光偏振現(xiàn)象及光彈性效應(yīng)系列裝置及演示

梅韻芝 蔡曉璇 植斯華 李德安

摘 要：本文建構(gòu)的光偏振系列演示裝置主要圍繞“光的偏振”一課中的引入實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用實(shí)例和拓展實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)，能直觀地演示光的橫波特性、實(shí)際生活中汽車遠(yuǎn)光燈防眩原理、光彈性效應(yīng)、互補(bǔ)色原理。此系列實(shí)驗(yàn)結(jié)合教師演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生自主探究實(shí)驗(yàn)，既能給學(xué)生帶來視覺上的沖擊，又能增加教學(xué)的趣味性。此外，演示裝置還可用于課外活動(dòng)展示，教學(xué)效果同樣顯著。

關(guān)鍵詞：偏振光；光彈性效應(yīng)；互補(bǔ)色原理；系列教具

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）4-0046-4

1 引 言

光的偏振現(xiàn)象、雙折射現(xiàn)象、偏振光的干涉等是大學(xué)和中學(xué)物理中的幾個(gè)重要物理概念，這些概念廣泛應(yīng)用于光信息處理、光通信、應(yīng)力分析、激光和光電子學(xué)器件等領(lǐng)域。課程標(biāo)準(zhǔn)中要求高中生認(rèn)識(shí)光的橫波特性，了解光的偏振現(xiàn)象及其應(yīng)用以及學(xué)會(huì)用偏振光的知識(shí)來解釋生活中常見的偏振現(xiàn)象。但在實(shí)際物理教學(xué)中，該部分知識(shí)來自高中物理選修3-4模塊[1]，屬于全國(guó)高考的選考內(nèi)容，因此實(shí)際教學(xué)中側(cè)重較少，學(xué)生對(duì)其既會(huì)感到抽象難懂，也會(huì)感到新鮮好奇。筆者設(shè)計(jì)了光偏振現(xiàn)象系列演示裝置，旨在給學(xué)生提供豐富的感性材料，帶給學(xué)生更多的思維沖擊，引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)探究中感受物理與現(xiàn)代科技發(fā)展的密切聯(lián)系。

2 演示實(shí)驗(yàn)原理與制作方法

2.1 導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)——會(huì)穿墻的小魔丸

縱波各點(diǎn)的振動(dòng)方向總與波的傳播方向在同一直線上；橫波各點(diǎn)的振動(dòng)方向總與波的傳播方向垂直。光是橫波，具有區(qū)別于縱波的偏振現(xiàn)象，因此我們可以利用偏振片來創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)。偏振片是由特定材料制成的，每張偏振片都有特定的透振方向，只有沿著這個(gè)方向（即透振方向）振動(dòng)的光波才能通過偏振片。自然光經(jīng)過第一張偏振片后成為線偏振光，再通過第二張偏振片時(shí)，如果兩張偏振片的透振方向平行，光可以通過，透射光強(qiáng)最大；如果兩者透振方向垂直，光不能透過，透射光強(qiáng)為零，也就沒有光線進(jìn)入人眼，此時(shí)人眼看到的將是一個(gè)黑影[2]?！按πg(shù)”正是這個(gè)黑影造成的，將透振方向互相垂直的偏振片相鄰地粘合在亞克力管（長(zhǎng)80 cm，內(nèi)徑10 cm）上（如圖1），人眼在某個(gè)角度看到后誤以為是一道“墻”，但實(shí)質(zhì)上“墻”并不真實(shí)存在。將鋼圈固定在木質(zhì)底座上，架起亞克力管，用鋼珠、硬紙條和2個(gè)半圓球殼制作成小魔丸在內(nèi)穿行，讓實(shí)驗(yàn)更具趣味性。

2.2 應(yīng)用實(shí)例——汽車遠(yuǎn)光燈防眩裝置

根據(jù)馬呂斯定律（兩個(gè)起偏器的透振方向互相垂直時(shí)，對(duì)光的透射率幾乎為零，而兩個(gè)起偏器的透振方向相互平行時(shí)透光率最大），在每輛車的擋風(fēng)玻璃和車燈前加上偏振片，其透振方向與水平面均成45°角[3-4]，則兩車相向行駛時(shí)，一方擋風(fēng)玻璃上偏振軸與對(duì)方車燈上偏振軸正交，對(duì)方車燈發(fā)出的光線經(jīng)過本方擋風(fēng)玻璃后光的透射率明顯減小。

