多功能偏振光演示仪在教学中的应用

刘建一，王旎菡，李思嘉，祝云峰，谭晓春，曲胜艳，戴 瑞

（1.东北师范大学物理学院，吉林长春 130024；

2.吉林省高中物理谭晓春名师工作室，吉林长春 130117；

3.东北师大附中净月实验学校，吉林长春 130117）

多功能偏振光演示仪在教学中的应用

刘建一1，王旎菡1，李思嘉1，祝云峰2，3，谭晓春2，3，曲胜艳2，3，戴 瑞1

（1.东北师范大学物理学院，吉林长春 130024；

2.吉林省高中物理谭晓春名师工作室，吉林长春 130117；

3.东北师大附中净月实验学校，吉林长春 130117）

设计了多功能偏振光演示仪，清晰地演示了偏振光的马吕斯定律、色偏振以及互补色原理.

偏振光；马吕斯定律；色偏振；互补色

1 引 言

偏振光在生活中应用非常广泛，例如在摄影镜头前加偏振镜可以消除或减弱光滑物体表面的反射光，使摄像更清楚；在光学显微镜中加入偏振镜可以检查样品是否具有双折射性质等.此外，液晶的旋光显示早已经广泛用于手表、计算器、仪表显示屏等现代技术中.但是，由于偏振光本身概念抽象，理论性强，加上学生对偏振光缺乏感性认识，使得光的偏振在中学和大学都是教学难点.为了提高课堂教学效果，根据物理学中偏振光的内容，在光的偏振现象演示仪［1］的基础上进一步开发制作了多功能偏振光教学演示仪，成功地演示了偏振光的马吕斯定律、色偏振和互补色原理.演示内容有利于帮助学生很好地理解光偏振的相关知识.

2 多功能偏振光演示仪的设计

多功能偏振光演示仪装置的示意图如图1所示.为了方便演示，把偏振片及有机玻璃板做成圆形，带有塑料手柄、转动轴、旋转组件和固定组件；为了增强演示效果，在有机板1的后面贴有环形灯带和电池组，并在其外围的塑料白板上贴有1圈色相环（对角2个颜色为互补色）；为了分别演示马吕斯定律、色偏振和互补色，笔者设计的装置略有不同，在图1（a）中偏振片2为圆形偏振片，在图1（b）中圆形有机玻璃板2上贴有2张透振方向互相垂直的半圆形偏振片3和4.

图1 多功能偏振光演示仪装置的示意图

3 多功能偏振光演示仪在教学中的应用

3.1 马吕斯定律教学演示

如图2（a）所示［2］，P1和P2代表2块偏振片，分别为起偏器和检偏器，其透振方向夹角为θ.设光强为I的自然光入射，通过偏振片P1后，得到透射光强为I/2的线偏振光，振动方向与P1的透振方向相同.从P1出射的线偏振光再通过P2（检偏器）后，得到透射光强为Iθ的线偏振光，振动方向与P2的透振方向相同.Iθ的表达式为：

上式所表达的线偏振光通过检偏器后的透射光强Iθ随θ角变化的规律，称为马吕斯定律.

图2 马吕斯定律示意图

演示马吕斯定律时采用图1（a）所示实验装置.从式（1）可得，当θ＝0（偏振片1与偏振片2的透振方向平行）时，Iθ＝I/2，透射光强为最大，演示现象如图3（a）所示；当θ＝90°（偏振片1与偏振片2的透振方向垂直）时，Iθ＝0，透射光强为0，演示现象如图3（b）所示，演示效果非常明显.

图3 演示图像

3.2 色偏振教学演示

典型的偏振光干涉装置是在2块共轴的偏振片之间放上波片或具有双折射现象的材料，如图4所示［2］.偏振片P1和偏振片P2的透振方向与波片光轴（沿y方向）的夹角分别为θ和α.设单色平行自然光经偏振片P1后，得到振动方向与P1透振方向相同的线偏振光的振幅为A1，这束线偏振光进入波片后分解为寻常光（o光）和非寻常光（e光）.o光和e光从波片出射再经偏振片P2后发生干涉，光强为［2］：

图4 偏振光干涉装置示意图

用白光照射时，由于各种波长的光不能同时满足干涉相长和相消的条件，所以不同波长的光有不同程度的加强或减弱，混合起来出现彩色.偏振光干涉时出现彩色的现象称为显色偏振或色偏振，是检验双折射现象极为灵敏的方法.

