光偏振现象及光弹性效应系列装置及演示

梅韵芝 蔡晓璇 植斯华 李德安

摘 要：本文建构的光偏振系列演示装置主要围绕“光的偏振”一课中的引入实验、应用实例和拓展实验而设计，能直观地演示光的横波特性、实际生活中汽车远光灯防眩原理、光弹性效应、互补色原理。此系列实验结合教师演示实验和学生自主探究实验，既能给学生带来视觉上的冲击，又能增加教学的趣味性。此外，演示装置还可用于课外活动展示，教学效果同样显著。

关键词：偏振光；光弹性效应；互补色原理；系列教具

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）4-0046-4

1 引 言

光的偏振现象、双折射现象、偏振光的干涉等是大学和中学物理中的几个重要物理概念，这些概念广泛应用于光信息处理、光通信、应力分析、激光和光电子学器件等领域。课程标准中要求高中生认识光的横波特性，了解光的偏振现象及其应用以及学会用偏振光的知识来解释生活中常见的偏振现象。但在实际物理教学中，该部分知识来自高中物理选修3-4模块[1]，属于全国高考的选考内容，因此实际教学中侧重较少，学生对其既会感到抽象难懂，也会感到新鲜好奇。笔者设计了光偏振现象系列演示装置，旨在给学生提供丰富的感性材料，带给学生更多的思维冲击，引导学生从实验探究中感受物理与现代科技发展的密切联系。

2 演示实验原理与制作方法

2.1 导入实验——会穿墙的小魔丸

纵波各点的振动方向总与波的传播方向在同一直线上；横波各点的振动方向总与波的传播方向垂直。光是横波，具有区别于纵波的偏振现象，因此我们可以利用偏振片来创设实验。偏振片是由特定材料制成的，每张偏振片都有特定的透振方向，只有沿着这个方向（即透振方向）振动的光波才能通过偏振片。自然光经过第一张偏振片后成为线偏振光，再通过第二张偏振片时，如果两张偏振片的透振方向平行，光可以通过，透射光强最大；如果两者透振方向垂直，光不能透过，透射光强为零，也就没有光线进入人眼，此时人眼看到的将是一个黑影[2]。“穿墙术”正是这个黑影造成的，将透振方向互相垂直的偏振片相邻地粘合在亚克力管（长80 cm，内径10 cm）上（如图1），人眼在某个角度看到后误以为是一道“墙”，但实质上“墙”并不真实存在。将钢圈固定在木质底座上，架起亚克力管，用钢珠、硬纸条和2个半圆球壳制作成小魔丸在内穿行，让实验更具趣味性。

2.2 应用实例——汽车远光灯防眩装置

根据马吕斯定律（两个起偏器的透振方向互相垂直时，对光的透射率几乎为零，而两个起偏器的透振方向相互平行时透光率最大），在每辆车的挡风玻璃和车灯前加上偏振片，其透振方向与水平面均成45°角[3-4]，则两车相向行驶时，一方挡风玻璃上偏振轴与对方车灯上偏振轴正交，对方车灯发出的光线经过本方挡风玻璃后光的透射率明显减小。

我们模拟现实的车辆形状并综合考虑观察视角，制作了公交车的模型与相应的偏振原理讲解模块装置。用亚克力板做成两辆规格一致的小车，在其中一辆小车上，其挡风玻璃以及其中一个车灯前贴了透振方向为与地面成45°角的偏振片，在另一辆小车上，对挡风玻璃不作处理，而是在其中一个车灯前贴上透振方向与地面成45°角的偏振片。用4个3 W灯珠串联起来模拟汽车远光灯，将两辆车相对错开放置，模拟夜间车辆行驶交会的情景，我们可以在左车（如图2）的挡风玻璃后清晰地看到自身的车灯照射出来的光，并且观察到车灯的偏振片对自身的观察视线并没有影响，我们还可以观察到右车的两盏车灯消光效果具有显著差异。通过对比的方法，我们可以得知偏振片在车辆远光灯防眩上具有较大的实用性。

为了说明汽车防眩装置中偏振片必须采用透振方向与地面成45°角的原因，制作了供学生自主探究的防眩装置原理讲解模块。因为实际生活中考虑制作工艺和实用性，每辆汽车的偏振片的偏振方向一致，所以当两辆汽车相向而行时，两车的偏振片透振方向互为镜面对称，因此偏振片选为45°角最合适。