我們模擬現(xiàn)實(shí)的車輛形狀并綜合考慮觀察視角，制作了公交車的模型與相應(yīng)的偏振原理講解模塊裝置。用亞克力板做成兩輛規(guī)格一致的小車，在其中一輛小車上，其擋風(fēng)玻璃以及其中一個(gè)車燈前貼了透振方向?yàn)榕c地面成45°角的偏振片，在另一輛小車上，對(duì)擋風(fēng)玻璃不作處理，而是在其中一個(gè)車燈前貼上透振方向與地面成45°角的偏振片。用4個(gè)3 W燈珠串聯(lián)起來模擬汽車遠(yuǎn)光燈，將兩輛車相對(duì)錯(cuò)開放置，模擬夜間車輛行駛交會(huì)的情景，我們可以在左車（如圖2）的擋風(fēng)玻璃后清晰地看到自身的車燈照射出來的光，并且觀察到車燈的偏振片對(duì)自身的觀察視線并沒有影響，我們還可以觀察到右車的兩盞車燈消光效果具有顯著差異。通過對(duì)比的方法，我們可以得知偏振片在車輛遠(yuǎn)光燈防眩上具有較大的實(shí)用性。

為了說明汽車防眩裝置中偏振片必須采用透振方向與地面成45°角的原因，制作了供學(xué)生自主探究的防眩裝置原理講解模塊。因?yàn)閷?shí)際生活中考慮制作工藝和實(shí)用性，每輛汽車的偏振片的偏振方向一致，所以當(dāng)兩輛汽車相向而行時(shí)，兩車的偏振片透振方向互為鏡面對(duì)稱，因此偏振片選為45°角最合適。

在本教具中制作了三個(gè)規(guī)格一樣的齒輪狀亞克力板（直徑10 cm），將兩個(gè)齒輪兩面相對(duì)，分別貼上規(guī)格一樣的偏振片，環(huán)繞兩張偏振片粘貼0°～360°的刻度線，在兩張偏振片的透振方向上粘貼了指示條，以區(qū)分兩者的透振方向，用第三個(gè)帶有螺絲手把的亞克力齒輪在底部加以連接，最后用一木框架作為支撐。利用齒輪的傳動(dòng)特性，當(dāng)?shù)撞康凝X輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩側(cè)的兩個(gè)齒輪會(huì)朝著相反的方向旋轉(zhuǎn)，從而模擬兩輛車在相向而行時(shí)的偏振片方向做鏡面對(duì)稱變化。

2.3 拓展實(shí)驗(yàn)——光彈性效應(yīng)和互補(bǔ)色原理[5-7]

當(dāng)含有多種顏色的白光經(jīng)過第一張偏振片后，得到振動(dòng)方向與其透振方向相同的線偏振光，然后再進(jìn)入具有雙折射性質(zhì)的材料后，它會(huì)分為兩束透振方向呈直角、傳播速度不同的偏振光——尋常光（o光）和非尋常光（e光），根據(jù)這些光的波長(zhǎng)和材料的取向，它們就會(huì)產(chǎn)生各種不同的干涉。當(dāng)再經(jīng)過第二張偏振片時(shí)，就可以濾掉未加改動(dòng)的光線，清楚地看到不同方向偏振的光相互干涉的情形，一些波長(zhǎng)的光因干涉而被抵消，因此光的顏色就不再是白色。

生活中具有雙折射性質(zhì)的材料有塑料刀叉、塑料尺等，因制作工藝引起內(nèi)部應(yīng)力不均勻，由于各處干涉情況不同，因而出現(xiàn)干涉條紋。應(yīng)力變化大的地方，條紋密；應(yīng)力變化小的地方，條紋疏，該現(xiàn)象也稱為光彈性效應(yīng)。

