劉一樂(lè) 董小慶 代珍兵

摘 ? 要：針對(duì)人教版高中物理《光的偏振》應(yīng)用部分——“立體電影”，設(shè)計(jì)3D立體效果演示儀作為課堂實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用光的偏振特性、透鏡成像規(guī)律以及人眼立體視覺(jué)等原理，演示了3D立體效果形成過(guò)程，直觀(guān)、形象地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。

關(guān)鍵詞：偏振;演示實(shí)驗(yàn);立體效果演示;教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2019）11-0049-3

光的偏振是高中物理光學(xué)部分的難點(diǎn)，學(xué)生相關(guān)前概念較少，知識(shí)又較抽象。新課標(biāo)對(duì)于《光的偏振》這一部分的要求是讓高中學(xué)生能夠了解基礎(chǔ)知識(shí)并能運(yùn)用所學(xué)解釋生活中的現(xiàn)象，因此將教材[1]中“立體電影”這一應(yīng)用詳細(xì)展開(kāi)是很有必要的。在教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)中可以根據(jù)實(shí)際情況選擇性地應(yīng)用該教具輔助教學(xué)，不僅可以促進(jìn)學(xué)生理解立體效果的形成過(guò)程，而且有利于學(xué)生理解光的偏振特性、人眼的立體視覺(jué)等基本光學(xué)原理，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣、積極性以及對(duì)知識(shí)的理解。

1 ? ?實(shí)驗(yàn)原理與裝置

立體電影是利用雙頭攝像機(jī)拍攝出左右畫(huà)面再進(jìn)行整合，觀(guān)者帶上特定偏振方向的眼鏡就能看到立體的效果了。利用人的立體視覺(jué)[2-3]的原理，我們通過(guò)模擬雙眼來(lái)制作圖片，這樣拍攝出的兩幅圖片是有細(xì)微差別的。當(dāng)兩幅圖片投影到屏幕上的像重合在一起時(shí)，呈現(xiàn)的畫(huà)面是模糊的。為了呈現(xiàn)清晰、立體的畫(huà)面，首先，在左右投影儀前分別貼上透振方向相互垂直的偏振片，這樣兩個(gè)投影儀發(fā)出的光的振動(dòng)方向是相互垂直的，如圖1所示。其次，在眼睛前方放置對(duì)應(yīng)透振方向的偏振片，即左眼前偏振片的透振方向與左投影儀前的平行，右眼同理。因此，這就達(dá)到了清晰觀(guān)察立體對(duì)象的效果[4]。這種立體效果呈現(xiàn)的方式就是利用了兩偏振片之間透振方向相互平行時(shí)透過(guò)的光強(qiáng)度最強(qiáng)、相互垂直時(shí)透過(guò)的光強(qiáng)度最弱的原理。

2 ? ?裝置結(jié)構(gòu)及器材

裝置由相同型號(hào)強(qiáng)光手電筒2只、凸透鏡2對(duì)、投影膠片（制成各式各樣的動(dòng)物圖片，等距制作兩組圖片）、單銅板（此作為金屬幕）、PVC板、螺絲等制作而成，3D立體效果演示儀結(jié)構(gòu)如圖2（a）和圖2（b）所示。

箱體內(nèi)部和外部是不同直徑的兩組凸透鏡。利用內(nèi)部凸透鏡將光匯聚于圖片上。外部凸透鏡將像呈現(xiàn)在金屬幕上，并通過(guò)側(cè)部拉桿改變其物距。

圖片板是由投影膠片制成的，上面打印了不同動(dòng)物的圖片，以?xún)闪行问脚虐?，并且左右兩列圖片相同。兩列圖片的間距與強(qiáng)光手電筒的光斑的間距相等。切換播放圖片，模擬超慢速電影播放的過(guò)程。

箱體是由左右兩個(gè)獨(dú)立的播放室構(gòu)成的，在兩個(gè)播放室前端貼有透振方向相互垂直的偏振片。調(diào)整偏振眼鏡的偏振方向，使其與對(duì)應(yīng)播放室前的偏振片透振方向相互平行。經(jīng)過(guò)多次調(diào)整、改進(jìn)，最終制成的3D立體效果演示儀的實(shí)物圖如圖3所示。

3 ? ?制作步驟

（1）制作燈箱。用PVC板制作兩個(gè)相互獨(dú)立、且寬度略大于強(qiáng)光手電筒直徑的播放室，燈箱隔層內(nèi)的光互不干擾。將焦距和直徑合適的凸透鏡放入強(qiáng)光手電筒之前，并且調(diào)節(jié)凸透鏡的中心與強(qiáng)光手電筒的中心在同一高度。

（2）取厚度為0.17 mm、日東光電的透射式線(xiàn)性偏振片兩張，判斷其透振方向后，分別貼在燈箱的兩個(gè)播放室前，使兩者透振方向分別是水平和豎直方向。

