實踐出真知

摘要：課本上的知識往往是將實際生產、生活中的物理問題進行簡單化、模型化處理過了的，所以跟實際的應用原理之間或多或少會存在著差異.這就需要我們本著實事求是的原則和積極探索的精神，及時發現問題和解決問題，真正做到教學相長.現以普通的3D眼鏡為例說明.

關鍵詞：偏振現象；3D眼鏡；線偏振光；圓偏振光；四分之一波片

作者簡介：周鵬（1972-），男，江蘇高郵人，教育碩士，中學高級教師，研究方向：高中物理學科教學.

隨著生活水平的提高，看3D電影已成為人們尋常的休閑方式.在高中物理教科書選修3-4第十三章《光》的第六節《光的偏振》中，以“科學漫步”的閱讀材料形式，對于3D電影的原理作了簡單的介紹：人通過左右眼看同樣的對象，兩眼所見角度不同，在視網膜上形成的像并不完全相同，這兩個像經過大腦綜合以后就能區分物體的前后、遠近，從而產生立體視覺.立體電影的原理即為以兩臺攝影機仿照人眼睛的視角同時拍攝，在放映時亦以兩臺放影機同步放映至同一面銀幕上，在每臺投影機的鏡頭前都必須加一片偏光鏡，一臺是橫向偏振片，一臺是縱向偏振片（或斜角交叉），這樣銀幕就將不同的偏振光反射到觀眾的眼睛里.觀眾觀看電影時亦要戴上偏振光眼鏡，左右鏡片的偏振方向必須與投影機搭配，如此左右眼就可以各自過濾掉不合偏振方向的畫面，只看到相應的偏振光圖象，即左眼只能看到左機放映的畫面，右眼只能看到右機放映的畫面.這些畫面經過大腦綜合后，就產生了立體視覺.

根據這些書本知識，我們都會覺得，觀看立體電影時所佩戴的立體眼鏡應當是非常簡單和廉價的，僅僅是兩個普通的偏振片而已，一個透振方向是水平的，另一個則是豎直的.但是，當我們真的找來一副普通的3D眼鏡時，卻發現根本不是這回事.具體有如下“反常現象（如圖1所示）：

1.用3D眼鏡觀察光滑桌面的反射光或液晶屏的光（為偏振光）時，讓光從正常戴眼鏡時眼鏡的前方入射（即光線是從鏡腳方向的另一側入射的.以下簡稱為“前方入射”），旋轉眼鏡，發現并沒有像透過正常的偏振片那樣出現消光現象（反射光全黑），而只是亮度和顏色稍有變化（淺咖啡色和青藍色交替出現）；但是，如果光線反過來從鏡腳一側入射（以下簡稱為“后方入射”）時，旋轉眼鏡，仍可觀察到消光現象.

2.用其中任意一個鏡片作為起偏器，光源的光仍從前方入射，再用另一眼鏡的鏡片仍以同樣的方向對著光源作為檢偏器時，旋轉第二個眼鏡，發現并沒有出現消光現象，也只是亮度和顏色稍有變化；如果同時讓兩個鏡片的后方迎著光，情況也是這樣.

但是，如果讓光線先從一個鏡片的前方入射，再從另一個鏡片的后方入射時，則會出現消光現象；并且，在透射光最強時，透射光跟正常的透射光沒有明顯差別.而當光線先從一個鏡片的后方入射，再從另一個鏡片的前方入射時，也會出現消光現象；并且，在透射光最強時，透射光跟正常的透射光相比明顯偏深紫色.

3.用其中任意一個鏡片作為起偏器，光源的光仍從正常戴眼鏡時眼鏡的前方入射，再用另一個正常的偏振片作為檢偏器時，發現左右鏡片是在同一個方向上出現消光現象，而不是兩個相互垂直的方向.

4. 讓3D眼鏡前方對著電腦液晶屏（鏡腳對著自己），旋轉眼鏡，沒有消光現象，只有亮度和顏色稍有變化；但如果反過來，讓3D眼鏡的鏡腳對著電腦液晶屏，旋轉眼鏡，每當轉到左斜向45°時，會出現消光現象，轉到右斜向45°時，透射光最強.

以上“反常”現象的存在，說明目前普遍使用的普通的3D觀影眼鏡，其鏡片并不是一個簡單的偏振片，應該還有其它結構.為此，筆者查閱了“3D眼鏡的原理”相關詞條，在眾多的信息中篩選出以下信息.

偏光3D眼鏡分為線偏光3D眼鏡和圓偏光3D眼鏡.如何區別這兩種偏光3D眼鏡呢？

方法一：找個表面有偏光膜的顯示器（一般的都有），對于線偏光3D眼鏡，將眼鏡腳方向對著自己，水平時一邊鏡片會變黑.轉動45°角會發現兩邊鏡片逐漸變亮，繼續轉動到垂直位置另一邊鏡片變黑.對于圓偏光3D眼鏡，將眼鏡腳的方向朝屏幕，水平位置時兩邊鏡片都亮，順時針轉動45°角時兩邊鏡片逐漸變黑，繼續轉動180°的過程中，會看到兩邊鏡片先逐漸變亮，然后再次變黑.

方法二：將兩副3D眼鏡對放（前方對著前方，鏡腳都朝外），鏡片變得非常深基本不透明的是圓片光3D眼鏡，如果顏色稍微加深一點點的是線偏光眼鏡.

