基于LabVIEW的“馬呂斯定律驗證”實驗

王建中,黃 林,王伶俐,王應(yīng)輝

(華中師范大學(xué),湖北武漢 430079)

基于LabVIEW的“馬呂斯定律驗證”實驗

王建中,黃 林,王伶俐,王應(yīng)輝

(華中師范大學(xué),湖北武漢 430079)

對基于PASCO的“馬呂斯定律驗證”實驗進行了改進。利用編寫的LabVIEW程序控制PASCO實驗系統(tǒng)的ScienceWorkshop750數(shù)據(jù)采集器,同時結(jié)合光傳感器CI-6504驗證馬呂斯定律,實驗數(shù)據(jù)用Origin軟件進行處理,所得實驗曲線與理論關(guān)系符合較好。

馬呂斯定律;LabVIEW;光的偏振

馬呂斯定律是定量描述光的偏振現(xiàn)象的重要定律。在大學(xué)本科階段的物理實驗中,一般都以不同形式開設(shè)了有關(guān)偏振光性質(zhì)的演示、測量或探究類的實驗選題[1],其中大多包含“馬呂斯定律驗證”的內(nèi)容,目的是為了幫助學(xué)生加深對該定律的認識以及對偏振光的了解[2]。

曾采用PASCO實驗系統(tǒng)在我校本科生實驗中開設(shè)過“馬呂斯定律驗證”的內(nèi)容。但在實驗教學(xué)中發(fā)現(xiàn),該實驗需采用性能較高的光傳感器和偏振片,否則會造成實驗測量值與理論值差距較大。同時也發(fā)現(xiàn)使用PASCO實驗系統(tǒng)自帶的DataStudio程序及相應(yīng)光學(xué)組件進行實驗時,系統(tǒng)存在一些缺陷,主要有以下兩個方面:其一是系統(tǒng)只能以程序預(yù)設(shè)的功能進行數(shù)據(jù)采集與實驗,同時程序自帶的某些功能在實驗中并不一定需要;其二是利用DataStudio程序繪制偏振片透振方向夾角余弦的平方值與相對光強間的關(guān)系曲線時,實驗所得曲線與理論曲線相比誤差偏大。分析主要原因應(yīng)該是由于PASCO實驗系統(tǒng)的DataStudio程序在繪制曲線時,沒有將采集過程中誤差較大的點進行剔除,因此需要做必要的改進。

LabVIEW是美國NI公司開發(fā)的圖形化編程語言,因其編程簡單而得到廣泛應(yīng)用[3-4]。利用各硬件廠商在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)的驅(qū)動,可以實現(xiàn)對相關(guān)硬件的控制從而進行數(shù)據(jù)的采集和測量。PASCO實驗系統(tǒng)已由生產(chǎn)商在Lab-VIEW環(huán)境下開發(fā)了相應(yīng)的驅(qū)動程序,用其控制ScienceWorkshop750,同時結(jié)合光傳感器 CI-6504A及相應(yīng)光學(xué)組件進行實驗,取得了較好的效果。

1 原理與裝置

當一束自然光通過偏振片A和B,見圖1。

圖1 馬呂斯定律示意圖

設(shè)偏振片間的透振方向夾角為φ,經(jīng)過起偏器A形成的線偏振光強度為I0,則通過檢偏器B的透射光強(相對光強)I將滿足如下關(guān)系(馬呂斯定律)[5]:

I=I0cos2φ(1)

可以讓學(xué)生用實驗手段驗證或者探究(驗證)該定律。

圖2 實驗裝置結(jié)構(gòu)框圖

本實驗測量裝置是“基于LabVIEW”開發(fā)的,其結(jié)構(gòu)示意框圖(各部件連接方法)如圖2所示。氦氖激光器作為實驗光源,激光依次通過偏振片A和B后,透射光強(相對光強)利用我們編寫的LabVIEW應(yīng)用程序控制ScienceWorkshop 750,并結(jié)合 CI-6504A進行測量。測量完畢之后,將采集到的實驗數(shù)據(jù)通過程序傳送至Origin軟件中進行處理,即可得到偏振片透振方向夾角余弦的平方值與相對光強之間的關(guān)系曲線,同時也可得到透振方向的夾角與相對光強之間的關(guān)系曲線。

