非實驗室環(huán)境下的偏振光實驗及其拓展

虞期盼，李思晴，鄒曹沂，李澤佑，羅鍛斌

(華東理工大學(xué) 理學(xué)院，上海 200237)

2020年初爆發(fā)的新冠肺炎疫情，對整個社會和個人均產(chǎn)生了深刻地影響。而教育是此次疫情影響最深的領(lǐng)域之一。為了應(yīng)對疫情期間的教學(xué)，國內(nèi)外同行都采取了一系列應(yīng)對措施。以筆者所在的大學(xué)物理教育領(lǐng)域，各種因地制宜、各具特色的線上線下混合教學(xué)方式[1-4]為應(yīng)對疫情起了重要作用。對于大學(xué)物理實驗教學(xué)，疫情期間的線上虛擬仿真實驗教學(xué)和居家實驗教學(xué)為實驗教學(xué)這一特殊的教學(xué)領(lǐng)域提供了有力保障[5-7]。這些實驗教學(xué)方式，也對后疫情時代的物理實驗教學(xué)提供了有益的啟示[8]。特別是居家實驗教學(xué)，一方面讓學(xué)生在全開放的非實驗室環(huán)境自主進(jìn)行實驗，極大地鍛煉了學(xué)生的實驗設(shè)計、動手操作、數(shù)據(jù)采集分析、報告總結(jié)、口頭表達(dá)等能力；另一方面，讓智能手機(jī)的各種傳感器以及相關(guān)應(yīng)用軟件(Phyphox、Physics Toolbox Suite、Tracker等)獲得了廣大師生的極大關(guān)注并日益廣泛地融入到物理實驗教學(xué)過程中。普及后疫情時代的非實驗室環(huán)境物理實驗教學(xué)，不僅在大學(xué)物理課程的教學(xué)演示、學(xué)生對物理原理的理解、日常生活現(xiàn)象的解釋與應(yīng)用等方面有直觀的作用，而且在更深層次的拓展物理教育、提高國民科學(xué)素養(yǎng)上有重要意義[9]。

光學(xué)現(xiàn)象的研究是物理實驗中的重要組成部分，而光的偏振、干涉和衍射是波動光學(xué)實驗的基本組成部分。如何開展非實驗室環(huán)境中的光學(xué)實驗，國內(nèi)同行已經(jīng)有不少有趣、有益的方案[10,11]。在本文中，利用學(xué)生更容易獲取的非實驗室環(huán)境下的工具，結(jié)合智能手機(jī)演示了偏振光的性質(zhì)，驗證了馬呂斯定律。同時做了簡單的拓展，演示了偏振光干涉下透明介質(zhì)的應(yīng)力分布。

相比于不少演示實驗中所使用的激光筆作為光源，通電使用中的液晶顯示屏其實是非實驗室環(huán)境下很好的偏振光源。非實驗室環(huán)境下可以方便地選擇筆記本計算機(jī)顯示屏、ipad等平板顯示屏甚至手機(jī)顯示屏作為偏振光源。日常使用的偏光太陽鏡或者3D眼鏡可以用做實驗中的起偏和檢偏器。實驗中將電腦顯示屏調(diào)為白屏，并保持亮度不變。在顯示屏前放置偏振眼鏡(檢偏器)，使偏振眼鏡在平行于顯示屏的平面上旋轉(zhuǎn)，可以觀察到光照強度的強弱周期性變化并用手機(jī)的光強傳感器結(jié)合Phyphox軟件測量光強。偏振眼鏡旋轉(zhuǎn)角度的測量可以用自制刻度盤(標(biāo)有角度讀數(shù)的圓環(huán)紙圈并貼于顯示屏上)和細(xì)小長尖銳物體指示(如長竹簽等)。整個實驗裝置如圖1所示。

圖1 利用液晶屏幕與3D眼鏡驗證馬呂斯定律

一手握著角度指針和偏振眼鏡，另一只手在偏振眼鏡后托著智能手機(jī)。旋轉(zhuǎn)偏振眼鏡，觀察透過光強有2次消光，2次最強；在消光位置，此時入射的偏振光方向與偏振眼鏡透偏方向互相垂直。

