便携式偏振光课堂演示仪

袁其东，李朝阳

（杭州师范大学理学院，浙江 杭州310036）

光的偏振证实了光的横波性质，是大学物理教学中的重要内容［1］.线偏振光通过某些旋光物质时，光的振动面会发生旋转，旋光仪和糖量计就是根据这一原理设计的.另外，红外线偏振光具有光热效应［2］，利用这些性质，红外线偏振光在临床上可以用来治疗偏头痛［3-4］.因此，光的偏振也是各医学院校医用物理学课程的重要教学内容.本文设计制作了一款便携式偏振光课堂演示实验仪，目的是为了探索演示实验进课堂的可行性，增强学生对抽象的物理知识的感性认识，从而提高课堂理论教学效果.便携式偏振光课堂演示实验仪具有体积小、重量轻、不需外接电源、课堂演示效果好等优点，能很好地表现偏振光的各类性质，验证马吕斯定律，还能演示葡萄糖溶液的旋光性，从而揭示糖量计的工作原理等功能.实践证明，演示实验进课堂能有效地提高理论课的教学效果［5-7］.

1 偏振光

图1 马吕斯定律Fig.1 Malus Law

光是电磁波，光波中电场强度矢量E的振动称为光振动.在与光传播方向垂直的平面内，自然光的E矢量在该平面内各个方向上出现的概率相等，振幅相同，而线偏振光的E矢量只沿着一个固定的方向.人的肉眼无法分辨光波的振动方向，需要借助于偏振片来确定.如图1 所示，当自然光从S出发，通过起偏器P 以后成为线偏振光.如果线偏振光的强度为I0，振动方向与检偏器A 的偏振化方向一致时，线偏振光能全部通过检偏器A，强度仍为I0.旋转检偏器A 90°，使线偏振光的振动方向与检偏器A 的偏振化方向垂直，则线偏振光完全不能通过检偏器A，即透过检偏器A 的光强度为零，这在物理学上称为消光现象.当强度为I0的线偏振光的振动方向与检偏器的偏振化方向成一任意角度θ时，通过检偏器A 的光强度I＝I0cos2θ，这一公式称为马吕斯定律.

当线偏振光通过某些透明物质时，它的光振动方向将以光的传播方向为轴旋转一定的角度，这种现象称为旋光现象.对于葡萄糖溶液而言，线偏振光的光振动方向旋转的角度φ与葡萄糖溶液的浓度c成正比，其关系可用φ＝cαL表示.式中：L为光通过葡萄糖溶液的长度，α为比例系数.对于固定波长的线偏振光通过固定长度的葡萄糖溶液时，其偏转的角度只与葡萄糖溶液的浓度有关.在医学上，糖量计就是根据这一原理设计的.

2 偏振光课堂演示仪

图2 偏振光演示仪Fig.2 The polarized light demo instrument

在大学物理、医学物理课堂教学中，为了让学生对偏振光的相关内容有一个感性的认识，我们根据上述原理设计制作了一款偏振光课堂教学演示仪，如图2 所示，演示仪包括底座、激光笔、起偏器、玻璃水槽和检偏器.相比于市场其他的同类产品，它具有如下优点和特点.

2.1 小巧易于携带

仪器整体框架由铝合金焊接而成，长、宽、高分别为50、30、35 cm.镶嵌偏振片的转盘由塑料制作而成.演示仪的主要构件采用低密度的铝合金和塑料，可以减轻仪器重量，整套演示仪及其配件仅1.5 kg左右.激光光源摆脱了传统偏振光演示仪使用He-Ne激光器需要外接220 V 电源的限制，而采用一支钮扣电池供电的激光笔，用螺丝固定于铝合金支架上，方便安装与拆卸.因此，仪器无需外接电源，教师可根据演示效果和教学需要，在教室里随意移动仪器的位置.另外，演示仪及配件可放置于18 L塑料整理箱内，方便教师携带入课堂.

2.2 演示效果显著

考虑到仪器在教室里的演示效果，起偏器P和检偏器A 分别镶嵌在2个塑料大转盘上，转盘直径30 cm，可保证5 m 内的学生看清转盘旋转的角度.有一15 cm 长的指针固定在转盘的转轴上，用于指示转盘的角度.底座上表面有一凹槽，用于固定玻璃水槽.玻璃水槽用无色透明有机玻璃粘合而成，以增加透光性，宽度3 cm，高度5 cm，长度有20 cm 和35 cm 两种.为定量演示马吕斯定理，还配备有一个光电池和一个中指微安表.课堂演示时，通常以墙壁取代光屏，可以向所有学生演示消光、光强变化等现象.

