偏振光演示實驗的改進(jìn)

戴 瑞，夏 彬，陳美竹，于海波

(1.東北師范大學(xué) a.物理學(xué)院;b.物理學(xué)師范專業(yè)國家級實驗教學(xué)示范中心(東北師范大學(xué))，吉林 長春 130024；2.東北師范大學(xué)附屬實驗學(xué)校，吉林 長春 130117)

光的偏振不僅是高中物理光學(xué)的重點知識，也是大學(xué)物理光學(xué)的重點知識[1]，為了幫助學(xué)生更好地理解掌握這部分知識，借鑒已有的研究成果[2-3]，自主設(shè)計了偏振光演示實驗裝置[4]. 根據(jù)教學(xué)中的應(yīng)用反饋，對原有演示實驗裝置進(jìn)行了改進(jìn)，通過光是橫波、偏振光的干涉以及光彈性效應(yīng)演示實驗來展示其效果. 演示材料來源于生活中常用物品，學(xué)生感受到所學(xué)的物理現(xiàn)象與日常生活很近，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

1 改進(jìn)的偏振光演示實驗裝置

為了提高光源的亮度，用3只白熾燈替換原有的環(huán)狀LED燈，3只白熾燈呈正三角形排列. 在3只白熾燈前配有均光板，增加了光源的均勻性. 為了防止在使用過程中偏振片和透明薄膜變形，把偏振片和透明薄膜粘貼在圓形基片上，并配有底座和充電電源(原來的偏振光演示儀沒有底座，并且用電池供電)，使用起來更為方便.

改進(jìn)的偏振光演示實驗裝置如圖1所示，光源由3只光譜連續(xù)的白熾燈和1塊均光板構(gòu)成. 均光板的直徑為36 cm，均光板外圈為貼有色相環(huán)的有機(jī)玻璃板，色相環(huán)的外圈直徑為41 cm，顏色為紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫漸變色. 配有2塊貼有偏振片的圓形高透光基片和2塊貼有透明薄膜(具有雙折射性質(zhì))的圓形高透光基片，基片材料為有機(jī)玻璃板或鋼化玻璃，透明薄膜可以是書本的外包裝薄膜等.

圖1 偏振光演示實驗裝置

2 觀察光的偏振現(xiàn)象

2.1 光是橫波

光的干涉和衍射現(xiàn)象說明光具有波動性，但不能由此確定光究竟是橫波還是縱波，觀察陽光和燈光垂直通過2塊平行放置的偏振片可以判斷光是橫波. 如圖2所示，把2塊貼有偏振片的基片放在偏振光演示實驗裝置上，旋轉(zhuǎn)外側(cè)的基片，透射光會發(fā)生變化. 當(dāng)2塊偏振片透振方向平行(夾角為0°)時，透射光最亮;當(dāng)2塊偏振片透振方向垂直(夾角為90°)時，沒有光透過，說明光波的振動方向與光的傳播方向垂直，即光波是橫波.在與傳播方向垂直的二維空間里光矢量還可能有其他的振動狀態(tài)，稱為光的偏振.

(a)2塊偏振片透振方向 (b)2塊偏振片透振方向 夾角為0° 夾角為90°圖2 演示光是橫波

2.2 偏振光的干涉

如圖3所示，在實驗裝置上先放1塊貼有偏振片的基片，再放1塊貼有雙折射性質(zhì)的透明薄膜的基片(透明薄膜分為8塊，材料相同，厚度不同，過圓心對角線的2塊厚度相同)，旋轉(zhuǎn)貼有透明薄膜的基片時，沒有顏色變化，只有透光亮度稍有不同(和薄膜厚度有關(guān))，如圖3(a)所示. 在貼有透明薄膜的基片外側(cè)放另外1塊貼有偏振片的基片，旋轉(zhuǎn)貼有偏振片的基片或者旋轉(zhuǎn)貼有透明薄膜的基片都可以看到彩色變化，如圖3(b)和3(c)所示，這就是偏振光的干涉現(xiàn)象. 過圓心的2塊薄膜顯示的顏色之所以相同，是因為它們的厚度相同，此處演示的偏振光干涉是等厚干涉.

為了增加趣味性，也可以把透明薄膜雕刻成不同圖案，如圖3(d)所示. 把薄膜雕刻成蝴蝶圖案，因為蝴蝶身體各部分薄膜的厚度不同，所以演示過程中學(xué)生可以看到顏色不斷變化的蝴蝶. 課堂演示時，還可以事先選擇1本帶有外包裝薄膜的書，現(xiàn)場把薄膜拆下來進(jìn)行演示，更貼近學(xué)生的生活.

(a) (b)

(c) (d)圖3 演示偏振光的干涉現(xiàn)象

2.3 觀察光彈性效應(yīng)

塑料、玻璃等非晶體在通常情況下是各向同性的，不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，當(dāng)它們所受應(yīng)力不同時，會變成各向異性而顯示出雙折射現(xiàn)象，稱為光彈性效應(yīng). 利用偏振光的干涉可以觀察到塑料或玻璃等非晶體所受應(yīng)力分布，如圖4所示.

(a) (b)

(c) (d) 圖4 觀察光彈性效應(yīng)

圖4(a)和圖4(b)為在2塊貼有偏振片的基片之間放有塑料材質(zhì)的光盤盒和直尺，從圖4(a)和圖4(b)干涉條紋的疏密度可以看出光盤盒和直尺各部分所受應(yīng)力不同，條紋密處所受應(yīng)力大，條紋疏處所受應(yīng)力小. 圖4(c)和圖4(d)為在2塊貼有偏振片的基片之間放有一段透明膠帶，圖4(c)透明膠帶不受力，圖4(d)用力拉緊透明膠帶，可以看出透明膠帶受力不同時，干涉條紋顏色和疏密度都發(fā)生了變化. 利用該方法研究介質(zhì)應(yīng)力的分布，目前已發(fā)展成為專門的學(xué)科——光測彈性學(xué)，它為工程設(shè)計解決了極其復(fù)雜的應(yīng)力分析問題. 通過上述的簡單演示，可以引導(dǎo)學(xué)生接觸到這門學(xué)科.

3 結(jié)束語

改進(jìn)的演示裝置的光源為全譜系可見光源，帶有均光板，出射光明亮且均勻，課堂演示效果明顯. 實驗同時還增加了光彈性效應(yīng)演示內(nèi)容，所用的塑料材質(zhì)的光盤盒和直尺、透明膠帶都是學(xué)生日常生活常用到的物品，把它們放在2塊偏振片之間觀察，會看到有顏色的變化，學(xué)生會覺得很神奇，進(jìn)而激發(fā)他們學(xué)習(xí)物理的興趣，這也是教學(xué)目標(biāo)之一.