多功能偏振光演示儀在教學(xué)中的應(yīng)用

劉建一，王旎菡，李思嘉，祝云峰，譚曉春，曲勝艷，戴 瑞

（1.東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130024；

2.吉林省高中物理譚曉春名師工作室，吉林長(zhǎng)春 130117；

3.東北師大附中凈月實(shí)驗(yàn)學(xué)校，吉林長(zhǎng)春 130117）

多功能偏振光演示儀在教學(xué)中的應(yīng)用

劉建一1，王旎菡1，李思嘉1，祝云峰2，3，譚曉春2，3，曲勝艷2，3，戴 瑞1

（1.東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130024；

2.吉林省高中物理譚曉春名師工作室，吉林長(zhǎng)春 130117；

3.東北師大附中凈月實(shí)驗(yàn)學(xué)校，吉林長(zhǎng)春 130117）

設(shè)計(jì)了多功能偏振光演示儀，清晰地演示了偏振光的馬呂斯定律、色偏振以及互補(bǔ)色原理.

偏振光；馬呂斯定律；色偏振；互補(bǔ)色

1 引 言

偏振光在生活中應(yīng)用非常廣泛，例如在攝影鏡頭前加偏振鏡可以消除或減弱光滑物體表面的反射光，使攝像更清楚；在光學(xué)顯微鏡中加入偏振鏡可以檢查樣品是否具有雙折射性質(zhì)等.此外，液晶的旋光顯示早已經(jīng)廣泛用于手表、計(jì)算器、儀表顯示屏等現(xiàn)代技術(shù)中.但是，由于偏振光本身概念抽象，理論性強(qiáng)，加上學(xué)生對(duì)偏振光缺乏感性認(rèn)識(shí)，使得光的偏振在中學(xué)和大學(xué)都是教學(xué)難點(diǎn).為了提高課堂教學(xué)效果，根據(jù)物理學(xué)中偏振光的內(nèi)容，在光的偏振現(xiàn)象演示儀［1］的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)發(fā)制作了多功能偏振光教學(xué)演示儀，成功地演示了偏振光的馬呂斯定律、色偏振和互補(bǔ)色原理.演示內(nèi)容有利于幫助學(xué)生很好地理解光偏振的相關(guān)知識(shí).

2 多功能偏振光演示儀的設(shè)計(jì)

多功能偏振光演示儀裝置的示意圖如圖1所示.為了方便演示，把偏振片及有機(jī)玻璃板做成圓形，帶有塑料手柄、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、旋轉(zhuǎn)組件和固定組件；為了增強(qiáng)演示效果，在有機(jī)板1的后面貼有環(huán)形燈帶和電池組，并在其外圍的塑料白板上貼有1圈色相環(huán)（對(duì)角2個(gè)顏色為互補(bǔ)色）；為了分別演示馬呂斯定律、色偏振和互補(bǔ)色，筆者設(shè)計(jì)的裝置略有不同，在圖1（a）中偏振片2為圓形偏振片，在圖1（b）中圓形有機(jī)玻璃板2上貼有2張透振方向互相垂直的半圓形偏振片3和4.

圖1 多功能偏振光演示儀裝置的示意圖

3 多功能偏振光演示儀在教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 馬呂斯定律教學(xué)演示

如圖2（a）所示［2］，P1和P2代表2塊偏振片，分別為起偏器和檢偏器，其透振方向夾角為θ.設(shè)光強(qiáng)為I的自然光入射，通過(guò)偏振片P1后，得到透射光強(qiáng)為I/2的線(xiàn)偏振光，振動(dòng)方向與P1的透振方向相同.從P1出射的線(xiàn)偏振光再通過(guò)P2（檢偏器）后，得到透射光強(qiáng)為Iθ的線(xiàn)偏振光，振動(dòng)方向與P2的透振方向相同.Iθ的表達(dá)式為：

上式所表達(dá)的線(xiàn)偏振光通過(guò)檢偏器后的透射光強(qiáng)Iθ隨θ角變化的規(guī)律，稱(chēng)為馬呂斯定律.

圖2 馬呂斯定律示意圖

演示馬呂斯定律時(shí)采用圖1（a）所示實(shí)驗(yàn)裝置.從式（1）可得，當(dāng)θ＝0（偏振片1與偏振片2的透振方向平行）時(shí)，Iθ＝I/2，透射光強(qiáng)為最大，演示現(xiàn)象如圖3（a）所示；當(dāng)θ＝90°（偏振片1與偏振片2的透振方向垂直）時(shí)，Iθ＝0，透射光強(qiáng)為0，演示現(xiàn)象如圖3（b）所示，演示效果非常明顯.

圖3 演示圖像

3.2 色偏振教學(xué)演示

典型的偏振光干涉裝置是在2塊共軸的偏振片之間放上波片或具有雙折射現(xiàn)象的材料，如圖4所示［2］.偏振片P1和偏振片P2的透振方向與波片光軸（沿y方向）的夾角分別為θ和α.設(shè)單色平行自然光經(jīng)偏振片P1后，得到振動(dòng)方向與P1透振方向相同的線(xiàn)偏振光的振幅為A1，這束線(xiàn)偏振光進(jìn)入波片后分解為尋常光（o光）和非尋常光（e光）.o光和e光從波片出射再經(jīng)偏振片P2后發(fā)生干涉，光強(qiáng)為［2］：

圖4 偏振光干涉裝置示意圖

用白光照射時(shí)，由于各種波長(zhǎng)的光不能同時(shí)滿(mǎn)足干涉相長(zhǎng)和相消的條件，所以不同波長(zhǎng)的光有不同程度的加強(qiáng)或減弱，混合起來(lái)出現(xiàn)彩色.偏振光干涉時(shí)出現(xiàn)彩色的現(xiàn)象稱(chēng)為顯色偏振或色偏振，是檢驗(yàn)雙折射現(xiàn)象極為靈敏的方法.

