光偏振现象演示仪的设计与制作*

谈 琪 王贤涛 严 珺 杨正波

(湖北文理学院物理与电子工程学院 湖北 襄阳 441053)

光的偏振是光的波动特性之一，广泛应用于立体电影、光学计量、光弹、薄膜、应力分析实验等领域.但是，它不同于光的反射和折射，人的感官无法直接感觉到它的存在，导致学生难以理解和掌握[1～3].本文介绍了一种简易、便捷的光偏振现象演示仪的设计思路与制作方法：利用智能手机下载安装的“声音发生器”作为信号源驱动扬声器振动产生绳驻波进而模拟光的横波特性；利用偏振片真实实验来演示光的偏振特性.该仪器设计巧妙，制作简单，现象明显，对学生理解和掌握光的偏振现象非常有帮助.

1 实验仪器

图1所示是光偏振现象演示仪的实物图，右边部分通过绳驻波模拟光的横波特性演示光的偏振，左边部分利用偏振片真实演示光的偏振现象.右侧模拟实验部分主要由智能手机、振膜式音响、细绳、狭缝和弹簧组成.利用智能手机下载、安装的“声音发生器”APP，产生振幅、频率可调的正弦波信号，驱动振膜式音响振动产生振源，从而在细绳中形成绳驻波模拟光的横波特性；弹簧能使细绳中产生张力，形成稳定驻波；狭缝相当于检偏器，模拟检测光矢量的振动方向.左侧真实实验部分主要由光源、毛玻璃和偏振片构成.两个观察窗有利于对比观察旋转检偏器后的光强变化；毛玻璃则使LED点阵光源的光更均匀，消除点光源的干扰.

图1 光偏振演示仪实物图

2 仪器的设计与制作

(1)底座和光室

如图2所示，选取1 cm厚的PVC板，截取60 cm×8 cm一块作为仪器的底座；另外截取20 cm×10 cm和8 cm×10 cm各两块制作一个长20 cm，宽8 cm，高10 cm的光室，在光室的前方板上对称地开两个直径为7 cm的圆孔作为观察窗，用热熔胶固定光室四周的PVC板.为了方便存放、携带整套仪器(分立的充电宝、音响和狭缝均可放在光室内)，光室的上盖板设计成活动的.截取20 cm×8 cm长方形PVC板，并在离边缘1 cm的4个角各粘贴一个小直角三角形的PVC板，以便固定盖板.

图2 光偏振现象演示仪设计图

(2)光源

在12 cm×8 cm的PVC板上制作一个12×9均匀分布的白光LED阵列，作为光源固定在光室内，直接用充电宝供电.为了避免观察时LED阵列的光强分布不均匀对实验效果的影响，在LED阵列前面放置一片毛玻璃，使人眼看到的光更均匀，如图3所示.

图3 光室部分实物图

(3)观察窗

找一种直径约为7 cm的圆柱形塑胶盒两个，截取瓶口部分，在瓶盖中间挖一个直径约7 cm的孔，打磨掉螺纹，将其固定在光室前面的观察窗上，以便固定和旋转偏振片.在左侧瓶盖上粘贴一偏振片作为参照窗，用于演示过程中对比观察有无偏振片和旋转检偏器时的光强变化，使得演示现象更明显.在右侧瓶口和瓶盖上分别粘贴一偏振片作为实验窗.

(4)振源

图4 振源部分实物图

振源是利用振膜式音响的振膜上下振动设计的.将一枚较粗的缝衣针插入竹筷中，以便侧拉不会弯曲，固定在矿泉水瓶盖中央，然后用热熔胶将其固定在音响振膜的正中央，如图4所示，只要输入一个信号，振膜就会上下振动，从而带动穿在针孔的细线上下振动.

(5)狭缝

狭缝是通过检测绳驻波的振动方向从而模拟检偏器，演示实验过程中需要移动和旋转狭缝，所以我们仍然采用观察窗的设计思路，截取直径约为7 cm圆柱形塑胶盒的瓶口部分，在瓶盖中间挖一条宽约0.5 mm的狭缝，打磨掉螺纹，将其固定在支架上，以便移动和旋转狭缝，如图5所示.

图5 狭缝实物图

(6)其他

选取一段弹簧将其一端固定在底座上，另一端与细绳相连，给细绳中提供拉力，产生稳定驻波.在挡板中央固定一段圆珠笔芯的塑料管，作为绳驻波的固定端，笔芯塑料管较光滑，相当于定滑轮.

3 实验过程

3.1 模拟演示光的偏振和偏振片的检偏原理

(1)实验前先在智能手机中搜索、下载、安装“声音发生器”APP，熟悉其波形选择、振幅、频率调节等功能.

(2)将演示仪放在长直平台上，从光室内取出狭缝、音响、充电宝等配件，适当调节音响的位置，使细绳保持适当紧绷.将狭缝旋转到竖直状态，移至挡板处，保持狭缝平面与细绳垂直.

(3)将音响的USB接口连接充电宝，音频接口插入耳机插孔，打开智能手机“声音发生器”，选择正弦波，调整信号频率和振幅，使细绳中产生绳驻波，观察驻波的振动方向(由于音响振膜上下振动，所以绳驻波的振动方向亦为上下方向).

(4)沿着细绳的方向移动狭缝，观察驻波的变化，移动至驻波的一个波腹位置，旋转狭缝一周，观察驻波的变化，从而模拟演示光的偏振及偏振片的检偏原理.

(5)关闭智能手机“声音发生器”，断开音响的USB接口和耳机插头.

3.2 真实演示光的偏振现象和偏振片的检偏原理

(1)对比有无偏振片的光强：将光源的USB接口连接充电宝，取下左侧观察窗的瓶盖，直接观察透过毛玻璃的光强；取下右侧观察窗的瓶盖，通过瓶口上的偏振片再观察光强，并对比两个观察窗的光强差别.然后盖上左侧瓶盖，对比两观察窗的光强差别；旋转左侧瓶盖一周，观察其的光强变化.从而表明透过毛玻璃的光是自然光，且自然光通过偏振片后光强减半.

(2)检偏器的检偏原理演示：盖上右侧瓶盖，并旋转瓶盖一周，参照左侧光强，对比观察通过右侧两个偏振片的光强变化.实验结果发现右侧偏振片旋转一周的过程中出现两次光强和左侧一样，如图6(a)所示，两次光强几乎为零的现象，如图6(b)所示，表明自然光通过偏振片后是线偏振光，演示了检偏器的检偏原理.

图6 检偏原理演示效果图

(3)整理实验仪器：断开光源的USB接口，将充电宝、音响和狭缝放入光室内.

4 总结

本演示仪通过绳驻波模拟实验和真实实验演示了光的偏振现象和偏振片的检偏原理，设计巧妙，操作简单，现象明显.把模拟实验和真实实验有机结合，加深了学生对光的偏振现象和偏振片检偏原理的理解.同时把大众化的智能手机引入到物理演示实验中，也极大地激发了学生的学习兴趣和创新意识.