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        布儒斯特定律演示儀的研制與教學(xué)

        2023-12-19 06:18:36羅春梅
        廣西物理 2023年3期
        關(guān)鍵詞:光幕反射光玻璃片

        羅春梅

        (遼東學(xué)院,遼寧 丹東 118003)

        0 引言

        2016 年IYPT 競(jìng)賽第15 題題目是非接觸千分尺,要求利用激光筆發(fā)明和制造一種光學(xué)裝置,可以非接觸地測(cè)定玻璃板的厚度、折射率和其他特性。學(xué)生準(zhǔn)備參賽時(shí),大學(xué)物理理論教學(xué)教授了布儒斯特定律,引起了學(xué)生的注意,設(shè)想制作布儒斯特定律演示儀,測(cè)量玻璃的折射率[1-2]。

        1 布儒斯特定律原理

        當(dāng)自然光在兩種各向同性的媒質(zhì)分界面上反射和折射時(shí),(1)入射角等于反射角;(2)反射光和折射光都成為部分偏振光;(3)當(dāng)入射角為布儒斯特角i0時(shí),其振動(dòng)方向與入射面垂直,反射光是線偏振光,折射光仍為部分偏振光,反射光與折射光互相垂直;(4)當(dāng)光以入射角為布儒斯特角i0入射許多相互平行的玻璃片重疊而成的玻璃片堆上時(shí),反射光的強(qiáng)度得以加強(qiáng),而折射光近似為偏振光。根據(jù)布儒斯特定律,測(cè)量出布儒斯特角,可以測(cè)量折射率(如圖1 所示)。

        圖1 反射起偏原理圖

        保持入射角i0不變,在待測(cè)玻璃片上連續(xù)放置玻璃片,則折射光接收光幕上的光斑有強(qiáng)弱變化,說(shuō)明折射光是部分偏振光;調(diào)整折射光檢偏器,直至折射光接收光幕上的光斑消失,折射光近似為偏振光(如圖2 所示)。

        圖2 用玻璃片堆產(chǎn)生偏振光

        2 布儒斯特定律演示儀制作過(guò)程

        2.1 設(shè)計(jì)布儒斯特定律演示儀初步想法

        如圖3 所示,設(shè)計(jì)布儒斯特定律演示儀初步想法。

        圖3 設(shè)計(jì)布儒斯特定律演示儀初步想法

        依據(jù)上述要求,制作出1 代布儒斯特定律演示儀,如圖4 所示。

        圖4 第1 代布儒斯特定律演示儀

        2.2 完善布儒斯特定律演示儀,制作第2 代布儒斯特定律演示儀

        第1 代布儒斯特定律演示儀非常簡(jiǎn)易,由此產(chǎn)生如下問(wèn)題。

        問(wèn)題1:激光筆如何放置?

        問(wèn)題2:檢偏器如何放置?

        問(wèn)題3:量角器如何放置,如何測(cè)量?

        問(wèn)題4:待測(cè)的不同厚度玻璃片如何放置?

        問(wèn)題5:如何搭建框架?

        制作團(tuán)隊(duì)的同學(xué)展開(kāi)了討論,設(shè)計(jì)作品,滿足設(shè)計(jì)要求,制作第2 代布儒斯特定律演示儀。

        首先,使用鋁型材及軸承座搭建結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,操作便捷。其次,切割出五個(gè)相同的齒輪,實(shí)現(xiàn)五齒輪聯(lián)動(dòng),入射角變化,反射角同步變化,量角器同步變化,并且入射角等于反射角。再次,搭建載物臺(tái),分別放置玻璃片、反射光檢偏器和折射光檢偏器,置物臺(tái)高度可調(diào),適應(yīng)于不同厚度的玻璃(見(jiàn)圖5)。

        圖5 第2 代布儒斯特定律演示儀

        2.3 布儒斯特定律演示儀成品——第3 代布儒斯特定律演示儀

        第2 代布儒斯特定律演示儀出現(xiàn)的問(wèn)題:設(shè)計(jì)的作品是直立式的,操作時(shí)容易翻倒。固定激光筆的入射光桿和放置反射光接收屏桿沒(méi)有可以固定的措施,測(cè)量角度時(shí)容易發(fā)生滑動(dòng),造成比較大的誤差[3]。

        針對(duì)上述問(wèn)題,制作團(tuán)隊(duì)的同學(xué)展開(kāi)了討論,完善設(shè)計(jì),將直立式改成橫臥式,安裝角度限位滑臺(tái)使得在測(cè)量角度時(shí)可以進(jìn)行固定,保證角度不變。制成第3 代布儒斯特定律演示儀,如圖6 所示。

        圖6 第3 代布儒斯特定律演示儀

        當(dāng)齒輪B 帶動(dòng)其延長(zhǎng)桿和頂端的激光器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度時(shí),與之嚙合的齒輪A 帶動(dòng)量角器順時(shí)針偏轉(zhuǎn)相同角度,指針指出偏轉(zhuǎn)值,齒輪A 帶動(dòng)軸和齒輪C 順向等角度偏轉(zhuǎn),齒輪C 帶動(dòng)齒輪D 逆向等角度偏轉(zhuǎn),齒輪D 再帶動(dòng)齒輪E 順向等角度偏轉(zhuǎn),齒輪E 帶動(dòng)延長(zhǎng)桿中部的反射光檢偏器和頂端的反射光接收光幕等角度偏轉(zhuǎn),五齒輪聯(lián)動(dòng),入射角變化,反射角同步變化,量角器同步變化,并且入射角等于反射角。激光器照射在待測(cè)玻璃片的光束經(jīng)反射后到反射光接收光幕,入射光線與反射光線的夾角是指針指出量角器偏轉(zhuǎn)值的二倍,確定入射角的角度數(shù)值。

        激光器照射在待測(cè)玻璃片的光束經(jīng)反射后穿過(guò)反射光檢偏器到反射光接收光幕,調(diào)整反射光檢偏器,則反射光接收光幕上的光斑由強(qiáng)變?nèi)酰f(shuō)明反射光是部分偏振光;再偏轉(zhuǎn)齒輪B,改變?nèi)肷浣墙嵌?,直至反射光接收光幕上的光斑消失,此時(shí)反射光是偏振光,出現(xiàn)了反射起偏現(xiàn)象,驗(yàn)證了布儒斯特定律。讀出入射角i0角度,由n=tani0計(jì)算出折射率。

        保持入射角i0不變,在待測(cè)玻璃片連續(xù)放置玻璃片,則折射光接收光幕上的光斑有強(qiáng)弱變化,說(shuō)明折射光是部分偏振光;調(diào)整折射光檢偏器,直至折射光接收光幕上的光斑消失,折射光近似為偏振光。如表1 所示,測(cè)量的數(shù)據(jù)記錄與處理與廠家給的玻璃片折射率數(shù)值非常吻合。

        表1 測(cè)量的數(shù)據(jù)記錄與處理數(shù)值

        3 結(jié)語(yǔ)

        通過(guò)探索和實(shí)踐,學(xué)生不斷提出問(wèn)題,解決問(wèn)題,最終完成了布儒斯特定律演示儀的制作。

        通過(guò)制作布儒斯特定律演示儀的過(guò)程,學(xué)生學(xué)會(huì)了提出問(wèn)題、做猜想和假設(shè)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、制作作品,并不斷修改作品,努力找到最佳答案,使學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)得到提高,創(chuàng)新能力得到培養(yǎng)。

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