在本教具中制作了三个规格一样的齿轮状亚克力板（直径10 cm），将两个齿轮两面相对，分别贴上规格一样的偏振片，环绕两张偏振片粘贴0°～360°的刻度线，在两张偏振片的透振方向上粘贴了指示条，以区分两者的透振方向，用第三个带有螺丝手把的亚克力齿轮在底部加以连接，最后用一木框架作为支撑。利用齿轮的传动特性，当底部的齿轮转动时，两侧的两个齿轮会朝着相反的方向旋转，从而模拟两辆车在相向而行时的偏振片方向做镜面对称变化。

2.3 拓展实验——光弹性效应和互补色原理[5-7]

当含有多种颜色的白光经过第一张偏振片后，得到振动方向与其透振方向相同的线偏振光，然后再进入具有双折射性质的材料后，它会分为两束透振方向呈直角、传播速度不同的偏振光——寻常光（o光）和非寻常光（e光），根据这些光的波长和材料的取向，它们就会产生各种不同的干涉。当再经过第二张偏振片时，就可以滤掉未加改动的光线，清楚地看到不同方向偏振的光相互干涉的情形，一些波长的光因干涉而被抵消，因此光的颜色就不再是白色。

生活中具有双折射性质的材料有塑料刀叉、塑料尺等，因制作工艺引起内部应力不均匀，由于各处干涉情况不同，因而出现干涉条纹。应力变化大的地方，条纹密；应力变化小的地方，条纹疏，该现象也称为光弹性效应。

将两张0°偏振片（直径为20 cm）分别贴在两块圆形的亚克力板（直径分别为20 cm与30 cm，厚0.5 cm）上，中间钻一小孔，将贴有塑料刀叉、塑料尺的投影片（直径为20 cm）放在两张偏振片中间，用螺丝固定，旋转其中一张偏振片，即可观察到塑料尺上出现移动的彩色条纹（如图3）。为了补偿环境的光强，用亮度可调节的LED灯带围绕四周。要想探究条纹的颜色规律，可以用以下互补色原理来解释。

白光是由各种不同波长的单色光组成，用白光入射两张共轴的偏振片，当二者偏振方向平行时某些波长加强到某种程度，记此时的出射光强为I∥，二者正交时，这些波长就减弱到某种程度，记此时的出射光强为I⊥，总是符合I∥+I⊥=恒量的条件[8]。如果把平行时出现的混合彩色和正交时出现的混合彩色再混合，将重新恢复為和入射光相同的白色。任何两种彩色如果混合起来能够成为白色，则每种颜色都称为另一种颜色的互补色。

将一张0°偏振片（直径为20 cm）贴在一块圆形的亚克力板（直径为20 cm）上，将两张透振方向互相垂直的半圆形组合偏振片（直径均为20 cm）贴在另一块圆形的亚克力板（直径为30 cm）上，并钻一小孔，两块亚克力板中间放置一张沿不同直径方向贴有若干组不同层数的透明胶带的投影片（直径为20 cm），锁紧螺丝，旋转半圆形组合偏振片，每个时刻都可以观察到每组沿直径方向的对角色块为互补色。（如图4）将色相环环绕的偏振片粘贴在亚克力板上，互补色可以通过色相环去判断，色相环上对角的颜色为互补色。

3 演示装置与实际效果

3.1 所需材料

亚克力管、0°和45°偏振片若干、亚克力板若干、齿轮状亚克力板3个、硬纸条、小木块若干、木质底座、钢圈、半圆球壳2个、钢珠、3 W灯珠4个、移动电源、电源开关、导线若干、LED灯带（规格为60个灯珠）、透明胶、投影片2张、螺丝螺母、塑料刀叉、塑料尺、色相环等。

3.2 演示方法

（1）会穿墙的小魔丸（如图5）

（小魔丸从右边管口顺利穿过四堵“黑墙”）

①将贴有偏振片的亚克力管用木质底座架起，调节倾斜至合适的角度，观察到亚克力管中存在四堵“墙”；

②从亚克力管一端将小魔丸轻轻拨动，可观察到小魔丸会在管内翻跟斗，并且依次穿过四堵“墙”，并从亚克力管的另一端穿出。

③将一张透振方向与地面成0°角的偏振片卷成圆柱状后放进亚克力管的一端，观察偏振片重叠后的亮暗程度，以此解释“墙”的形成。

（2）汽车远光灯防眩装置（如图6、7、8）

①将两辆小车相对错开地放置于水平桌面上，模拟夜间两辆车相向而行的情形；

②打开车灯电源开关，从外部观察两盏车灯的亮度，发现两盏车灯的亮度没有明显的区别；

③从挡风玻璃贴有偏振片的小车一方观察对面小车的车灯，发现贴有偏振片的车灯明显比没有贴偏振片的车灯光强度弱；

④从没有贴偏振片的小车的挡风玻璃观察对面小车的车灯，发现车灯光都很亮，通过对比得到结论，对方小车的车灯光线经过偏振片再经过小车的挡风玻璃上的偏振片后，可以明显地消光。

