基于传感器的偏振实验教学探究

史 芹 任 卫 姜慧敏

（1.石河子大学理学院；2.西安邮电大学）

传感器的应用作为一种现代教育手段，已成为大中小学学科教学理念现代化的标志。这是信息化教学和学科教学相结合的有益尝试。该教学模式激发了学生自主学习的兴趣，提升了学生的创新能力，为教师课堂教学展示提供了良好的仿真环境。

光学是物理学重要的组成部分，是理工科必须掌握的一门学科。为了使学生更形象、更深入地理解光学知识，传统教学大都采用实验的方法对知识点做定性分析。例如光学偏振现象实验，大多实验是采用如下方法：让同学拿两个偏振片，固定其中一个（起偏器），另一个（检偏器）对其旋转一周，透过检偏器观察光强的变化情况。在旋转一周的过程中会出现光强明暗交替，两次消光现象。但该实验不能定量反映光强随旋转角度的变化量，从而难以解释马吕斯定律。在教师采用传统实验方法讲解该定律时，光强和角度的函数关系很难体现。因此，该光学实验不仅需要定性的动态演示，更需要定量的比较分析。为加深学生对课堂知识的理解，提高教师的教学成效，在此利用传感器结合传统实验的教学方法，形象实时地展现马吕斯定律，有效解决了传统实验不能定量描述的问题。

一、实验仪器

传感器在物理实验中一般是将力学或光学信号转变为电学信号进行输出，因此其配套通常为数据采集器、计算机和专用试验数据分析软件，主要应用电脑控制跟踪和数据采集分析的智能化实时控制系统。

本实验使用的主要仪器为检偏器、基本光学工作台、半导体激光器、高灵敏度光学传感器、转动传感器和PASCO Capstone 软件。其示意图如图1 所示，实物图如图2 所示。

二、实验原理

光是一种电磁波，是横波。光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫作光的偏振。光振动只沿某一固定方向的光，也称偏振光。

偏振片只允许处于一个特定的振动平面内的光通过它。这一平面形成了一个偏振轴。在所有的平面内，非偏振光的振动垂直于它的传播方向。如果一个非偏振光入射到一个理想的偏振片上，只有一半的光强会通过这个偏振片。若有两个偏振片，当非偏振光入射到第一个偏振片后，假设这个穿过第一个偏振片的极化电场被称为E1，其中E2是这个场以一定的角度Φ 通过第二个偏振片，同时相对于第一个偏振片的电场为E1=COSΦ（见图3）。由于光的强度与电场的平方成一定的比例，则穿过第二个偏振片的光强是：

此式即为马吕斯定理的数学表达式。

则通过第三个偏振片的光强是I3，得出：

在本实验中，通过手动旋转第二块偏振片，记录相对光强和两块偏振片偏振轴夹角的关系曲线，得到的光强-角度曲线符合角度的余弦平方曲线，通过这一规律能够验证马吕斯定律。

三、实验方案与数据分析

将半导体激光器、检偏器、转动传感器和高灵敏度光学传感器依次固定在光具座上，转动传感器安装在第二个偏振片支架上，并让滑轮对着支架。再将转动传感器插入850 通用接口的一个PASPORT 输入端口。推动所有光学轨道上的组件使它们尽可能地靠近（注意：在光传感器上的孔径圆盘不能与偏振器接触）。

本实验设定传感器在20Hz 时，记录相对光强与旋转角度的曲线关系如图5 所示。打开激光器，点击软件上的RECORD，然后缓慢旋转连着转动传感器的偏振片使它通过360°（可以多旋几周），最后点击STOP。在此过程当中，当曲线通过转折点时尽可能地缓慢平稳移动（避免出现台阶式曲线），在转折点之间可以快速通过。

若将公式（1）中的（cosφ）2当作变量，则出射光强I2应与（cosφ）2为正比例函数关系。为此做变量代换，其曲线如图6 所示。

从图6 可知，相对光强确实与（cosφ）2成正比例函数关系。

在该实验中，不仅对光强与偏振片的旋转角度的关系做了定性分析，即偏振片旋转一周光强强弱的变化规律，还直观向学生展示了出射光强大小与偏振片旋转角度之间关系的定量分析。光强与偏振片角度的关系曲线图完美验证了马吕斯定律，有助于学生对理论课的深入理解。

PASCO 传感器系统的使用，可以很好地模拟并展示传感器在不同频率下相对光强与偏振片旋转角度之间的关系，即I2=I1（cosφ）2（φ 为入射线偏光振动方向和偏振片偏振化方向之间的夹角）。它的直观展示和实时性，可以让学生即时定性定量地观测到实验结果，加深对马吕斯定律的理解，激发学生对学习物理的激情，提高学习科学知识的内驱力。