梅韻芝 蔡曉璇 植斯華 李德安

摘 要：本文建構的光偏振系列演示裝置主要圍繞“光的偏振”一課中的引入實驗、應用實例和拓展實驗而設計，能直觀地演示光的橫波特性、實際生活中汽車遠光燈防眩原理、光彈性效應、互補色原理。此系列實驗結合教師演示實驗和學生自主探究實驗，既能給學生帶來視覺上的沖擊，又能增加教學的趣味性。此外，演示裝置還可用于課外活動展示，教學效果同樣顯著。

關鍵詞：偏振光；光彈性效應；互補色原理；系列教具

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）4-0046-4

1 引 言

光的偏振現(xiàn)象、雙折射現(xiàn)象、偏振光的干涉等是大學和中學物理中的幾個重要物理概念，這些概念廣泛應用于光信息處理、光通信、應力分析、激光和光電子學器件等領域。課程標準中要求高中生認識光的橫波特性，了解光的偏振現(xiàn)象及其應用以及學會用偏振光的知識來解釋生活中常見的偏振現(xiàn)象。但在實際物理教學中，該部分知識來自高中物理選修3-4模塊[1]，屬于全國高考的選考內容，因此實際教學中側重較少，學生對其既會感到抽象難懂，也會感到新鮮好奇。筆者設計了光偏振現(xiàn)象系列演示裝置，旨在給學生提供豐富的感性材料，帶給學生更多的思維沖擊，引導學生從實驗探究中感受物理與現(xiàn)代科技發(fā)展的密切聯(lián)系。

2 演示實驗原理與制作方法

2.1 導入實驗——會穿墻的小魔丸

縱波各點的振動方向總與波的傳播方向在同一直線上；橫波各點的振動方向總與波的傳播方向垂直。光是橫波，具有區(qū)別于縱波的偏振現(xiàn)象，因此我們可以利用偏振片來創(chuàng)設實驗。偏振片是由特定材料制成的，每張偏振片都有特定的透振方向，只有沿著這個方向（即透振方向）振動的光波才能通過偏振片。自然光經過第一張偏振片后成為線偏振光，再通過第二張偏振片時，如果兩張偏振片的透振方向平行，光可以通過，透射光強最大；如果兩者透振方向垂直，光不能透過，透射光強為零，也就沒有光線進入人眼，此時人眼看到的將是一個黑影[2]?！按πg”正是這個黑影造成的，將透振方向互相垂直的偏振片相鄰地粘合在亞克力管（長80 cm，內徑10 cm）上（如圖1），人眼在某個角度看到后誤以為是一道“墻”，但實質上“墻”并不真實存在。將鋼圈固定在木質底座上，架起亞克力管，用鋼珠、硬紙條和2個半圓球殼制作成小魔丸在內穿行，讓實驗更具趣味性。

2.2 應用實例——汽車遠光燈防眩裝置

根據(jù)馬呂斯定律（兩個起偏器的透振方向互相垂直時，對光的透射率幾乎為零，而兩個起偏器的透振方向相互平行時透光率最大），在每輛車的擋風玻璃和車燈前加上偏振片，其透振方向與水平面均成45°角[3-4]，則兩車相向行駛時，一方擋風玻璃上偏振軸與對方車燈上偏振軸正交，對方車燈發(fā)出的光線經過本方擋風玻璃后光的透射率明顯減小。

我們模擬現(xiàn)實的車輛形狀并綜合考慮觀察視角，制作了公交車的模型與相應的偏振原理講解模塊裝置。用亞克力板做成兩輛規(guī)格一致的小車，在其中一輛小車上，其擋風玻璃以及其中一個車燈前貼了透振方向為與地面成45°角的偏振片，在另一輛小車上，對擋風玻璃不作處理，而是在其中一個車燈前貼上透振方向與地面成45°角的偏振片。用4個3 W燈珠串聯(lián)起來模擬汽車遠光燈，將兩輛車相對錯開放置，模擬夜間車輛行駛交會的情景，我們可以在左車（如圖2）的擋風玻璃后清晰地看到自身的車燈照射出來的光，并且觀察到車燈的偏振片對自身的觀察視線并沒有影響，我們還可以觀察到右車的兩盞車燈消光效果具有顯著差異。通過對比的方法，我們可以得知偏振片在車輛遠光燈防眩上具有較大的實用性。