馬呂斯定律描述了線偏振光經(jīng)過不同夾角的檢偏器后的光強的變化規(guī)律，驗證馬呂斯定律是偏振光實驗中的重要部分。用Phyphox軟件檢測透過偏振眼鏡的光強度的變化，使透過的光強最強，記下此時指針指示的度數(shù)和光強。再旋轉(zhuǎn)偏振眼鏡，每隔10°記錄一次對應(yīng)的光強值，直到旋轉(zhuǎn)360°。所得數(shù)據(jù)處理如圖2所示。

圖2 驗證馬呂斯定律

從圖2中的擬合結(jié)果可以看到上述非實驗室環(huán)境下的測量能夠較好地驗證馬呂斯定律。

在大學(xué)物理實驗課程中分別涉及光的偏振和干涉現(xiàn)象均有較豐富的實驗內(nèi)容，而把兩者結(jié)合起來的偏振光干涉則極少提及。利用上述非實驗室環(huán)境下的相關(guān)器件，可以非常方便地演示偏振光干涉及其簡單應(yīng)用。

圖3 正交偏振光下的塑料尺

為了便于操作測試材料，用ipad屏幕作為偏振光源。實驗時把ipad屏幕打開并置于桌面，偏振太陽鏡作為檢偏器，測試材料置于兩者之間，如圖3所示。塑料尺的彩色條紋表面了其中靜態(tài)折射率的不均勻分布。

為了動態(tài)演示偏振光干涉下的材料的應(yīng)力分布變化，先把具有規(guī)則孔洞的有機(jī)玻璃薄片置于液晶屏幕與太陽鏡之間，然后對其施加拉力。圖4中樣品上顏色的動態(tài)變化情況說明了在拉力過程中該性質(zhì)的孔洞周圍應(yīng)力的積累情況。

圖4 在液晶屏幕與太陽鏡間對透明有機(jī)玻璃薄片施加拉力時的邊緣應(yīng)力分布變化(從左到右拉力增大)

在規(guī)則透明有機(jī)玻璃薄片邊緣產(chǎn)生一切口，然后沿垂直于切口方向?qū)ζ涫┘永Γ谝壕聊慌c太陽鏡之間可以清楚地觀察到隨著拉力的增大，切口處的應(yīng)力積累情況，如圖5所示。

圖5 在液晶屏幕與太陽鏡間對透明有機(jī)玻璃薄片施加拉力時的切口應(yīng)力分布變化(從左到右拉力增大)

本文描述了非實驗室環(huán)境下偏振光實驗相關(guān)內(nèi)容的驗證與拓展演示。在上述非實驗室環(huán)境下的物理實驗中，堅持了如下三方面原則。一是應(yīng)該清楚非實驗室環(huán)境下的實驗條件與實驗室教學(xué)環(huán)境的很大不同，非實驗室環(huán)境的實驗器件和條件需要學(xué)生創(chuàng)造，所以實驗器材的選擇必須考慮相對于學(xué)生的方便性、安全性與經(jīng)濟(jì)實用性。盡量考慮學(xué)生身邊能夠找到的實驗器材(如液晶顯示器)，盡量不需要學(xué)生購置昂貴器材，即使學(xué)生購置器材也是他們能夠日后用的上的器材(如太陽鏡等)。物理實驗的核心操作是對相關(guān)物理量的測量，所以第二個原則是即使在非實驗室環(huán)境實驗，但實驗中要具有一定程度上滿足物理實驗測量的定量要求內(nèi)容，保證實驗數(shù)據(jù)與物理規(guī)律的重現(xiàn)性。在本文中的馬呂斯定律的驗證，滿足了的第二個設(shè)計原則。實驗測量結(jié)果與物理規(guī)律的能夠相互驗證，對學(xué)生的實驗信心有很大激勵作用。第三個原則是非實驗室環(huán)境實驗內(nèi)容應(yīng)該通過一定程度的拓展提高學(xué)生的實驗興趣，激發(fā)他們的創(chuàng)新意識。偏振光干涉實驗內(nèi)容在大學(xué)物理實驗課程內(nèi)容中沒有涉及，而通過上述實驗裝置可以讓學(xué)生很方便地實現(xiàn)。至于材料形狀、材料顏色分布等與應(yīng)力分布的關(guān)系，則可以激勵有興趣的學(xué)生進(jìn)一步深入研究探討。此外，上述非實驗室環(huán)境的偏振光演示裝置，大學(xué)物理課程教師也可非常方便地在課堂進(jìn)行演示。

致謝：羅浩琳同學(xué)和鄧浩淇同學(xué)對本文實驗也有貢獻(xiàn)。