對于偏振光，高中物理教材中僅僅給出了一個籠統的定義：“在垂直于傳播方向的平面上，沿著某個特定的方向振動的光叫做偏振光.…我們通常看到的絕大部分光都是不同程度的偏振光”.跟3D電影相關的偏振光，一種是光矢量始終沿某一固定方向振動的光，稱為線偏振光（如圖2所示），也叫做完全偏振光；另一種叫做圓偏振光（如圖3所示）：光矢量端點的軌跡為一圓，即光矢量不斷旋轉，其大小不變，但方向隨時間有規律地變化.圓偏振光的偏振方向隨著時間的變化而均勻分布，能夠很好地模擬自然光偏振方向各向同性的特征，且任意方向的偏振分量保持恒定的大小.圓偏振光的振動方向的旋轉特性，可以有效地減輕人們的視覺疲勞，達到健康護眼的目的.

中學物理教材中講述了可以通過偏振片的方式產生線偏振光.那么3D電影中的圓偏振光該如何產生呢？ 它是讓光線經由一片線偏振片與一片四分之一波片（為特殊雙折射材料）膠合而成的鏡片后產生的.該四分之一波片的光軸與線偏振片的偏振光振動方向成45°角.光線自線偏振片一端射入為正向，自四分之一波片一端射入為反向.正向射向圓偏振片的自然光，先后通過線偏振片和四分之一波片后，即成為圓偏振光.而如果反向射向圓偏振鏡的自然光，先后通過四分之一波片和線偏振片后，最終成為的則是線偏振光.

研究到這里，我們就完全能理解為什么一副普通的3D眼鏡會出現前面所述的一系列反常現象了，原來是因為3D眼鏡的鏡片確實不只是一塊偏振片，而是一套由普通線偏振片和四分之一波片構成的“組合光具”，前述的反常現象都是四分之一波片在“搗鬼”.而且由于該“組合光具”的前后不對稱，自然光正向通過和反向通過后形成的最終光線偏振性質不同，所以才出現了3D眼鏡正向看和反向看情況不一樣的情況.

雖然3D眼鏡的問題算是基本解決了，但是問題又來了：既然3D眼鏡的兩個鏡片透光情況基本一致，那么我們又是如何通過它們產生立體感覺的呢？ 看來，不僅僅是實際的3D眼鏡的原理跟課本上講的基本原理有出入以外，3D電影實際的放映原理也一定跟課本上有較大的不同.

實際上，由于課本上介紹的立體電影的放映方式對于兩臺攝影機和兩臺放映機的要求非常高，要求兩臺放影機要以特定方式放置，并將兩個畫面點對點完全一致地、同步地投射在同一個銀幕內，所以相應的電影制作成本也就比較高.并且，上述傳統的立體電影的觀影方式，對于觀眾來說也不是一件舒服的事，雖然傳統的線偏光立體眼鏡的立體視覺效果比圓偏光立體眼鏡要好，但觀看過程中線偏光立體眼鏡有一定角度因素，不宜進行轉頭、晃頭等頭部運動.如果眼鏡略有偏轉，垂直偏振鏡片就會看見一部分水平方向的圖像，水平偏振鏡片也會看見一部分垂直方向的圖像，左、右眼就會看到明顯的重影.而且傳統的3D技術是基于雙眼融像的技術，就是說在觀看的時候左右眼看到的圖像是不一樣的，雙眼融像后產生立體感，這種融像的負擔大于日常的融像負擔，所以會覺得眼睛疲勞，常常會覺得頭暈、惡心.

所以，隨著技術和發展和進步，目前主流的3D電影的放映方式是只用一臺放映機放映（這一點在教材中也提到了）.但是相應的電影文件必須是將兩臺攝像機同步拍攝的畫面經過適當的處理，先后交替地出現在電影文件里.放映時，在放映機鏡頭前還要依次加裝一個線偏振片和一個四分之一波片，使得投射到屏幕上的光線變為圓偏振光.該圓偏振光的偏振方向是有規律地旋轉著的，它可分為左旋偏振光和右旋偏振光，它們相互間的干擾非常小，它的通光特性和阻光特性基本不受旋轉角度的影響.并且是左旋、右旋偏振光先后依次出現.看這種形式的3D電影時，觀眾佩戴的3D眼鏡就是前面所說的“組合光具”，其偏振眼鏡片一個是左旋偏振片，另一個是右旋偏振片，也就是說觀眾的左右眼分別看到的是左旋偏振光和右旋偏振光帶來的不同畫面，通過人的視覺系統產生立體感.

通過這次的實踐研究，再一次感受到了物理學和科學技術的巨大魅力，再一次體會到了理論跟實際間的巨大差異，也再一次意識到不斷實踐的重要性.在當前的教育教學模式之下 ，對于我們教師而言，由于幾乎沒有機會走進工廠，沒有時間去好好地品味生活，所以我們的很多知識往往都只能停留在基本理論的層面上.這就意味著我們一定要做到更多的觀察和思考，多多動手實驗，對于及時發現問題要有充分的準備.只要我們有心，隨時都能夠發現類似的問題.比如，在演示通、斷電自感現象時，在什么情況下，同一個電路中的通、斷電自感現象都會很明顯？ 如果有條件的話，在利用電流傳感器做該實驗時，為什么通電后極短時間內線圈中的電流會超過其穩定后的電流？ 為什么實驗室里的手搖發電機的e-t圖線與標準的正弦曲線相去甚遠？ 等等.只有老師們自己具備了在實踐中不斷地發現和解決問題的意識和能力，我們的學生才會有更多的可能不斷地產生新的問題，才能真正做到教學相長，共同學習，共同進步.

參考文獻：

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[4] 如何解釋下面這種驗證圓偏振3D眼鏡的方法？[EB/OL].https：//www.zhihu.com/ question/38880151/answer/193883505

[5] 偏振式3D [EB/OL].https：//baike.so.com/doc/6677160-6891032.html