為了說明汽車防眩裝置中偏振片必須采用透振方向與地面成45°角的原因，制作了供學生自主探究的防眩裝置原理講解模塊。因為實際生活中考慮制作工藝和實用性，每輛汽車的偏振片的偏振方向一致，所以當兩輛汽車相向而行時，兩車的偏振片透振方向互為鏡面對稱，因此偏振片選為45°角最合適。

在本教具中制作了三個規(guī)格一樣的齒輪狀亞克力板（直徑10 cm），將兩個齒輪兩面相對，分別貼上規(guī)格一樣的偏振片，環(huán)繞兩張偏振片粘貼0°～360°的刻度線，在兩張偏振片的透振方向上粘貼了指示條，以區(qū)分兩者的透振方向，用第三個帶有螺絲手把的亞克力齒輪在底部加以連接，最后用一木框架作為支撐。利用齒輪的傳動特性，當?shù)撞康凝X輪轉動時，兩側的兩個齒輪會朝著相反的方向旋轉，從而模擬兩輛車在相向而行時的偏振片方向做鏡面對稱變化。

2.3 拓展實驗——光彈性效應和互補色原理[5-7]

當含有多種顏色的白光經過第一張偏振片后，得到振動方向與其透振方向相同的線偏振光，然后再進入具有雙折射性質的材料后，它會分為兩束透振方向呈直角、傳播速度不同的偏振光——尋常光（o光）和非尋常光（e光），根據(jù)這些光的波長和材料的取向，它們就會產生各種不同的干涉。當再經過第二張偏振片時，就可以濾掉未加改動的光線，清楚地看到不同方向偏振的光相互干涉的情形，一些波長的光因干涉而被抵消，因此光的顏色就不再是白色。

生活中具有雙折射性質的材料有塑料刀叉、塑料尺等，因制作工藝引起內部應力不均勻，由于各處干涉情況不同，因而出現(xiàn)干涉條紋。應力變化大的地方，條紋密；應力變化小的地方，條紋疏，該現(xiàn)象也稱為光彈性效應。

將兩張0°偏振片（直徑為20 cm）分別貼在兩塊圓形的亞克力板（直徑分別為20 cm與30 cm，厚0.5 cm）上，中間鉆一小孔，將貼有塑料刀叉、塑料尺的投影片（直徑為20 cm）放在兩張偏振片中間，用螺絲固定，旋轉其中一張偏振片，即可觀察到塑料尺上出現(xiàn)移動的彩色條紋（如圖3）。為了補償環(huán)境的光強，用亮度可調節(jié)的LED燈帶圍繞四周。要想探究條紋的顏色規(guī)律，可以用以下互補色原理來解釋。

白光是由各種不同波長的單色光組成，用白光入射兩張共軸的偏振片，當二者偏振方向平行時某些波長加強到某種程度，記此時的出射光強為I∥，二者正交時，這些波長就減弱到某種程度，記此時的出射光強為I⊥，總是符合I∥+I⊥=恒量的條件[8]。如果把平行時出現(xiàn)的混合彩色和正交時出現(xiàn)的混合彩色再混合，將重新恢復為和入射光相同的白色。任何兩種彩色如果混合起來能夠成為白色，則每種顏色都稱為另一種顏色的互補色。

將一張0°偏振片（直徑為20 cm）貼在一塊圓形的亞克力板（直徑為20 cm）上，將兩張透振方向互相垂直的半圓形組合偏振片（直徑均為20 cm）貼在另一塊圓形的亞克力板（直徑為30 cm）上，并鉆一小孔，兩塊亞克力板中間放置一張沿不同直徑方向貼有若干組不同層數(shù)的透明膠帶的投影片（直徑為20 cm），鎖緊螺絲，旋轉半圓形組合偏振片，每個時刻都可以觀察到每組沿直徑方向的對角色塊為互補色。（如圖4）將色相環(huán)環(huán)繞的偏振片粘貼在亞克力板上，互補色可以通過色相環(huán)去判斷，色相環(huán)上對角的顏色為互補色。

3 演示裝置與實際效果

3.1 所需材料

亞克力管、0°和45°偏振片若干、亞克力板若干、齒輪狀亞克力板3個、硬紙條、小木塊若干、木質底座、鋼圈、半圓球殼2個、鋼珠、3 W燈珠4個、移動電源、電源開關、導線若干、LED燈帶（規(guī)格為60個燈珠）、透明膠、投影片2張、螺絲螺母、塑料刀叉、塑料尺、色相環(huán)等。

