布儒斯特定律演示儀的研制與教學

羅春梅

（遼東學院，遼寧 丹東 118003）

0 引言

2016 年IYPT 競賽第15 題題目是非接觸千分尺，要求利用激光筆發明和制造一種光學裝置，可以非接觸地測定玻璃板的厚度、折射率和其他特性。學生準備參賽時，大學物理理論教學教授了布儒斯特定律，引起了學生的注意，設想制作布儒斯特定律演示儀，測量玻璃的折射率[1-2]。

1 布儒斯特定律原理

當自然光在兩種各向同性的媒質分界面上反射和折射時，（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）當入射角為布儒斯特角i0時，其振動方向與入射面垂直，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，反射光的強度得以加強，而折射光近似為偏振光。根據布儒斯特定律，測量出布儒斯特角，可以測量折射率（如圖1 所示）。

圖1 反射起偏原理圖

保持入射角i0不變，在待測玻璃片上連續放置玻璃片，則折射光接收光幕上的光斑有強弱變化，說明折射光是部分偏振光；調整折射光檢偏器，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 用玻璃片堆產生偏振光

2 布儒斯特定律演示儀制作過程

2.1 設計布儒斯特定律演示儀初步想法

如圖3 所示，設計布儒斯特定律演示儀初步想法。

圖3 設計布儒斯特定律演示儀初步想法

依據上述要求，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易，由此產生如下問題。

問題1：激光筆如何放置？

問題2：檢偏器如何放置？

問題3：量角器如何放置，如何測量？

問題4：待測的不同厚度玻璃片如何放置？

問題5：如何搭建框架？

制作團隊的同學展開了討論，設計作品，滿足設計要求，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構，結構穩定，操作便捷。其次，切割出五個相同的齒輪，實現五齒輪聯動，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，分別放置玻璃片、反射光檢偏器和折射光檢偏器，置物臺高度可調，適應于不同厚度的玻璃（見圖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的問題：設計的作品是直立式的，操作時容易翻倒。固定激光筆的入射光桿和放置反射光接收屏桿沒有可以固定的措施，測量角度時容易發生滑動，造成比較大的誤差[3]。

針對上述問題，制作團隊的同學展開了討論，完善設計，將直立式改成橫臥式，安裝角度限位滑臺使得在測量角度時可以進行固定，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

當齒輪B 帶動其延長桿和頂端的激光器逆時針旋轉一個角度時，與之嚙合的齒輪A 帶動量角器順時針偏轉相同角度，指針指出偏轉值，齒輪A 帶動軸和齒輪C 順向等角度偏轉，齒輪C 帶動齒輪D 逆向等角度偏轉，齒輪D 再帶動齒輪E 順向等角度偏轉，齒輪E 帶動延長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，五齒輪聯動，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。激光器照射在待測玻璃片的光束經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值的二倍，確定入射角的角度數值。

激光器照射在待測玻璃片的光束經反射后穿過反射光檢偏器到反射光接收光幕，調整反射光檢偏器，則反射光接收光幕上的光斑由強變弱，說明反射光是部分偏振光；再偏轉齒輪B，改變入射角角度，直至反射光接收光幕上的光斑消失，此時反射光是偏振光，出現了反射起偏現象，驗證了布儒斯特定律。讀出入射角i0角度，由n=tani0計算出折射率。

保持入射角i0不變，在待測玻璃片連續放置玻璃片，則折射光接收光幕上的光斑有強弱變化，說明折射光是部分偏振光；調整折射光檢偏器，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，測量的數據記錄與處理與廠家給的玻璃片折射率數值非常吻合。

表1 測量的數據記錄與處理數值

3 結語

通過探索和實踐，學生不斷提出問題，解決問題，最終完成了布儒斯特定律演示儀的制作。

通過制作布儒斯特定律演示儀的過程，學生學會了提出問題、做猜想和假設、進行實驗、制作作品，并不斷修改作品，努力找到最佳答案，使學生的創新意識得到提高，創新能力得到培養。