便攜式偏振光課堂演示儀

袁其東，李朝陽(yáng)

（杭州師范大學(xué)理學(xué)院，浙江 杭州310036）

光的偏振證實(shí)了光的橫波性質(zhì)，是大學(xué)物理教學(xué)中的重要內(nèi)容［1］.線(xiàn)偏振光通過(guò)某些旋光物質(zhì)時(shí)，光的振動(dòng)面會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋光儀和糖量計(jì)就是根據(jù)這一原理設(shè)計(jì)的.另外，紅外線(xiàn)偏振光具有光熱效應(yīng)［2］，利用這些性質(zhì)，紅外線(xiàn)偏振光在臨床上可以用來(lái)治療偏頭痛［3-4］.因此，光的偏振也是各醫(yī)學(xué)院校醫(yī)用物理學(xué)課程的重要教學(xué)內(nèi)容.本文設(shè)計(jì)制作了一款便攜式偏振光課堂演示實(shí)驗(yàn)儀，目的是為了探索演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)課堂的可行性，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)抽象的物理知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)，從而提高課堂理論教學(xué)效果.便攜式偏振光課堂演示實(shí)驗(yàn)儀具有體積小、重量輕、不需外接電源、課堂演示效果好等優(yōu)點(diǎn)，能很好地表現(xiàn)偏振光的各類(lèi)性質(zhì)，驗(yàn)證馬呂斯定律，還能演示葡萄糖溶液的旋光性，從而揭示糖量計(jì)的工作原理等功能.實(shí)踐證明，演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)課堂能有效地提高理論課的教學(xué)效果［5-7］.

1 偏振光

圖1 馬呂斯定律Fig.1 Malus Law

光是電磁波，光波中電場(chǎng)強(qiáng)度矢量E的振動(dòng)稱(chēng)為光振動(dòng).在與光傳播方向垂直的平面內(nèi)，自然光的E矢量在該平面內(nèi)各個(gè)方向上出現(xiàn)的概率相等，振幅相同，而線(xiàn)偏振光的E矢量只沿著一個(gè)固定的方向.人的肉眼無(wú)法分辨光波的振動(dòng)方向，需要借助于偏振片來(lái)確定.如圖1 所示，當(dāng)自然光從S出發(fā)，通過(guò)起偏器P 以后成為線(xiàn)偏振光.如果線(xiàn)偏振光的強(qiáng)度為I0，振動(dòng)方向與檢偏器A 的偏振化方向一致時(shí)，線(xiàn)偏振光能全部通過(guò)檢偏器A，強(qiáng)度仍為I0.旋轉(zhuǎn)檢偏器A 90°，使線(xiàn)偏振光的振動(dòng)方向與檢偏器A 的偏振化方向垂直，則線(xiàn)偏振光完全不能通過(guò)檢偏器A，即透過(guò)檢偏器A 的光強(qiáng)度為零，這在物理學(xué)上稱(chēng)為消光現(xiàn)象.當(dāng)強(qiáng)度為I0的線(xiàn)偏振光的振動(dòng)方向與檢偏器的偏振化方向成一任意角度θ時(shí)，通過(guò)檢偏器A 的光強(qiáng)度I＝I0cos2θ，這一公式稱(chēng)為馬呂斯定律.

當(dāng)線(xiàn)偏振光通過(guò)某些透明物質(zhì)時(shí)，它的光振動(dòng)方向?qū)⒁怨獾膫鞑シ较驗(yàn)檩S旋轉(zhuǎn)一定的角度，這種現(xiàn)象稱(chēng)為旋光現(xiàn)象.對(duì)于葡萄糖溶液而言，線(xiàn)偏振光的光振動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)的角度φ與葡萄糖溶液的濃度c成正比，其關(guān)系可用φ＝cαL表示.式中：L為光通過(guò)葡萄糖溶液的長(zhǎng)度，α為比例系數(shù).對(duì)于固定波長(zhǎng)的線(xiàn)偏振光通過(guò)固定長(zhǎng)度的葡萄糖溶液時(shí)，其偏轉(zhuǎn)的角度只與葡萄糖溶液的濃度有關(guān).在醫(yī)學(xué)上，糖量計(jì)就是根據(jù)這一原理設(shè)計(jì)的.