將兩張0°偏振片（直徑為20 cm）分別貼在兩塊圓形的亞克力板（直徑分別為20 cm與30 cm，厚0.5 cm）上，中間鉆一小孔，將貼有塑料刀叉、塑料尺的投影片（直徑為20 cm）放在兩張偏振片中間，用螺絲固定，旋轉(zhuǎn)其中一張偏振片，即可觀察到塑料尺上出現(xiàn)移動(dòng)的彩色條紋（如圖3）。為了補(bǔ)償環(huán)境的光強(qiáng)，用亮度可調(diào)節(jié)的LED燈帶圍繞四周。要想探究條紋的顏色規(guī)律，可以用以下互補(bǔ)色原理來解釋。

白光是由各種不同波長(zhǎng)的單色光組成，用白光入射兩張共軸的偏振片，當(dāng)二者偏振方向平行時(shí)某些波長(zhǎng)加強(qiáng)到某種程度，記此時(shí)的出射光強(qiáng)為I∥，二者正交時(shí)，這些波長(zhǎng)就減弱到某種程度，記此時(shí)的出射光強(qiáng)為I⊥，總是符合I∥+I⊥=恒量的條件[8]。如果把平行時(shí)出現(xiàn)的混合彩色和正交時(shí)出現(xiàn)的混合彩色再混合，將重新恢復(fù)為和入射光相同的白色。任何兩種彩色如果混合起來能夠成為白色，則每種顏色都稱為另一種顏色的互補(bǔ)色。

將一張0°偏振片（直徑為20 cm）貼在一塊圓形的亞克力板（直徑為20 cm）上，將兩張透振方向互相垂直的半圓形組合偏振片（直徑均為20 cm）貼在另一塊圓形的亞克力板（直徑為30 cm）上，并鉆一小孔，兩塊亞克力板中間放置一張沿不同直徑方向貼有若干組不同層數(shù)的透明膠帶的投影片（直徑為20 cm），鎖緊螺絲，旋轉(zhuǎn)半圓形組合偏振片，每個(gè)時(shí)刻都可以觀察到每組沿直徑方向的對(duì)角色塊為互補(bǔ)色。（如圖4）將色相環(huán)環(huán)繞的偏振片粘貼在亞克力板上，互補(bǔ)色可以通過色相環(huán)去判斷，色相環(huán)上對(duì)角的顏色為互補(bǔ)色。

3 演示裝置與實(shí)際效果

3.1 所需材料

亞克力管、0°和45°偏振片若干、亞克力板若干、齒輪狀亞克力板3個(gè)、硬紙條、小木塊若干、木質(zhì)底座、鋼圈、半圓球殼2個(gè)、鋼珠、3 W燈珠4個(gè)、移動(dòng)電源、電源開關(guān)、導(dǎo)線若干、LED燈帶（規(guī)格為60個(gè)燈珠）、透明膠、投影片2張、螺絲螺母、塑料刀叉、塑料尺、色相環(huán)等。

3.2 演示方法

（1）會(huì)穿墻的小魔丸（如圖5）

（小魔丸從右邊管口順利穿過四堵“黑墻”）

①將貼有偏振片的亞克力管用木質(zhì)底座架起，調(diào)節(jié)傾斜至合適的角度，觀察到亞克力管中存在四堵“墻”；

②從亞克力管一端將小魔丸輕輕撥動(dòng)，可觀察到小魔丸會(huì)在管內(nèi)翻跟斗，并且依次穿過四堵“墻”，并從亞克力管的另一端穿出。

③將一張透振方向與地面成0°角的偏振片卷成圓柱狀后放進(jìn)亞克力管的一端，觀察偏振片重疊后的亮暗程度，以此解釋“墻”的形成。

（2）汽車遠(yuǎn)光燈防眩裝置（如圖6、7、8）

①將兩輛小車相對(duì)錯(cuò)開地放置于水平桌面上，模擬夜間兩輛車相向而行的情形；

②打開車燈電源開關(guān)，從外部觀察兩盞車燈的亮度，發(fā)現(xiàn)兩盞車燈的亮度沒有明顯的區(qū)別；

③從擋風(fēng)玻璃貼有偏振片的小車一方觀察對(duì)面小車的車燈，發(fā)現(xiàn)貼有偏振片的車燈明顯比沒有貼偏振片的車燈光強(qiáng)度弱；

