3D立體效果演示儀的制作

劉一樂 董小慶 代珍兵

摘 ? 要：針對人教版高中物理《光的偏振》應(yīng)用部分——“立體電影”，設(shè)計3D立體效果演示儀作為課堂實驗，運用光的偏振特性、透鏡成像規(guī)律以及人眼立體視覺等原理，演示了3D立體效果形成過程，直觀、形象地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機。

關(guān)鍵詞：偏振;演示實驗;立體效果演示;教學(xué)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2019）11-0049-3

光的偏振是高中物理光學(xué)部分的難點，學(xué)生相關(guān)前概念較少，知識又較抽象。新課標(biāo)對于《光的偏振》這一部分的要求是讓高中學(xué)生能夠了解基礎(chǔ)知識并能運用所學(xué)解釋生活中的現(xiàn)象，因此將教材[1]中“立體電影”這一應(yīng)用詳細(xì)展開是很有必要的。在教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中可以根據(jù)實際情況選擇性地應(yīng)用該教具輔助教學(xué)，不僅可以促進(jìn)學(xué)生理解立體效果的形成過程，而且有利于學(xué)生理解光的偏振特性、人眼的立體視覺等基本光學(xué)原理，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣、積極性以及對知識的理解。

1 ? ?實驗原理與裝置

立體電影是利用雙頭攝像機拍攝出左右畫面再進(jìn)行整合，觀者帶上特定偏振方向的眼鏡就能看到立體的效果了。利用人的立體視覺[2-3]的原理，我們通過模擬雙眼來制作圖片，這樣拍攝出的兩幅圖片是有細(xì)微差別的。當(dāng)兩幅圖片投影到屏幕上的像重合在一起時，呈現(xiàn)的畫面是模糊的。為了呈現(xiàn)清晰、立體的畫面，首先，在左右投影儀前分別貼上透振方向相互垂直的偏振片，這樣兩個投影儀發(fā)出的光的振動方向是相互垂直的，如圖1所示。其次，在眼睛前方放置對應(yīng)透振方向的偏振片，即左眼前偏振片的透振方向與左投影儀前的平行，右眼同理。因此，這就達(dá)到了清晰觀察立體對象的效果[4]。這種立體效果呈現(xiàn)的方式就是利用了兩偏振片之間透振方向相互平行時透過的光強度最強、相互垂直時透過的光強度最弱的原理。

2 ? ?裝置結(jié)構(gòu)及器材

裝置由相同型號強光手電筒2只、凸透鏡2對、投影膠片（制成各式各樣的動物圖片，等距制作兩組圖片）、單銅板（此作為金屬幕）、PVC板、螺絲等制作而成，3D立體效果演示儀結(jié)構(gòu)如圖2（a）和圖2（b）所示。

箱體內(nèi)部和外部是不同直徑的兩組凸透鏡。利用內(nèi)部凸透鏡將光匯聚于圖片上。外部凸透鏡將像呈現(xiàn)在金屬幕上，并通過側(cè)部拉桿改變其物距。

圖片板是由投影膠片制成的，上面打印了不同動物的圖片，以兩列形式排版，并且左右兩列圖片相同。兩列圖片的間距與強光手電筒的光斑的間距相等。切換播放圖片，模擬超慢速電影播放的過程。

箱體是由左右兩個獨立的播放室構(gòu)成的，在兩個播放室前端貼有透振方向相互垂直的偏振片。調(diào)整偏振眼鏡的偏振方向，使其與對應(yīng)播放室前的偏振片透振方向相互平行。經(jīng)過多次調(diào)整、改進(jìn)，最終制成的3D立體效果演示儀的實物圖如圖3所示。

3 ? ?制作步驟

（1）制作燈箱。用PVC板制作兩個相互獨立、且寬度略大于強光手電筒直徑的播放室，燈箱隔層內(nèi)的光互不干擾。將焦距和直徑合適的凸透鏡放入強光手電筒之前，并且調(diào)節(jié)凸透鏡的中心與強光手電筒的中心在同一高度。

