布儒斯特定律演示儀的研制與教學(xué)

羅春梅

（遼東學(xué)院，遼寧 丹東 118003）

0 引言

2016 年IYPT 競(jìng)賽第15 題題目是非接觸千分尺，要求利用激光筆發(fā)明和制造一種光學(xué)裝置，可以非接觸地測(cè)定玻璃板的厚度、折射率和其他特性。學(xué)生準(zhǔn)備參賽時(shí)，大學(xué)物理理論教學(xué)教授了布儒斯特定律，引起了學(xué)生的注意，設(shè)想制作布儒斯特定律演示儀，測(cè)量玻璃的折射率[1-2]。

1 布儒斯特定律原理

當(dāng)自然光在兩種各向同性的媒質(zhì)分界面上反射和折射時(shí)，（1）入射角等于反射角；（2）反射光和折射光都成為部分偏振光；（3）當(dāng)入射角為布儒斯特角i0時(shí)，其振動(dòng)方向與入射面垂直，反射光是線偏振光，折射光仍為部分偏振光，反射光與折射光互相垂直；（4）當(dāng)光以入射角為布儒斯特角i0入射許多相互平行的玻璃片重疊而成的玻璃片堆上時(shí)，反射光的強(qiáng)度得以加強(qiáng)，而折射光近似為偏振光。根據(jù)布儒斯特定律，測(cè)量出布儒斯特角，可以測(cè)量折射率（如圖1 所示）。

圖1 反射起偏原理圖

保持入射角i0不變，在待測(cè)玻璃片上連續(xù)放置玻璃片，則折射光接收光幕上的光斑有強(qiáng)弱變化，說明折射光是部分偏振光；調(diào)整折射光檢偏器，直至折射光接收光幕上的光斑消失，折射光近似為偏振光（如圖2 所示）。

圖2 用玻璃片堆產(chǎn)生偏振光

2 布儒斯特定律演示儀制作過程

2.1 設(shè)計(jì)布儒斯特定律演示儀初步想法

如圖3 所示，設(shè)計(jì)布儒斯特定律演示儀初步想法。

圖3 設(shè)計(jì)布儒斯特定律演示儀初步想法

依據(jù)上述要求，制作出1 代布儒斯特定律演示儀，如圖4 所示。

圖4 第1 代布儒斯特定律演示儀

2.2 完善布儒斯特定律演示儀，制作第2 代布儒斯特定律演示儀

第1 代布儒斯特定律演示儀非常簡(jiǎn)易，由此產(chǎn)生如下問題。

問題1：激光筆如何放置？

問題2：檢偏器如何放置？

問題3：量角器如何放置，如何測(cè)量？

問題4：待測(cè)的不同厚度玻璃片如何放置？

問題5：如何搭建框架？

制作團(tuán)隊(duì)的同學(xué)展開了討論，設(shè)計(jì)作品，滿足設(shè)計(jì)要求，制作第2 代布儒斯特定律演示儀。

首先，使用鋁型材及軸承座搭建結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，操作便捷。其次，切割出五個(gè)相同的齒輪，實(shí)現(xiàn)五齒輪聯(lián)動(dòng)，入射角變化，反射角同步變化，量角器同步變化，并且入射角等于反射角。再次，搭建載物臺(tái)，分別放置玻璃片、反射光檢偏器和折射光檢偏器，置物臺(tái)高度可調(diào)，適應(yīng)于不同厚度的玻璃（見圖5）。

圖5 第2 代布儒斯特定律演示儀

2.3 布儒斯特定律演示儀成品——第3 代布儒斯特定律演示儀

第2 代布儒斯特定律演示儀出現(xiàn)的問題：設(shè)計(jì)的作品是直立式的，操作時(shí)容易翻倒。固定激光筆的入射光桿和放置反射光接收屏桿沒有可以固定的措施，測(cè)量角度時(shí)容易發(fā)生滑動(dòng)，造成比較大的誤差[3]。

針對(duì)上述問題，制作團(tuán)隊(duì)的同學(xué)展開了討論，完善設(shè)計(jì)，將直立式改成橫臥式，安裝角度限位滑臺(tái)使得在測(cè)量角度時(shí)可以進(jìn)行固定，保證角度不變。制成第3 代布儒斯特定律演示儀，如圖6 所示。

圖6 第3 代布儒斯特定律演示儀

當(dāng)齒輪B 帶動(dòng)其延長(zhǎng)桿和頂端的激光器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度時(shí)，與之嚙合的齒輪A 帶動(dòng)量角器順時(shí)針偏轉(zhuǎn)相同角度，指針指出偏轉(zhuǎn)值，齒輪A 帶動(dòng)軸和齒輪C 順向等角度偏轉(zhuǎn)，齒輪C 帶動(dòng)齒輪D 逆向等角度偏轉(zhuǎn)，齒輪D 再帶動(dòng)齒輪E 順向等角度偏轉(zhuǎn)，齒輪E 帶動(dòng)延長(zhǎng)桿中部的反射光檢偏器和頂端的反射光接收光幕等角度偏轉(zhuǎn)，五齒輪聯(lián)動(dòng)，入射角變化，反射角同步變化，量角器同步變化，并且入射角等于反射角。激光器照射在待測(cè)玻璃片的光束經(jīng)反射后到反射光接收光幕，入射光線與反射光線的夾角是指針指出量角器偏轉(zhuǎn)值的二倍，確定入射角的角度數(shù)值。

激光器照射在待測(cè)玻璃片的光束經(jīng)反射后穿過反射光檢偏器到反射光接收光幕，調(diào)整反射光檢偏器，則反射光接收光幕上的光斑由強(qiáng)變?nèi)?，說明反射光是部分偏振光；再偏轉(zhuǎn)齒輪B，改變?nèi)肷浣墙嵌龋敝练瓷涔饨邮展饽簧系墓獍呦?，此時(shí)反射光是偏振光，出現(xiàn)了反射起偏現(xiàn)象，驗(yàn)證了布儒斯特定律。讀出入射角i0角度，由n=tani0計(jì)算出折射率。

保持入射角i0不變，在待測(cè)玻璃片連續(xù)放置玻璃片，則折射光接收光幕上的光斑有強(qiáng)弱變化，說明折射光是部分偏振光；調(diào)整折射光檢偏器，直至折射光接收光幕上的光斑消失，折射光近似為偏振光。如表1 所示，測(cè)量的數(shù)據(jù)記錄與處理與廠家給的玻璃片折射率數(shù)值非常吻合。

表1 測(cè)量的數(shù)據(jù)記錄與處理數(shù)值

3 結(jié)語

通過探索和實(shí)踐，學(xué)生不斷提出問題，解決問題，最終完成了布儒斯特定律演示儀的制作。

通過制作布儒斯特定律演示儀的過程，學(xué)生學(xué)會(huì)了提出問題、做猜想和假設(shè)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、制作作品，并不斷修改作品，努力找到最佳答案，使學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)得到提高，創(chuàng)新能力得到培養(yǎng)。