2 實驗控制程序設(shè)計

實驗的LabVIEW應(yīng)用程序按功能可劃分為四個模塊,分別是光強測量模塊、角度測量模塊、數(shù)據(jù)傳遞模塊、數(shù)據(jù)清零模塊。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 實驗程序結(jié)構(gòu)框圖

2.1 光強測量模塊

本模塊在編寫過程中,利用了 PASCO公司提供的 PASCOSW750.llb和 SW750Bridge.dll兩個文件。在PASCOSW750.llb文件中包含一些可以對ScienceWorkshop 750進行控制的vi,我們主要用到了其中的三個:SW750_Config.vi、SW750_Start.vi和 SW750_Single_Scan.vi。通過對它們的調(diào)用,并結(jié)合光傳感器CI-6504A,即可實現(xiàn)相對光強的測量。

2.2 角度測量模塊

偏振片上的刻度是10度一格,實驗時選取偏振片透振方向夾角為零時作為起始位置,在檢偏器每旋轉(zhuǎn)10度測量一次相對光強的同時,偏振片透振方向夾角 φ的值由程序按10度(或20度……)的步進自動增加并存儲。

2.3 數(shù)據(jù)傳遞模塊

LabVIEW和Origin數(shù)據(jù)傳遞通過調(diào)用Origin程序提供的 OA-Connect ToOrigin.vi、OAFindworksheet.vi、OA-GetColumn.vi以及 OACol-SetData.vi(它們均包在Origin程序安裝路徑下的OriginApp_LV7.llb文件中)等四個vi來實現(xiàn)。通過它們可將偏振片間透振方向夾角的大小(或夾角余弦的平方值)以及所對應(yīng)的相對光強值傳送到Origin中進行處理。

2.4 數(shù)據(jù)清零模塊

在實驗完畢后,將采集到的所有實驗數(shù)據(jù)清空,方便下次測量。

本實驗的LabVIEW應(yīng)用程序前面板圖和程序框圖分別見圖4、圖5。

圖4 實驗程序的前面板

圖5 馬呂斯定律驗證系統(tǒng)的程序框圖

前面板主要由實驗數(shù)據(jù)顯示區(qū)和程序控制區(qū)兩部分組成。實驗數(shù)據(jù)顯示區(qū)的主要作用是將偏振片間透振方向的夾角和與其對應(yīng)的相對光強一同顯示出來,方便學(xué)生觀察。而程序控制區(qū)的主要作用是在實驗完成之后,由學(xué)生選擇利用Origin生成偏振片透振方向的夾角與相對光強關(guān)系曲線或者是夾角余弦的平方值與相對光強關(guān)系曲線。

3 實驗測量

本文前面已提及,PASCO實驗系統(tǒng)提供的偏振片刻度是10度一格,實驗時將偏振片間透振方向夾角為零時作為起始位置(此時相對光強值也最大),起偏器固定不動,只旋轉(zhuǎn)檢偏器,每旋轉(zhuǎn)10度測量一次相對光強。當然也可以每旋轉(zhuǎn)20度、30度……測量一次,但這樣旋轉(zhuǎn)一周采集的點較少,描繪實驗曲線時精確會下降。在實際測量中,偏振片透振方向夾角φ的值由程序按10度的步進自動增加并存儲。

相對光強 I的測量則依靠光傳感器 CI-6504A,它能將光強變化轉(zhuǎn)為電壓變化,且在量程范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。所以在測量相對光強時,可直接將CI-6504A的輸出電壓大小作為相對光強的值。實驗過程中測得的所有數(shù)據(jù)(偏振片透振方向的夾角、夾角余弦的平方、相對光強)在程序中均以數(shù)組形式存儲。表1是從中摘錄出的實測數(shù)據(jù)。