（3）制作燈箱外部支架，使它能穩(wěn)定地支撐燈箱，通過(guò)燈箱后部細(xì)線(xiàn)的環(huán)繞來(lái)調(diào)節(jié)燈箱的仰角。

（4）在燈箱左右兩側(cè)的等高位置處固定了兩根調(diào)節(jié)滑桿，以此來(lái)調(diào)節(jié)外部凸透鏡的遠(yuǎn)近，從而使投影出的圖片呈現(xiàn)清晰的像。外部凸透鏡固定在一塊PVC板上，只接觸凸透鏡直徑的兩端，故可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)圖片位置，并且此PVC板可以左右移動(dòng)，也能達(dá)到調(diào)節(jié)像的位置。

（5）測(cè)量?jī)墒蛛娡补獍叩闹行拈g距，以該間距為標(biāo)準(zhǔn)，利用圖片排版工具調(diào)節(jié)兩列圖片的大小，使其尺寸略小于強(qiáng)光手電筒的光斑大小。調(diào)節(jié)兩列圖片的中心間距，使其等于兩光斑的間距。最后，將這兩列圖片打印到透明投影膠片后貼到有機(jī)玻璃上。

（6）用單面覆銅板來(lái)制作金屬幕，并調(diào)節(jié)金屬幕的高度，使幕的中心高度與燈箱小仰角時(shí)投影出的像的中心高度相等。

（7）采用相同的偏振片來(lái)制作偏振眼鏡。左眼偏振片透振方向與燈箱的左播放室外偏振片透振方向相同，右眼偏振片透振方向與燈箱的右播放室外偏振片透振方向相同。

4 ? ?使用方法

調(diào)節(jié)金屬幕與主體部分的距離，放入圖片板。打開(kāi)強(qiáng)光手電筒的電源，調(diào)節(jié)電筒的光圈使左右兩側(cè)光斑大小及燈光強(qiáng)度相同且光斑略大于圖片，調(diào)節(jié)圖片使每一張圖片都處在光斑中心位置。關(guān)閉右側(cè)手電筒電源，調(diào)節(jié)左側(cè)播放室外部的凸透鏡與圖片的距離，使金屬幕上呈現(xiàn)出清晰的像。同理，調(diào)節(jié)右側(cè)。同時(shí)打開(kāi)兩側(cè)手電筒電源，通過(guò)橫向移動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng)外部凸透鏡，使兩幅圖片的像幾乎重合在一起，再帶上偏振眼鏡，就能看到有立體效果的圖片了。

5 ? ?總 ?結(jié)

中學(xué)課堂教學(xué)中，教師可以根據(jù)實(shí)際情況在各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)靈活使用3D立體效果演示儀，以學(xué)生體驗(yàn)為基礎(chǔ)，教師的合理引導(dǎo)為輔助，讓學(xué)生更好地理解了光的偏振等基礎(chǔ)知識(shí)，了解了立體電影的制作原理，而且激起了學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)的興趣以及探索問(wèn)題的欲望，有利于讓學(xué)生養(yǎng)成探索問(wèn)題和解決問(wèn)題的良好習(xí)慣。

具體來(lái)說(shuō)，在課堂引入中，可以通過(guò)該教具呈現(xiàn)奇妙的“立體效果”，吸引學(xué)生的注意力，開(kāi)啟探索之旅。學(xué)生在解決問(wèn)題的過(guò)程中進(jìn)行學(xué)習(xí)，不僅讓學(xué)習(xí)變得更有方向性，而且貼近生活實(shí)例，有效地降低了學(xué)生心目中對(duì)學(xué)習(xí)難度的評(píng)定，以達(dá)到更好的教學(xué)效果。在課堂展開(kāi)過(guò)程中，分析儀器的成像原理，引導(dǎo)學(xué)生理解光的偏振特性以及偏振方向等一系列問(wèn)題。從儀器呈現(xiàn)的現(xiàn)象和操作過(guò)程的觀(guān)察入手，逐漸地轉(zhuǎn)向?qū)ξ锢砘A(chǔ)知識(shí)和規(guī)律的學(xué)習(xí)，加強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，將形象思維漸漸地轉(zhuǎn)化為抽象的邏輯思維。

參考文獻(xiàn)：

[1]張大昌，彭前程.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理選修3-4[M].北京：人民教育出版社，2007：63-66.

[2]朱梁.人眼的深度視覺(jué)原理與立體影像特性[J].北京電影學(xué)院學(xué)報(bào)，2016（4）：130-137.

[3]劉劍鋒.立體影像形成原理及實(shí)現(xiàn)方法[J].物理教師， 2014，35（5）：44-46.

[4]管永軍，金武，牛小寧.3D偏振演示實(shí)驗(yàn)[J].物理實(shí)驗(yàn)， 2011，31（12）：1-3，7.（欄目編輯 ? ?王柏廬）