сферах человеческой жизни. Даже развлекательная индустрия не осталась в стороне, предложив любителям кино оценить фильмы в формате 3D.

Использование фильтров для разделения информации для каждого глаза, чтобы в результате получить абсолютно новое изображение, полностью меняющее представление о возможностях человеческого глаза и многогранности мира.