生活中色偏振現(xiàn)象很普遍［3-7］，但是目前用于課堂教學(xué)演示，效果不是很明顯.為了增強(qiáng)演示效果，作者一方面設(shè)計(jì)了上面貼有2塊半圓形的偏振片（透振方向互相垂直）的圓形有機(jī)玻璃板［實(shí)驗(yàn)裝置如圖1（b）所示］，另外把剪成蝴蝶圖案的具有雙折射現(xiàn)象的玻璃紙放在上下2塊有機(jī)玻璃板之間，當(dāng)旋轉(zhuǎn)上面的有機(jī)玻璃板或旋轉(zhuǎn)玻璃紙時(shí)，就會(huì)看到變色的蝴蝶，如圖5所示.課堂演示效果非常明顯，且攜帶方便.

圖5 色偏振演示圖像

3.3 互補(bǔ)色教學(xué)演示

由式（2）可以推導(dǎo)出，當(dāng)P1和P2的透振方向相互平行時(shí)，α＝θ，Δφ′＝Δφ，；當(dāng)P1和P2的透振方向相互垂直時(shí)，α＋θ＝π/2，Δφ′＝Δφ＋π，用白光照射時(shí)，P1和P2平行時(shí)某些波長(zhǎng)加強(qiáng)到何程度，P1和P2正交時(shí)，這些波長(zhǎng)就減弱到何程度，總是符合I∥＋I(xiàn)⊥≡A1＝恒量的條件.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2種彩色如果混合起來(lái)能夠成為白色，則每種顏色都稱(chēng)為另一種顏色的互補(bǔ)色.

教材和一些文章都有提到互補(bǔ)色，但是都是用文字來(lái)描述，很少有用圖片和演示實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明.本文設(shè)計(jì)的偏振光互補(bǔ)色演示儀的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1（b）所示，在塑料白板上貼了1圈色相環(huán)，對(duì)角2個(gè)顏色為互補(bǔ)，把材料相同但厚度不同的玻璃紙（玻璃紙1和1′、2和2′、3和3′的厚度相同）放在有機(jī)玻璃板1和有機(jī)玻璃板2之間.在操作互補(bǔ)色演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要始終保證有機(jī)玻璃板2上的一個(gè)半圓形偏振片與偏振片P1的透振方向互相垂直，另一個(gè)半圓形偏振片與偏振片P1的透振方向互相平行，中間的玻璃紙可旋轉(zhuǎn).

如圖6所示，此時(shí)半圓形偏振片3與偏振片P1的透振方向互相垂直，半圓形偏振片4與偏振片P1的透振方向互相平行，與圖中色相環(huán)對(duì)應(yīng)可以看出玻璃紙1和1′、2和2′、3和3′顯示的顏色為互補(bǔ)色.演示效果非常明顯，適合課堂演示，便于學(xué)生理解.

圖6 互補(bǔ)色演示圖像

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的多功能偏振光演示儀非常清楚地演示了偏振光的馬呂斯定律、色偏振和互補(bǔ)色等偏振光干涉的知識(shí)和內(nèi)容，且此演示儀攜帶方便，課堂上的演示效果非常明顯，能更深入地詮釋偏振光干涉，非常有利于學(xué)生對(duì)這部分知識(shí)的理解和掌握.我們將繼續(xù)深入研究偏振光的理論，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和完善有關(guān)偏振光應(yīng)用的教學(xué)演示儀器，提高教學(xué)效果.

［1］ 譚曉春，祝云峰，曲勝艷.多功能偏振光演示儀在教學(xué)中的應(yīng)用研究光學(xué)教程［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2013，33（3）：18-20.

［2］ 姚啟鈞.光學(xué)教程［M］.高等教育出版社，2008.

［3］ 黃良安，陳名正.多功能偏振光演示實(shí)驗(yàn)儀［J］.物理實(shí)驗(yàn)，1995，17（2）：73-74.

［4］ 孫經(jīng)儼.色偏振的理論及應(yīng)用［J］.光學(xué)技術(shù)，1999，（4）：9-12.

［5］ 龍槐生.光的偏振及其應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

［6］ 張京，王琪，蘇衛(wèi)峰，等.透明膠帶紙中的色偏振現(xiàn)象［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2009，29（10）：38-40.

［7］ 謝欣，呂景林.膠帶的色偏振原理及其在演示實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31（6）：47-50.

［責(zé)任編輯：郭 偉］

Application of multi-functional demonstration instrument of polarized light in teaching

LIU Jian-yi1，WANG Ni-han1，LI Si-jia1，ZHU Yun-feng2，3，TAN Xiao-chun2，3，QU Sheng-yan2，3，DAI Rui1
（1.Physics School，Northeast Normal University，Changchun 130024，China；2.TAN Xiao-chun Studio of High School Physics in Jilin Province，Changchun 130117，China；3.High School Attached Northeast Normal University，Changchun 130117，China）

A multi-functional demonstration instrument of polarized light was designed and applied in teaching.Malus law，chromatic polarization and the principle of complementary colors were visualized.

Polarized light；Malus law；chromatic polarization；complementary colors

O436.3

A

1005-4642（2014）10-0041-04

“第8屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文

2014-07-04

東北師范大學(xué)第二批網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)課程（Blackboard平臺(tái)）建設(shè)項(xiàng)目

劉建一（1992－），女，吉林白城人，東北師范大學(xué)物理學(xué)院2011級(jí)本科生.

戴 瑞（1976－），女，吉林松原人，東北師范大學(xué)物理學(xué)院副教授，博士，研究方向?yàn)楣鈱W(xué).