利用Phyphox探究液晶屏發(fā)出的光的偏振性

張懷華

Phyphox是一款搭載在智能手機平臺上的科學(xué)實驗探究App^[1][2]。Phyphox對智能手機中的各種傳感器進(jìn)行了整合優(yōu)化，使智能手機變成一座功能強大的便攜式科學(xué)探究實驗室。Phyphox為使用者提供了數(shù)目眾多的科學(xué)探究實驗樣例，使用者使用這些實驗樣例就能開展豐富多彩的科學(xué)探究實驗活動^[3-7]。此外，Phyphox還支持使用者自行編寫個性化的科學(xué)探究實驗方案。物理教師以智能手機為實驗平臺，以Phyphox為實驗程序，以液晶屏為偏振光來源，用偏振片與智能手機光傳感器組成偏振光檢偏器，利用智能手機中的重力加速度計檢測偏振光檢偏器的方位角變化，利用光傳感器檢測偏振光透過檢偏器后的光強變化，繪制透射光強與方位角的關(guān)系曲線，測定相鄰兩次消光對應(yīng)的角度差，可以高效演示偏振光的消光現(xiàn)象。為驗證這一設(shè)想，新冠肺炎疫情防控期間，筆者在講授“光的偏振”時^[8]，利用Phyphox編寫實驗程序，在線指導(dǎo)學(xué)生實驗，取得了良好的教學(xué)效果。下面，介紹具體實驗方法。

一、智能手機實驗程序的個性化編寫

筆者登錄Phyphox手機實驗編輯平臺，首先調(diào)取重力加速度傳感器（Acceleration with g），利用重力加速度傳感器在x、y方向上輸出的加速度分量a_x和a_y測量智能手機所處的方位角;然后調(diào)取光傳感器（Light），利用光傳感器測量液晶屏發(fā)出的光透過檢偏器后的光強;最后以智能手機方位角為橫坐標(biāo)、以透射光強為縱坐標(biāo)繪制動態(tài)的透射光強—方位角關(guān)系圖像。該智能手機實驗程序的可視化流程如圖1所示。

其中，智能手機方位角是基于重力加速度計輸出的加速度分量值a_x和a_y計算的，計算公式（Formula）為：

tan2（[1_]，[2_]）*57.2958*（sign（[1_]）+1）/2+（360+atan2（[1_]，[2_]）*57.2958）*（sign（[1_]*（-1））+1）/2

二、手機實驗程序的加載

實驗程序編寫完成后，筆者在編輯平臺上將該實驗程序命名為“光的偏振性研究”，選擇“生成二維碼”。筆者在智能手機中運行Phyphox程序，單擊Phyphox程序頁面右下角的“+”，選擇“從二維碼添加實驗”，然后掃描二維碼，將這個實驗程序加載到Phyphox的實驗樣例當(dāng)中。

如對Phyphox實驗程序編寫不熟悉，使用者可以按照上述方式掃描二維碼，也可以將定制的“光的偏振性研究”實驗程序加載到Phyphox的實驗樣例當(dāng)中。

線上教學(xué)期間，筆者就是利用網(wǎng)絡(luò)將實驗二維碼分發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生自行加載并居家開展探究活動的。

三、智能手機實驗的操作

筆者在筆記本電腦或智慧黑板中打開一個空白文檔，讓液晶屏呈現(xiàn)出均勻的白色。筆者將偏振片（可以用立體眼鏡的鏡片代替）貼在液晶屏上緩慢旋轉(zhuǎn)，讓學(xué)生看到隨著偏振片的緩慢旋轉(zhuǎn)，偏振片上發(fā)生了明暗交替的消光現(xiàn)象。這證明，液晶屏發(fā)出的白光是偏振光^[9][10]。

為了探究偏振光透過偏振片后的光強與偏振片旋轉(zhuǎn)角度的定量關(guān)系（如圖2），筆者用透明膠帶將偏振片固定在智能手機上，制成檢偏器。注意：制作檢偏器時，應(yīng)確保偏振片覆蓋智能手機上的光傳感器。