生活中色偏振现象很普遍［3-7］，但是目前用于课堂教学演示，效果不是很明显.为了增强演示效果，作者一方面设计了上面贴有2块半圆形的偏振片（透振方向互相垂直）的圆形有机玻璃板［实验装置如图1（b）所示］，另外把剪成蝴蝶图案的具有双折射现象的玻璃纸放在上下2块有机玻璃板之间，当旋转上面的有机玻璃板或旋转玻璃纸时，就会看到变色的蝴蝶，如图5所示.课堂演示效果非常明显，且携带方便.

图5 色偏振演示图像

3.3 互补色教学演示

由式（2）可以推导出，当P1和P2的透振方向相互平行时，α＝θ，Δφ′＝Δφ，；当P1和P2的透振方向相互垂直时，α＋θ＝π/2，Δφ′＝Δφ＋π，用白光照射时，P1和P2平行时某些波长加强到何程度，P1和P2正交时，这些波长就减弱到何程度，总是符合I∥＋I⊥≡A1＝恒量的条件.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，将重新恢复为和入射光相同的白色.任何2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.

教材和一些文章都有提到互补色，但是都是用文字来描述，很少有用图片和演示实验来说明.本文设计的偏振光互补色演示仪的实验装置示意图如图1（b）所示，在塑料白板上贴了1圈色相环，对角2个颜色为互补，把材料相同但厚度不同的玻璃纸（玻璃纸1和1′、2和2′、3和3′的厚度相同）放在有机玻璃板1和有机玻璃板2之间.在操作互补色演示实验过程中，要始终保证有机玻璃板2上的一个半圆形偏振片与偏振片P1的透振方向互相垂直，另一个半圆形偏振片与偏振片P1的透振方向互相平行，中间的玻璃纸可旋转.

如图6所示，此时半圆形偏振片3与偏振片P1的透振方向互相垂直，半圆形偏振片4与偏振片P1的透振方向互相平行，与图中色相环对应可以看出玻璃纸1和1′、2和2′、3和3′显示的颜色为互补色.演示效果非常明显，适合课堂演示，便于学生理解.

图6 互补色演示图像

4 结束语

本文设计的多功能偏振光演示仪非常清楚地演示了偏振光的马吕斯定律、色偏振和互补色等偏振光干涉的知识和内容，且此演示仪携带方便，课堂上的演示效果非常明显，能更深入地诠释偏振光干涉，非常有利于学生对这部分知识的理解和掌握.我们将继续深入研究偏振光的理论，进一步开发和完善有关偏振光应用的教学演示仪器，提高教学效果.

［1］ 谭晓春，祝云峰，曲胜艳.多功能偏振光演示仪在教学中的应用研究光学教程［J］.物理实验，2013，33（3）：18-20.

［2］ 姚启钧.光学教程［M］.高等教育出版社，2008.

［3］ 黄良安，陈名正.多功能偏振光演示实验仪［J］.物理实验，1995，17（2）：73-74.

［4］ 孙经俨.色偏振的理论及应用［J］.光学技术，1999，（4）：9-12.

［5］ 龙槐生.光的偏振及其应用［M］.北京：机械工业出版社，1989.

［6］ 张京，王琪，苏卫峰，等.透明胶带纸中的色偏振现象［J］.物理实验，2009，29（10）：38-40.

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

［责任编辑：郭 伟］

Application of multi-functional demonstration instrument of polarized light in teaching

LIU Jian-yi1，WANG Ni-han1，LI Si-jia1，ZHU Yun-feng2，3，TAN Xiao-chun2，3，QU Sheng-yan2，3，DAI Rui1
（1.Physics School，Northeast Normal University，Changchun 130024，China；2.TAN Xiao-chun Studio of High School Physics in Jilin Province，Changchun 130117，China；3.High School Attached Northeast Normal University，Changchun 130117，China）

A multi-functional demonstration instrument of polarized light was designed and applied in teaching.Malus law，chromatic polarization and the principle of complementary colors were visualized.

Polarized light；Malus law；chromatic polarization；complementary colors

O436.3

A

1005-4642（2014）10-0041-04

“第8届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文

2014-07-04

东北师范大学第二批网络辅助教学课程（Blackboard平台）建设项目

刘建一（1992－），女，吉林白城人，东北师范大学物理学院2011级本科生.

戴 瑞（1976－），女，吉林松原人，东北师范大学物理学院副教授，博士，研究方向为光学.