2.3 制作成本低廉

因为演示实验仪器少，演示实验占用教学课时、仪器携带不便等原因，在理论课堂上开展演示实验并不普及，具体到医学物理学，演示仪器就更加稀少.因此，在实践中通过实验室开放项目等形式，召集动手能力强的优秀学生根据教学内容设计制作价格低廉的演示实验仪器是十分必要的，也是很有意义的.以本演示仪为例，铝合金框架、偏振片、玻璃水槽和激光笔等都是容易购买的低值商品，成本在200元左右.

3 课堂演示

便携式偏振光课堂演示仪可演示线偏振光的消光现象，验证马吕斯定理，也可以演示线偏振光通过葡萄糖溶液时的旋光现象.

3.1 马吕斯定律演示

将便携式偏振光课堂演示仪水平放置于讲台上，取下玻璃水槽和光屏.打开激光笔电源，使激光依次通过起偏器、检偏器，射在教室墙壁上.旋转起偏器P，使竖直向上的指针指向转盘零刻度的位置.然后旋转检偏器A，提醒学生观察墙壁上光斑亮度的变化.当光斑最亮时，提醒学生此时起偏器P和检偏器A 偏振化方向平行，并记录下检偏器A 指针所指向的角度；当光斑消失时，提醒学生此时起偏器P和检偏器A 偏振化方向垂直，记录检偏器A 指针所指向的角度.两个角度相减，应为90°左右.

为定量演示马吕斯定律，用光电池接收检偏器输出的激光，产生的光电流用中指微安表测量.重复上述实验，旋转检偏器A 一周，可间接地定量演示偏振光强度的变化.

3.2 旋光现象演示

把玻璃水槽放置于底座上，加入清水.打开激光笔电源，使输出的激光经起偏器P、水槽后到达检偏器，输出的激光直接投射在墙壁上.旋转检偏器，当产生消光现象，即起偏器P和检偏器A 的偏振化方向垂直时，停止旋转.在水槽中逐渐加入葡萄糖粉，提醒学生观察光斑在逐渐变亮，并向学生解释葡萄糖溶液是一种旋光物质，随着葡萄糖粉的不断加入，浓度不断变大，从起偏器P射出的偏振光的振动方向发生旋转，经过葡萄糖溶液后的线偏振光的振动方向不再与检偏器A 的偏振化方向垂直，从而使光斑由暗变亮.

为揭示糖量计的工作原理，可以旋转检偏器A，当再次出现消光时，记录下检偏器A 旋转的角度，即线偏振光经由葡萄糖溶液后振动方向的偏转角度.多次测量不同葡萄糖浓度下的偏振光振动方向的偏转角度，即可验证偏振光振动方向旋转角度与葡萄糖溶液浓度间的正比关系.在此实验的基础上，教师可向学生分析讲授糖量计的设计思路和原理.

4 结论

便携式偏振光演示仪重量轻、体积小，方便教师携带，在大学物理、医学物理等量大面广的基础课程教学中，起到了良好的教学效果.激光笔功率小，不需外接电源，演示仪可以随意移动，安全性高.在理论课堂上作定性演示时，可直观地演示偏振光的马吕斯定律及旋光现象，演示过程耗时少，效果明显，使学生对抽象的偏振光知识有一个感性的认识，从而加强学生对理论知识的理解和掌握，也可以在课后让学生作定量测量，对偏振光知识作进一步的巩固和探索.

［1］胡新珉.医学物理学［M］.北京：人民卫生出版社，2008：208-218.

［2］Demura T，Demura S，Aoki H，etal.Effect of linear polarized near-infrared lightirradiation and light exercise on muscle performance［J］.J Physiol Anthropol，2011，30（3）：91-96.

［3］Sasaki A，Touma Y，Ishino Y，etal.Linear polarized near-infrared irradiation stimulates mechanical expansion of the rat sagittal suture［J］.Luminescence，2003，18（1）：58-60.

［4］杨颖.运用红外偏振光治疗神经性头痛95例临床观察［J］.中国实用神经疾病杂志，2014，17（1）：44-46.

［5］王玉莲，郭明，张永锋，等.大学物理演示实验教学探索和实践［J］.安徽科技学院学报，2010，24（4）：47-50.

［6］韩富强.浅谈如何搞好物理课堂演示实验教学［J］.辽宁师专学报：自然科学版，2006，8（1）：101-102.

［7］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）：41-43.