图示法解读旋光仪实验的尝试

于希梅

(淮阴工学院数理学院 江苏 淮安 223003)

受电子集成思想的影响，在各种大学物理实验项目中，教学仪器的集成化程度越来越高，各种部件往往被封装在一起，精心设计的调节界面趋于友好，调节方式趋于简单．这种仪器的优点是学生可以很方便地操作仪器来观察实验现象，测量所需结果，在较短时间内就能完成实验操作．然而，由于仪器结构被封装隐藏，教材对此又不能详细介绍，学生在做实验时往往只是机械地执行操作步骤，对其中的原因、目的并不清楚，以至实验结束后对测量原理还一知半解，影响了做实验的兴趣，这对动手能力和思考能力的培养都大为不利．

面对实验仪器的这种发展趋势，发挥优点、解决弊病是物理实验教学必须要解决的问题．本人结合自己的教学体会，通过实验项目“用旋光仪测糖溶液的浓度”的教学案例说明，充分运用图示加强对仪器结构和测量原理的解读，将测量过程变成一幅幅流动的物理图像，是一种能够有效地应对仪器集成化趋势的教学方法．

1 图示法解读旋光仪的结构和测量原理

在大学物理实验项目中，“用旋光仪测糖溶液的浓度”是一个典型的仪器外形简单、结构复杂、操作步骤容易的例子.学生往往在较短时间内就能得到测量数据，但完成实验后还不清楚旋光仪为何能够测出这些数据．在各种实验教材中[1]，对旋光仪的结构和测量原理一般有简单的图示解释，但这些图示与观察到的现象相距太远，不能对其有直接的了解，特别是“三分视场”现象，是本实验的一大特色，其实现过程却往往被省略．

设计旋光仪所用到的理论不超出大学物理中偏振光部分的内容，适当作出图示，能够使学生在较短时间内掌握其测量原理．下面依照本实验的3个步骤分别作图，对仪器结构和测量原理给出清晰直观的解释．

1.1 观察零度视场

如图1所示，旋光仪的基本结构是由钠光源、起偏镜、波片、检偏镜组成.

图1 观察零度视场示意图

钠光源发出的光经起偏镜后，变为沿α角度方向振动的线偏振光．由于通过人眼识别最暗视场存在较大误差，因此利用三分视场法提高识别精度，具体做法为：在起偏镜后加一块石英晶体制作的半波片，从图1可看出，此波片为长条形，位于视场中央部分，中央部分的光通过波片后振动方向将发生改变，变为沿β角度方向振动的线偏振光，图中用虚线表示；波片两侧安装一定厚度的玻璃片，以补偿波片吸收导致的光强变化，两侧的光通过玻璃片后仍为沿α角度方向振动的线偏振光，振幅与中央的光相同，两表示振幅的线段等长．由此，从偏振角度讲，整个视场中的光在空间分布上已经发生了变化，分成了三个部分，这就是所谓的三分视场．要注意的是，此时整个视场的光强仍是相同的．

初始时未放置样品管，两种偏振光通过空腔后遇到检偏镜．检偏镜与刻度盘连接在一起，可进行转动调节．对处于标准状态的旋光仪来说，若转动检偏镜使刻度盘处于零度位置，则检偏镜的偏振化方向如图1所示(与波片光轴方向垂直或平行)．根据马吕斯定律，中央和两侧的两种不同偏振方向的线偏振光通过检偏器后，透射光强各满足一个余弦关系式．该关系可通过振幅投影来直观反映.将两种偏振光的振幅都向检偏镜的偏振化方向投影，作出其左视图，容易看出投影值a和b的大小相等，且数值较小．经检偏镜后光到达眼睛，因此可看到整个视场中央和两侧的亮度相同，恰不出现三分视界线，且整个视场比较暗，这就是所谓的零度视场．因投影后振幅变小，到达眼睛的光强与检偏镜前的光强相比整体变小．

1.2 放入糖溶液样品管后观察视场的变化

如图2所示，将装有糖溶液的样品管放入旋光仪后，从波片和光学玻璃出来的两种线偏振光通过糖溶液后都产生了旋光现象——两束光的光振动方向都旋转了φ角度，φ即要测量的旋光度数．为区别起见，图中将旋转前的振动方向以较细的线表示．此时检偏镜仍然处于零度位置，类似地作出两线偏振光振幅投影的左视图，容易看出两侧部分的投影值c小于中央部分的投影值d，根据光强与振幅的关系即可判断，将看到中央比较明亮而两侧比较昏暗的现象，三分视界线出现．若旋转检偏镜，由于两偏振光投影状况的改变，视场中间和两侧的光强也将发生相应变化，从而可看到其他的视场类型．

图2 观察放入糖溶液后视场变化的示意图

1.3 再次获得零度视场测量旋光度

众所周知，检偏镜转过的角度可通过刻度盘的读数窗口记录，当转动检偏镜再次观察到零度视场时，也就是中央和两侧亮度相同且比较暗时，检偏镜转过的角度正好就是旋光度φ．如何直观地解释其原因呢？对比图1和图2，可以发现发生的变化是中央和两侧的光振动方向都旋转了角度φ，而检偏镜方位没变，由此视场明暗状况出现了变化，若在图2基础上进一步将检偏镜也转过φ角度，则相当于将图1中的投影图整体转动了φ角度，则投影的结果将恢复到与图1相同，出现同样的零度视场，如图3；反过来，当再次出现零度视场时，就说明检偏镜刚好转过φ角度，由此说明了测量旋光度的原理．

图3 观察放入糖溶液后零度视场示意图

2 总结

三幅示意图完整地展示了光在整个仪器中先后经过各部件的空间流程和测量步骤流程，对三分视场产生的原理和各种视场类型出现的具体原因都给予了直观的说明．借助各图示，学生对观察到的各种现象都能分析出其来龙去脉，实验操作时不断在大脑中复现相应的物理图像，从而将观察现象、操作仪器和分析原理紧密结合，避免了机械记录数据的弊端，在很大程度上能够弥补仪器集成导致的学生囫囵吞枣式完成实验的缺陷．

需要注意的是，教学过程中三幅图示要分别作图，且作图完整，从而便于比较，不可只在同一幅图上改动过渡，否则容易使初学者感觉混乱，影响教学效果．

参考文献

1 徐寒，周在进，印海辰. 大学物理实验教程.南京：东南大学出版社，2009.174～180