表1 在不同夾角下(起偏器A與檢偏器B透振方向的夾角)測得的相對光強

利用實驗程序,得到偏振片間透振方向夾角φ與相對光強的關(guān)系曲線,以及透振方向夾角 φ的余弦平方值與相對光強的關(guān)系曲線(如圖5和6所示)。需要指出的是,在獲得圖6所示曲線過程中,為了減少偏振片和環(huán)境光造成的誤差,提高繪制曲線的準確程度,我們僅利用了 φ在0°～90°(當然也可以取90°～180°……等)范圍內(nèi)的實驗數(shù)據(jù)來繪制該曲線。從兩條關(guān)系曲線可知與馬呂斯定律符合較好。

圖6 相對光強與夾角的關(guān)系

圖7 夾角余弦的平方與相對光強的關(guān)系

4 分析與討論

從以上實驗及其結(jié)果可知,實驗整體效果較好,對實驗的改進是有效的。在學(xué)生與教師對實驗的共同探討過程中,也發(fā)現(xiàn)了一些值得進一步探討的問題。

首先從圖5以及表1可以發(fā)現(xiàn),當偏振片透振方向的夾角 φ在0°～360°范圍內(nèi)變化時,相對光強的大小與夾角間的關(guān)系并不嚴格滿足I=I0·cos2φ的函數(shù)關(guān)系。由表達式(1)以及三角函數(shù)的周期性可知,當夾角 φ分別取0°和180°(或10°和190°……等)時,相對光強的大小應(yīng)該一樣,但實際上它們之間存在一個微小的差異。其次從圖6可以看出,其函數(shù)關(guān)系并非嚴格的線性關(guān)系(即一條直線),只在0°～80°范圍內(nèi)呈線性關(guān)系,在這個范圍之外,直線的上端和下端都略有彎曲。

我們認為造成如圖5圖6所示曲線與理論曲線略有偏差的可能原因有三。其一是受目前制造工藝制約[6],偏振膜染色的均勻性還無法做到嚴格一致,每個地方都略有不同,而這會直接影響到偏振片的偏振度和透過率。如果激光束沒有照射到偏振片的圓心上,隨著檢偏器的旋轉(zhuǎn),激光束會依次照射到其不同部位,并且受制造工藝制約,在偏振片的透振方向為時依然有光通過。其二是受環(huán)境光的影響,實驗所測量的相對光強僅僅指透過檢偏器的“激光光強”,但在測量過程中,由于環(huán)境光的影響,“相對光強”值中有一部分是環(huán)境光,在偏振片透振方向的夾角較小時,其影響可以忽略,但當透振方向的夾角較大時,影響就不能忽視。其三是由于受光傳感器熱噪聲的影響(其大小有一定的隨機性),即使在入射光光強為零時,依然有讀數(shù)顯示。綜上所述,受以上三種因素的共同影響,造成圖5圖6所示曲線與理論曲線相比略有不同。

最后需要特別指出的是,偏振片經(jīng)過長期使用(或性能本身較差),還必須額外考慮其退偏效應(yīng),否則也會給實驗帶來一定誤差。

[1]謝行恕,康士秀,霍劍青.大學(xué)物理實驗:第二冊[M].北京:高等教育出版社,2001.

[2]路峻嶺.物理演示實驗教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[3]龍華偉.LabVIEW 8.2.1與DAQ數(shù)據(jù)采集[M].北京:清華大學(xué)出版社 ,2008.

[4]陸綺榮.基于虛擬儀器技術(shù)個人實驗室的構(gòu)建[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[5]姚啟鈞.光學(xué)教程[M].北京:高等教育出版社,2006.

[6]龔建勛.偏振片研究進展[J],液晶與顯示,2004,19(4):259-264.

Based on LabVIEW’s Malus’Law Experiment

WANGJian-zhong,HUANG Lin,WANG Ling-li,WANG Ying-hui

(Huazhong Nomal University,Wuhan 430079)

In this paper,the author makes an improvement in based on Pasco’s the“Malus Law”experiment.The researcher has taken the experiment with the LabVIEW program control PASCOsystem Science Work shop 750 data acquisition in conjunction with the application of the optical sensor CI-6504tOverify the Malus law.The experimental data has been processed by the Origin software.As the result,the experimental curve is in good agreement with the theoretical relationship.

Malus law;LabVIEW;polarization

O4-33

A

1007-2934(2011)04-0066-04

2010-12-10