（2）取厚度為0.17 mm、日東光電的透射式線性偏振片兩張，判斷其透振方向后，分別貼在燈箱的兩個播放室前，使兩者透振方向分別是水平和豎直方向。

（3）制作燈箱外部支架，使它能穩(wěn)定地支撐燈箱，通過燈箱后部細(xì)線的環(huán)繞來調(diào)節(jié)燈箱的仰角。

（4）在燈箱左右兩側(cè)的等高位置處固定了兩根調(diào)節(jié)滑桿，以此來調(diào)節(jié)外部凸透鏡的遠(yuǎn)近，從而使投影出的圖片呈現(xiàn)清晰的像。外部凸透鏡固定在一塊PVC板上，只接觸凸透鏡直徑的兩端，故可以通過轉(zhuǎn)動來調(diào)節(jié)圖片位置，并且此PVC板可以左右移動，也能達(dá)到調(diào)節(jié)像的位置。

（5）測量兩手電筒光斑的中心間距，以該間距為標(biāo)準(zhǔn)，利用圖片排版工具調(diào)節(jié)兩列圖片的大小，使其尺寸略小于強光手電筒的光斑大小。調(diào)節(jié)兩列圖片的中心間距，使其等于兩光斑的間距。最后，將這兩列圖片打印到透明投影膠片后貼到有機玻璃上。

（6）用單面覆銅板來制作金屬幕，并調(diào)節(jié)金屬幕的高度，使幕的中心高度與燈箱小仰角時投影出的像的中心高度相等。

（7）采用相同的偏振片來制作偏振眼鏡。左眼偏振片透振方向與燈箱的左播放室外偏振片透振方向相同，右眼偏振片透振方向與燈箱的右播放室外偏振片透振方向相同。

4 ? ?使用方法

調(diào)節(jié)金屬幕與主體部分的距離，放入圖片板。打開強光手電筒的電源，調(diào)節(jié)電筒的光圈使左右兩側(cè)光斑大小及燈光強度相同且光斑略大于圖片，調(diào)節(jié)圖片使每一張圖片都處在光斑中心位置。關(guān)閉右側(cè)手電筒電源，調(diào)節(jié)左側(cè)播放室外部的凸透鏡與圖片的距離，使金屬幕上呈現(xiàn)出清晰的像。同理，調(diào)節(jié)右側(cè)。同時打開兩側(cè)手電筒電源，通過橫向移動或者轉(zhuǎn)動外部凸透鏡，使兩幅圖片的像幾乎重合在一起，再帶上偏振眼鏡，就能看到有立體效果的圖片了。

5 ? ?總 ?結(jié)

中學(xué)課堂教學(xué)中，教師可以根據(jù)實際情況在各個教學(xué)環(huán)節(jié)靈活使用3D立體效果演示儀，以學(xué)生體驗為基礎(chǔ)，教師的合理引導(dǎo)為輔助，讓學(xué)生更好地理解了光的偏振等基礎(chǔ)知識，了解了立體電影的制作原理，而且激起了學(xué)生對物理學(xué)習(xí)的興趣以及探索問題的欲望，有利于讓學(xué)生養(yǎng)成探索問題和解決問題的良好習(xí)慣。

具體來說，在課堂引入中，可以通過該教具呈現(xiàn)奇妙的“立體效果”，吸引學(xué)生的注意力，開啟探索之旅。學(xué)生在解決問題的過程中進(jìn)行學(xué)習(xí)，不僅讓學(xué)習(xí)變得更有方向性，而且貼近生活實例，有效地降低了學(xué)生心目中對學(xué)習(xí)難度的評定，以達(dá)到更好的教學(xué)效果。在課堂展開過程中，分析儀器的成像原理，引導(dǎo)學(xué)生理解光的偏振特性以及偏振方向等一系列問題。從儀器呈現(xiàn)的現(xiàn)象和操作過程的觀察入手，逐漸地轉(zhuǎn)向?qū)ξ锢砘A(chǔ)知識和規(guī)律的學(xué)習(xí)，加強學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，將形象思維漸漸地轉(zhuǎn)化為抽象的邏輯思維。

參考文獻(xiàn)：

[1]張大昌，彭前程.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理選修3-4[M].北京：人民教育出版社，2007：63-66.

[2]朱梁.人眼的深度視覺原理與立體影像特性[J].北京電影學(xué)院學(xué)報，2016（4）：130-137.

[3]劉劍鋒.立體影像形成原理及實現(xiàn)方法[J].物理教師， 2014，35（5）：44-46.

[4]管永軍，金武，牛小寧.3D偏振演示實驗[J].物理實驗， 2011，31（12）：1-3，7.（欄目編輯 ? ?王柏廬）