筆者在Phyphox中打開名為“光的偏振性研究”的實驗程序，設(shè)置定時運行：啟動延遲10秒，實驗時長120秒。隨后，筆者啟動實驗，將智能手機的正面正對屏幕，貼在屏幕上，待10秒延遲結(jié)束后，緩慢地將智能手機旋轉(zhuǎn)360°。手機屏幕呈現(xiàn)如圖3所示的偏振光的消光曲線。

在課堂教學(xué)中，教師可以利用成熟的投屏技術(shù)建立智能手機與大屏幕之間的投屏連接，將智能手機屏幕上顯示的信息同步到大屏幕上。師生可以通過大屏幕實時監(jiān)視智能手機實驗的進(jìn)程，親眼見證實驗倒計時讀秒、手機方位角動態(tài)讀取、透射光強動態(tài)讀取和繪制透射光強與檢偏器方位角函數(shù)關(guān)系圖像的全過程。

四、智能手機實驗數(shù)據(jù)的分析

學(xué)生觀察偏振光的消光曲線后發(fā)現(xiàn)，在智能手機緊貼屏幕緩慢旋轉(zhuǎn)一周的過程中，智能手機上的光傳感器感知到偏振光透過檢偏器之后的強弱變化。

筆者將此次實驗中得到的透射光強與手機方位角函數(shù)關(guān)系圖像擴展至全屏，找到手機屏幕下方的“選取數(shù)據(jù)”按鈕，點擊偏振光消光曲線上的最低點（兩次）。Phyphox自動顯示如圖4和圖5所示的數(shù)據(jù)點坐標(biāo)值。

學(xué)生觀察Phyphox繪制的透射光強與檢偏器方位角的函數(shù)關(guān)系圖像發(fā)現(xiàn)，在智能手機和偏振片緊貼液晶屏同步旋轉(zhuǎn)360°的過程中，出現(xiàn)了兩次消光現(xiàn)象，偏振光第一次消光對應(yīng)角度為85.97°，第二次消光出現(xiàn)在267.16°，兩次消光間隔181.19°。

在誤差允許的范圍內(nèi)，筆者引導(dǎo)學(xué)生得出以下結(jié)論：檢偏器在旋轉(zhuǎn)360°的過程中，偏振光先后出現(xiàn)兩次消光現(xiàn)象所間隔的角度為180°。此次實驗精確度非常高，相對誤差僅為0.66%。

需要說明的是，在透射光強與手機方位角函數(shù)關(guān)系圖像消光位置的兩側(cè)有兩個微小的尖峰，這可能是由覆蓋在智能手機光傳感器上的手機屏幕和手機貼膜導(dǎo)致的。

利用智能手機中的Phyphox程序探究偏振光的消光現(xiàn)象，在便捷度、精確度、可見度和參與度等幾個方面都遠(yuǎn)優(yōu)于高中物理實驗室標(biāo)配的傳統(tǒng)實驗設(shè)備（如圖6）。

課程改革注重培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新精神和實踐能力。智能手機的普及應(yīng)用打破了實驗的時空限制，讓科學(xué)探究活動隨時隨地自由開展，也讓學(xué)生參與科學(xué)探究活動的體驗更真切、更深刻。教師科學(xué)利用Phyphox強大的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)輸出功能，降低數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)分析的技術(shù)門檻，可以將學(xué)生從煩瑣的設(shè)備組裝、儀器調(diào)試、數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)錄入、描點連線和方程擬合中解放出來，讓學(xué)生有充分的時間、精力專注于對科學(xué)探究活動本質(zhì)的思考。

注：本文系2021年河南省基礎(chǔ)教育教學(xué)研究項目“Phyphox在中學(xué)物理實驗探究活動中應(yīng)用研究”（編號：JCJYC2106zy073）的階段性研究成果。

參考文獻(xiàn)

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[10]周清.光的偏振與液晶顯示[J].物理通報，1994（10）：38-40.

（作者系河南省焦作市第十一中學(xué)正高級教師）