2 偏振光課堂演示儀

圖2 偏振光演示儀Fig.2 The polarized light demo instrument

在大學(xué)物理、醫(yī)學(xué)物理課堂教學(xué)中，為了讓學(xué)生對(duì)偏振光的相關(guān)內(nèi)容有一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)，我們根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)制作了一款偏振光課堂教學(xué)演示儀，如圖2 所示，演示儀包括底座、激光筆、起偏器、玻璃水槽和檢偏器.相比于市場(chǎng)其他的同類(lèi)產(chǎn)品，它具有如下優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn).

2.1 小巧易于攜帶

儀器整體框架由鋁合金焊接而成，長(zhǎng)、寬、高分別為50、30、35 cm.鑲嵌偏振片的轉(zhuǎn)盤(pán)由塑料制作而成.演示儀的主要構(gòu)件采用低密度的鋁合金和塑料，可以減輕儀器重量，整套演示儀及其配件僅1.5 kg左右.激光光源擺脫了傳統(tǒng)偏振光演示儀使用He-Ne激光器需要外接220 V 電源的限制，而采用一支鈕扣電池供電的激光筆，用螺絲固定于鋁合金支架上，方便安裝與拆卸.因此，儀器無(wú)需外接電源，教師可根據(jù)演示效果和教學(xué)需要，在教室里隨意移動(dòng)儀器的位置.另外，演示儀及配件可放置于18 L塑料整理箱內(nèi)，方便教師攜帶入課堂.

2.2 演示效果顯著

考慮到儀器在教室里的演示效果，起偏器P和檢偏器A 分別鑲嵌在2個(gè)塑料大轉(zhuǎn)盤(pán)上，轉(zhuǎn)盤(pán)直徑30 cm，可保證5 m 內(nèi)的學(xué)生看清轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)的角度.有一15 cm 長(zhǎng)的指針固定在轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)軸上，用于指示轉(zhuǎn)盤(pán)的角度.底座上表面有一凹槽，用于固定玻璃水槽.玻璃水槽用無(wú)色透明有機(jī)玻璃粘合而成，以增加透光性，寬度3 cm，高度5 cm，長(zhǎng)度有20 cm 和35 cm 兩種.為定量演示馬呂斯定理，還配備有一個(gè)光電池和一個(gè)中指微安表.課堂演示時(shí)，通常以墻壁取代光屏，可以向所有學(xué)生演示消光、光強(qiáng)變化等現(xiàn)象.

2.3 制作成本低廉

因?yàn)檠菔緦?shí)驗(yàn)儀器少，演示實(shí)驗(yàn)占用教學(xué)課時(shí)、儀器攜帶不便等原因，在理論課堂上開(kāi)展演示實(shí)驗(yàn)并不普及，具體到醫(yī)學(xué)物理學(xué)，演示儀器就更加稀少.因此，在實(shí)踐中通過(guò)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放項(xiàng)目等形式，召集動(dòng)手能力強(qiáng)的優(yōu)秀學(xué)生根據(jù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)制作價(jià)格低廉的演示實(shí)驗(yàn)儀器是十分必要的，也是很有意義的.以本演示儀為例，鋁合金框架、偏振片、玻璃水槽和激光筆等都是容易購(gòu)買(mǎi)的低值商品，成本在200元左右.

3 課堂演示

便攜式偏振光課堂演示儀可演示線(xiàn)偏振光的消光現(xiàn)象，驗(yàn)證馬呂斯定理，也可以演示線(xiàn)偏振光通過(guò)葡萄糖溶液時(shí)的旋光現(xiàn)象.

3.1 馬呂斯定律演示

將便攜式偏振光課堂演示儀水平放置于講臺(tái)上，取下玻璃水槽和光屏.打開(kāi)激光筆電源，使激光依次通過(guò)起偏器、檢偏器，射在教室墻壁上.旋轉(zhuǎn)起偏器P，使豎直向上的指針指向轉(zhuǎn)盤(pán)零刻度的位置.然后旋轉(zhuǎn)檢偏器A，提醒學(xué)生觀察墻壁上光斑亮度的變化.當(dāng)光斑最亮?xí)r，提醒學(xué)生此時(shí)起偏器P和檢偏器A 偏振化方向平行，并記錄下檢偏器A 指針?biāo)赶虻慕嵌龋划?dāng)光斑消失時(shí)，提醒學(xué)生此時(shí)起偏器P和檢偏器A 偏振化方向垂直，記錄檢偏器A 指針?biāo)赶虻慕嵌?兩個(gè)角度相減，應(yīng)為90°左右.