⑤使用原理讲解模块，旋转底部齿轮的螺丝手把，从一侧观察偏振片的亮暗变化，当两张偏振片的透振方向指示条都为45°时，即两张偏振片透振方向相互垂直时最暗。此模块可供学生自主探究光的偏振原理。

4 光弹性效应和互补色原理演示

光弹性效应和互补色原理如图9所示。

（左图塑料尺上出现彩色条纹）及互补色原理（右图中间圆屏出现六种颜色，对角的颜色为互补色）

①轻触LED灯带的开关，微调至合适亮度。

②演示光弹性效应时，将贴有塑料刀叉和塑料尺的投影片放在两张偏振片中间，锁紧螺丝，旋转其中一张偏振片，观察中间圆屏的现象，塑料刀叉和塑料尺上出现彩色条纹而且条纹会随着偏振片转动而发生移动。

③演示互补色原理时，在一张偏振片前放置一张沿不同直径方向贴有若干组不同层数的透明胶带的投影片，再在前面放置一张透振方向互相垂直的半圆形组合偏振片，锁紧螺丝，旋转半圆形组合偏振片，观察中间圆屏的现象，每个时刻我们都可以观察到每组沿直径方向的对角色块为互补色。我们可以通过色相环去判断互补色，色相环中对角的两种颜色即为互补色。教材和一些文章中都有提到互补色，但都是用文字来描述，很少有用图片和演示实验来说明。

5 创新点

本系列装置以偏振片为核心材料，用趣味性的实验现象展示了光的魅力，实验现象明显且教学应用性强。教具中采用的器材贴近生活和学习实际，且安全环保、无污染。操作制作容易，价格低廉，演示效果好。装置各部分均为分立，“穿墙术”巧妙地结合“会翻跟斗的小魔丸”，动静结合，视觉感受强烈，容易吸引学生的注意力，生动有趣，适合课堂引入。应用实例部分还原生活场景，密切联系实际，为了让学生真正理解现实生活中汽车远光灯防眩中偏振片的透振方向必须选用与地面成45°角，还设计了可供学生自主实验的原理讲解模块。同时，对两辆小车进行不同的设置，可以通过对比观察，探究偏振片在防眩上的效果和实用性。

另外，拓展了“光弹性效应、互补色原理”实验，现象美观有趣，并有重要的科研价值和应用领域。例如，钢化玻璃在制造的过程中，由于冷却不均匀，内部会产生不均匀的应力，会使玻璃自行爆裂。基于光弹性效应的原理，可以检测出玻璃的内应力分布，并通过适当的工艺进行优化处理。可用于课堂自主探究实验或者课外活动展示，有效地帮助学生更全面、深刻地认识和理解偏振光，让科学真正地融入学生的内心世界。

参考文献：

[1]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-4[M].北京：人民教育出版社，2006：68-72.

[2]黄小羽，帕提玛·艾力木哈孜，戴瑞，等.偏振元件透振方向的判定与“穿墙而过”小魔术[J].物理实验，2016，36（1）：38-39.

[3]沈吉泉，沈明泉.车辆防眩装置：CN100476290C[P].2009.

[4]王佩祥.偏振光实验系统的趣味性改进[J].物理实验，2016，36（2）：37-41.

[5]石睿.适度融合学史，巧妙设计实验——《光的偏振》教学设计[J].物理教学探讨，2014，32（10）：76-80.

[6]謝欣，吕景林.胶带的色偏振原理及其在演示实验中的应用[J].实验室研究与探索，2012，31（6）：47-50.

[7]晓庆，陈靖丰，刘丽飒.透明塑料盒上的显色偏振[J].物理实验，2015，35（4）：42-46.

[8]刘建一，王旎菡，李思嘉，等.多功能偏振光演示仪在教学中的应用[J].物理实验，2014，34（10）：41-44.