基于傳感器的偏振實驗教學探究

史 芹 任 衛(wèi) 姜慧敏

（1.石河子大學理學院；2.西安郵電大學）

傳感器的應(yīng)用作為一種現(xiàn)代教育手段，已成為大中小學學科教學理念現(xiàn)代化的標志。這是信息化教學和學科教學相結(jié)合的有益嘗試。該教學模式激發(fā)了學生自主學習的興趣，提升了學生的創(chuàng)新能力，為教師課堂教學展示提供了良好的仿真環(huán)境。

光學是物理學重要的組成部分，是理工科必須掌握的一門學科。為了使學生更形象、更深入地理解光學知識，傳統(tǒng)教學大都采用實驗的方法對知識點做定性分析。例如光學偏振現(xiàn)象實驗，大多實驗是采用如下方法：讓同學拿兩個偏振片，固定其中一個（起偏器），另一個（檢偏器）對其旋轉(zhuǎn)一周，透過檢偏器觀察光強的變化情況。在旋轉(zhuǎn)一周的過程中會出現(xiàn)光強明暗交替，兩次消光現(xiàn)象。但該實驗不能定量反映光強隨旋轉(zhuǎn)角度的變化量，從而難以解釋馬呂斯定律。在教師采用傳統(tǒng)實驗方法講解該定律時，光強和角度的函數(shù)關(guān)系很難體現(xiàn)。因此，該光學實驗不僅需要定性的動態(tài)演示，更需要定量的比較分析。為加深學生對課堂知識的理解，提高教師的教學成效，在此利用傳感器結(jié)合傳統(tǒng)實驗的教學方法，形象實時地展現(xiàn)馬呂斯定律，有效解決了傳統(tǒng)實驗不能定量描述的問題。

一、實驗儀器

傳感器在物理實驗中一般是將力學或光學信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妼W信號進行輸出，因此其配套通常為數(shù)據(jù)采集器、計算機和專用試驗數(shù)據(jù)分析軟件，主要應(yīng)用電腦控制跟蹤和數(shù)據(jù)采集分析的智能化實時控制系統(tǒng)。

本實驗使用的主要儀器為檢偏器、基本光學工作臺、半導體激光器、高靈敏度光學傳感器、轉(zhuǎn)動傳感器和PASCO Capstone 軟件。其示意圖如圖1 所示，實物圖如圖2 所示。

二、實驗原理

光是一種電磁波，是橫波。光波電矢量振動的空間分布對于光的傳播方向失去對稱性的現(xiàn)象叫作光的偏振。光振動只沿某一固定方向的光，也稱偏振光。

偏振片只允許處于一個特定的振動平面內(nèi)的光通過它。這一平面形成了一個偏振軸。在所有的平面內(nèi)，非偏振光的振動垂直于它的傳播方向。如果一個非偏振光入射到一個理想的偏振片上，只有一半的光強會通過這個偏振片。若有兩個偏振片，當非偏振光入射到第一個偏振片后，假設(shè)這個穿過第一個偏振片的極化電場被稱為E1，其中E2是這個場以一定的角度Φ 通過第二個偏振片，同時相對于第一個偏振片的電場為E1=COSΦ（見圖3）。由于光的強度與電場的平方成一定的比例，則穿過第二個偏振片的光強是：

此式即為馬呂斯定理的數(shù)學表達式。

則通過第三個偏振片的光強是I3，得出：

在本實驗中，通過手動旋轉(zhuǎn)第二塊偏振片，記錄相對光強和兩塊偏振片偏振軸夾角的關(guān)系曲線，得到的光強-角度曲線符合角度的余弦平方曲線，通過這一規(guī)律能夠驗證馬呂斯定律。

三、實驗方案與數(shù)據(jù)分析

將半導體激光器、檢偏器、轉(zhuǎn)動傳感器和高靈敏度光學傳感器依次固定在光具座上，轉(zhuǎn)動傳感器安裝在第二個偏振片支架上，并讓滑輪對著支架。再將轉(zhuǎn)動傳感器插入850 通用接口的一個PASPORT 輸入端口。推動所有光學軌道上的組件使它們盡可能地靠近（注意：在光傳感器上的孔徑圓盤不能與偏振器接觸）。

本實驗設(shè)定傳感器在20Hz 時，記錄相對光強與旋轉(zhuǎn)角度的曲線關(guān)系如圖5 所示。打開激光器，點擊軟件上的RECORD，然后緩慢旋轉(zhuǎn)連著轉(zhuǎn)動傳感器的偏振片使它通過360°（可以多旋幾周），最后點擊STOP。在此過程當中，當曲線通過轉(zhuǎn)折點時盡可能地緩慢平穩(wěn)移動（避免出現(xiàn)臺階式曲線），在轉(zhuǎn)折點之間可以快速通過。

若將公式（1）中的（cosφ）2當作變量，則出射光強I2應(yīng)與（cosφ）2為正比例函數(shù)關(guān)系。為此做變量代換，其曲線如圖6 所示。

從圖6 可知，相對光強確實與（cosφ）2成正比例函數(shù)關(guān)系。

在該實驗中，不僅對光強與偏振片的旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系做了定性分析，即偏振片旋轉(zhuǎn)一周光強強弱的變化規(guī)律，還直觀向?qū)W生展示了出射光強大小與偏振片旋轉(zhuǎn)角度之間關(guān)系的定量分析。光強與偏振片角度的關(guān)系曲線圖完美驗證了馬呂斯定律，有助于學生對理論課的深入理解。

PASCO 傳感器系統(tǒng)的使用，可以很好地模擬并展示傳感器在不同頻率下相對光強與偏振片旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系，即I2=I1（cosφ）2（φ 為入射線偏光振動方向和偏振片偏振化方向之間的夾角）。它的直觀展示和實時性，可以讓學生即時定性定量地觀測到實驗結(jié)果，加深對馬呂斯定律的理解，激發(fā)學生對學習物理的激情，提高學習科學知識的內(nèi)驅(qū)力。