為定量演示馬呂斯定律，用光電池接收檢偏器輸出的激光，產(chǎn)生的光電流用中指微安表測(cè)量.重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，旋轉(zhuǎn)檢偏器A 一周，可間接地定量演示偏振光強(qiáng)度的變化.

3.2 旋光現(xiàn)象演示

把玻璃水槽放置于底座上，加入清水.打開(kāi)激光筆電源，使輸出的激光經(jīng)起偏器P、水槽后到達(dá)檢偏器，輸出的激光直接投射在墻壁上.旋轉(zhuǎn)檢偏器，當(dāng)產(chǎn)生消光現(xiàn)象，即起偏器P和檢偏器A 的偏振化方向垂直時(shí)，停止旋轉(zhuǎn).在水槽中逐漸加入葡萄糖粉，提醒學(xué)生觀察光斑在逐漸變亮，并向?qū)W生解釋葡萄糖溶液是一種旋光物質(zhì)，隨著葡萄糖粉的不斷加入，濃度不斷變大，從起偏器P射出的偏振光的振動(dòng)方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)葡萄糖溶液后的線(xiàn)偏振光的振動(dòng)方向不再與檢偏器A 的偏振化方向垂直，從而使光斑由暗變亮.

為揭示糖量計(jì)的工作原理，可以旋轉(zhuǎn)檢偏器A，當(dāng)再次出現(xiàn)消光時(shí)，記錄下檢偏器A 旋轉(zhuǎn)的角度，即線(xiàn)偏振光經(jīng)由葡萄糖溶液后振動(dòng)方向的偏轉(zhuǎn)角度.多次測(cè)量不同葡萄糖濃度下的偏振光振動(dòng)方向的偏轉(zhuǎn)角度，即可驗(yàn)證偏振光振動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)角度與葡萄糖溶液濃度間的正比關(guān)系.在此實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，教師可向?qū)W生分析講授糖量計(jì)的設(shè)計(jì)思路和原理.

4 結(jié)論

便攜式偏振光演示儀重量輕、體積小，方便教師攜帶，在大學(xué)物理、醫(yī)學(xué)物理等量大面廣的基礎(chǔ)課程教學(xué)中，起到了良好的教學(xué)效果.激光筆功率小，不需外接電源，演示儀可以隨意移動(dòng)，安全性高.在理論課堂上作定性演示時(shí)，可直觀地演示偏振光的馬呂斯定律及旋光現(xiàn)象，演示過(guò)程耗時(shí)少，效果明顯，使學(xué)生對(duì)抽象的偏振光知識(shí)有一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)，從而加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握，也可以在課后讓學(xué)生作定量測(cè)量，對(duì)偏振光知識(shí)作進(jìn)一步的鞏固和探索.

［1］胡新珉.醫(yī)學(xué)物理學(xué)［M］.北京：人民衛(wèi)生出版社，2008：208-218.

［2］Demura T，Demura S，Aoki H，etal.Effect of linear polarized near-infrared lightirradiation and light exercise on muscle performance［J］.J Physiol Anthropol，2011，30（3）：91-96.

［3］Sasaki A，Touma Y，Ishino Y，etal.Linear polarized near-infrared irradiation stimulates mechanical expansion of the rat sagittal suture［J］.Luminescence，2003，18（1）：58-60.

［4］楊穎.運(yùn)用紅外偏振光治療神經(jīng)性頭痛95例臨床觀察［J］.中國(guó)實(shí)用神經(jīng)疾病雜志，2014，17（1）：44-46.

［5］王玉蓮，郭明，張永鋒，等.大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索和實(shí)踐［J］.安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，24（4）：47-50.

［6］韓富強(qiáng).淺談如何搞好物理課堂演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)［J］.遼寧師專(zhuān)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，8（1）：101-102.

［7］劉建一，王旎菡，李思嘉，等.多功能偏振光演示儀在教學(xué)中的應(yīng)用［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2014，34（10）：41-43.