④從沒有貼偏振片的小車的擋風(fēng)玻璃觀察對(duì)面小車的車燈，發(fā)現(xiàn)車燈光都很亮，通過對(duì)比得到結(jié)論，對(duì)方小車的車燈光線經(jīng)過偏振片再經(jīng)過小車的擋風(fēng)玻璃上的偏振片后，可以明顯地消光。

⑤使用原理講解模塊，旋轉(zhuǎn)底部齒輪的螺絲手把，從一側(cè)觀察偏振片的亮暗變化，當(dāng)兩張偏振片的透振方向指示條都為45°時(shí)，即兩張偏振片透振方向相互垂直時(shí)最暗。此模塊可供學(xué)生自主探究光的偏振原理。

4 光彈性效應(yīng)和互補(bǔ)色原理演示

光彈性效應(yīng)和互補(bǔ)色原理如圖9所示。

（左圖塑料尺上出現(xiàn)彩色條紋）及互補(bǔ)色原理（右圖中間圓屏出現(xiàn)六種顏色，對(duì)角的顏色為互補(bǔ)色）

①輕觸LED燈帶的開關(guān)，微調(diào)至合適亮度。

②演示光彈性效應(yīng)時(shí)，將貼有塑料刀叉和塑料尺的投影片放在兩張偏振片中間，鎖緊螺絲，旋轉(zhuǎn)其中一張偏振片，觀察中間圓屏的現(xiàn)象，塑料刀叉和塑料尺上出現(xiàn)彩色條紋而且條紋會(huì)隨著偏振片轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生移動(dòng)。

③演示互補(bǔ)色原理時(shí)，在一張偏振片前放置一張沿不同直徑方向貼有若干組不同層數(shù)的透明膠帶的投影片，再在前面放置一張透振方向互相垂直的半圓形組合偏振片，鎖緊螺絲，旋轉(zhuǎn)半圓形組合偏振片，觀察中間圓屏的現(xiàn)象，每個(gè)時(shí)刻我們都可以觀察到每組沿直徑方向的對(duì)角色塊為互補(bǔ)色。我們可以通過色相環(huán)去判斷互補(bǔ)色，色相環(huán)中對(duì)角的兩種顏色即為互補(bǔ)色。教材和一些文章中都有提到互補(bǔ)色，但都是用文字來描述，很少有用圖片和演示實(shí)驗(yàn)來說明。

5 創(chuàng)新點(diǎn)

本系列裝置以偏振片為核心材料，用趣味性的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象展示了光的魅力，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯且教學(xué)應(yīng)用性強(qiáng)。教具中采用的器材貼近生活和學(xué)習(xí)實(shí)際，且安全環(huán)保、無污染。操作制作容易，價(jià)格低廉，演示效果好。裝置各部分均為分立，“穿墻術(shù)”巧妙地結(jié)合“會(huì)翻跟斗的小魔丸”，動(dòng)靜結(jié)合，視覺感受強(qiáng)烈，容易吸引學(xué)生的注意力，生動(dòng)有趣，適合課堂引入。應(yīng)用實(shí)例部分還原生活場(chǎng)景，密切聯(lián)系實(shí)際，為了讓學(xué)生真正理解現(xiàn)實(shí)生活中汽車遠(yuǎn)光燈防眩中偏振片的透振方向必須選用與地面成45°角，還設(shè)計(jì)了可供學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的原理講解模塊。同時(shí)，對(duì)兩輛小車進(jìn)行不同的設(shè)置，可以通過對(duì)比觀察，探究偏振片在防眩上的效果和實(shí)用性。

另外，拓展了“光彈性效應(yīng)、互補(bǔ)色原理”實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)象美觀有趣，并有重要的科研價(jià)值和應(yīng)用領(lǐng)域。例如，鋼化玻璃在制造的過程中，由于冷卻不均勻，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力，會(huì)使玻璃自行爆裂?；诠鈴椥孕?yīng)的原理，可以檢測(cè)出玻璃的內(nèi)應(yīng)力分布，并通過適當(dāng)?shù)墓に囘M(jìn)行優(yōu)化處理?？捎糜谡n堂自主探究實(shí)驗(yàn)或者課外活動(dòng)展示，有效地幫助學(xué)生更全面、深刻地認(rèn)識(shí)和理解偏振光，讓科學(xué)真正地融入學(xué)生的內(nèi)心世界。

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