3.2 演示方法

（1）會穿墻的小魔丸（如圖5）

（小魔丸從右邊管口順利穿過四堵“黑墻”）

①將貼有偏振片的亞克力管用木質底座架起，調節(jié)傾斜至合適的角度，觀察到亞克力管中存在四堵“墻”；

②從亞克力管一端將小魔丸輕輕撥動，可觀察到小魔丸會在管內翻跟斗，并且依次穿過四堵“墻”，并從亞克力管的另一端穿出。

③將一張透振方向與地面成0°角的偏振片卷成圓柱狀后放進亞克力管的一端，觀察偏振片重疊后的亮暗程度，以此解釋“墻”的形成。

（2）汽車遠光燈防眩裝置（如圖6、7、8）

①將兩輛小車相對錯開地放置于水平桌面上，模擬夜間兩輛車相向而行的情形；

②打開車燈電源開關，從外部觀察兩盞車燈的亮度，發(fā)現(xiàn)兩盞車燈的亮度沒有明顯的區(qū)別；

③從擋風玻璃貼有偏振片的小車一方觀察對面小車的車燈，發(fā)現(xiàn)貼有偏振片的車燈明顯比沒有貼偏振片的車燈光強度弱；

④從沒有貼偏振片的小車的擋風玻璃觀察對面小車的車燈，發(fā)現(xiàn)車燈光都很亮，通過對比得到結論，對方小車的車燈光線經過偏振片再經過小車的擋風玻璃上的偏振片后，可以明顯地消光。

⑤使用原理講解模塊，旋轉底部齒輪的螺絲手把，從一側觀察偏振片的亮暗變化，當兩張偏振片的透振方向指示條都為45°時，即兩張偏振片透振方向相互垂直時最暗。此模塊可供學生自主探究光的偏振原理。

4 光彈性效應和互補色原理演示

光彈性效應和互補色原理如圖9所示。

（左圖塑料尺上出現(xiàn)彩色條紋）及互補色原理（右圖中間圓屏出現(xiàn)六種顏色，對角的顏色為互補色）

①輕觸LED燈帶的開關，微調至合適亮度。

②演示光彈性效應時，將貼有塑料刀叉和塑料尺的投影片放在兩張偏振片中間，鎖緊螺絲，旋轉其中一張偏振片，觀察中間圓屏的現(xiàn)象，塑料刀叉和塑料尺上出現(xiàn)彩色條紋而且條紋會隨著偏振片轉動而發(fā)生移動。

③演示互補色原理時，在一張偏振片前放置一張沿不同直徑方向貼有若干組不同層數(shù)的透明膠帶的投影片，再在前面放置一張透振方向互相垂直的半圓形組合偏振片，鎖緊螺絲，旋轉半圓形組合偏振片，觀察中間圓屏的現(xiàn)象，每個時刻我們都可以觀察到每組沿直徑方向的對角色塊為互補色。我們可以通過色相環(huán)去判斷互補色，色相環(huán)中對角的兩種顏色即為互補色。教材和一些文章中都有提到互補色，但都是用文字來描述，很少有用圖片和演示實驗來說明。

5 創(chuàng)新點

本系列裝置以偏振片為核心材料，用趣味性的實驗現(xiàn)象展示了光的魅力，實驗現(xiàn)象明顯且教學應用性強。教具中采用的器材貼近生活和學習實際，且安全環(huán)保、無污染。操作制作容易，價格低廉，演示效果好。裝置各部分均為分立，“穿墻術”巧妙地結合“會翻跟斗的小魔丸”，動靜結合，視覺感受強烈，容易吸引學生的注意力，生動有趣，適合課堂引入。應用實例部分還原生活場景，密切聯(lián)系實際，為了讓學生真正理解現(xiàn)實生活中汽車遠光燈防眩中偏振片的透振方向必須選用與地面成45°角，還設計了可供學生自主實驗的原理講解模塊。同時，對兩輛小車進行不同的設置，可以通過對比觀察，探究偏振片在防眩上的效果和實用性。

另外，拓展了“光彈性效應、互補色原理”實驗，現(xiàn)象美觀有趣，并有重要的科研價值和應用領域。例如，鋼化玻璃在制造的過程中，由于冷卻不均勻，內部會產生不均勻的應力，會使玻璃自行爆裂。基于光彈性效應的原理，可以檢測出玻璃的內應力分布，并通過適當?shù)墓に囘M行優(yōu)化處理?？捎糜谡n堂自主探究實驗或者課外活動展示，有效地幫助學生更全面、深刻地認識和理解偏振光，讓科學真正地融入學生的內心世界。

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