动态流水画：展示光的偏振现象的自然美

肖凯龙 张军朋 庄浩丽

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)

为了增强光的偏振现象的课堂导入效果，笔者自制了动态流水画，作为“光的偏振”教学导入环节的趣味实验.

1 动态流水画装置和原理

动态流水画装置如图1所示.后灯箱中的灯泡发出自然光，通过匀速转动的圆形偏振片后，形成沿不同透振方向的偏振光出射.接着偏振光通过流水画背后沿着水流方向分布的一条条偏振片，如图2所示.横向上看，相邻两层偏振片的透振方向是相互垂直的.因此，后灯箱出射的偏振光与流水画背后的偏振片透振方向呈不同夹角，根据马吕斯定律I=I0cos2α，光的强度会在流水处呈现出规律的亮暗变化，于是就形成了水“流动”起来的似动现象(人通过瞬间两点刺激而产生的运动幻觉[1]).韦特海默提出“完形原理”对这个现象进行心理学解释：人对“动”的知觉是间接的，一定出现了某种主观上的补充.因此，人对流水的图式已经存在认知，当人眼看到流水画亮暗交替变化，会在主观上将其“完形”(补充完整)，头脑便产生了水“流动”的似动错觉.

图1 动态流水画装置

2 动态流水画的制作

(1)用A4纸彩打一张含有较大面积瀑布的流水画，并将其贴在等大的亚克力板上.

(2)在亚克力板的背后，沿着流水方向贴上一条条小偏振片.其中同一层的偏振片透振方向需要一致，而相邻两层偏振片的透振方向需要相互垂直，如图2所示.

图2 流水画背面图

(3)在木板底座上固定转速适中的齿轮，并将圆形偏振片(直径：25 cm)贴在齿轮上.在齿轮后面固定3个15 W的LED白光灯泡作为光源，再用PVC板制作灯罩，使得光源发出的光线更集中，并将灯泡的电线从灯罩后穿出，如图3所示.

图3 后灯箱

3 动态流水画的演示

首先，将流水画和后灯箱如图1所示放置.然后，接通灯泡，这时流水画被照亮但没流动.接着，接通齿轮，根据上述原理，可观察到流水“流动”起来.

演示前注意关灯，避免其余光线太强以致影响演示效果.在演示过程中可播放流水的音效，效果更为逼真.

总之，动态流水画生动形象地模拟出自然流水的视觉效果，不仅展示了光的偏振现象的自然美,而且增加了课堂的趣味性.

1 邓勤勤，马富强.似动现象对于动知觉认识的启示.心智与计算，2009(2)： 99～103

2 董峻.似动知觉中的主客体关系及其理论外推.复印报刊资料(心理学) ,1993(10): 43～49

3 课程教材研究所.普通高中课程标准实验教科书 物理·选修 3-4.北京：人民教育出版社,2010.80～82

4 聂剑军,谢明生. 依据全反射棱镜功能自制“变脸魔术”教具. 物理通报,2013(12):93～94