实践出真知

摘要：课本上的知识往往是将实际生产、生活中的物理问题进行简单化、模型化处理过了的，所以跟实际的应用原理之间或多或少会存在着差异.这就需要我们本着实事求是的原则和积极探索的精神，及时发现问题和解决问题，真正做到教学相长.现以普通的3D眼镜为例说明.

关键词：偏振现象；3D眼镜；线偏振光；圆偏振光；四分之一波片

作者简介：周鹏（1972-），男，江苏高邮人，教育硕士，中学高级教师，研究方向：高中物理学科教学.

随着生活水平的提高，看3D电影已成为人们寻常的休闲方式.在高中物理教科书选修3-4第十三章《光》的第六节《光的偏振》中，以“科学漫步”的阅读材料形式，对于3D电影的原理作了简单的介绍：人通过左右眼看同样的对象，两眼所见角度不同，在视网膜上形成的像并不完全相同，这两个像经过大脑综合以后就能区分物体的前后、远近，从而产生立体视觉.立体电影的原理即为以两台摄影机仿照人眼睛的视角同时拍摄，在放映时亦以两台放影机同步放映至同一面银幕上，在每台投影机的镜头前都必须加一片偏光镜，一台是横向偏振片，一台是纵向偏振片（或斜角交叉），这样银幕就将不同的偏振光反射到观众的眼睛里.观众观看电影时亦要戴上偏振光眼镜，左右镜片的偏振方向必须与投影机搭配，如此左右眼就可以各自过滤掉不合偏振方向的画面，只看到相应的偏振光图象，即左眼只能看到左机放映的画面，右眼只能看到右机放映的画面.这些画面经过大脑综合后，就产生了立体视觉.

根据这些书本知识，我们都会觉得，观看立体电影时所佩戴的立體眼镜应当是非常简单和廉价的，仅仅是两个普通的偏振片而已，一个透振方向是水平的，另一个则是竖直的.但是，当我们真的找来一副普通的3D眼镜时，却发现根本不是这回事.具体有如下“反常现象（如图1所示）：

1.用3D眼镜观察光滑桌面的反射光或液晶屏的光（为偏振光）时，让光从正常戴眼镜时眼镜的前方入射（即光线是从镜脚方向的另一侧入射的.以下简称为“前方入射”），旋转眼镜，发现并没有像透过正常的偏振片那样出现消光现象（反射光全黑），而只是亮度和颜色稍有变化（浅咖啡色和青蓝色交替出现）；但是，如果光线反过来从镜脚一侧入射（以下简称为“后方入射”）时，旋转眼镜，仍可观察到消光现象.

2.用其中任意一个镜片作为起偏器，光源的光仍从前方入射，再用另一眼镜的镜片仍以同样的方向对着光源作为检偏器时，旋转第二个眼镜，发现并没有出现消光现象，也只是亮度和颜色稍有变化；如果同时让两个镜片的后方迎着光，情况也是这样.

但是，如果让光线先从一个镜片的前方入射，再从另一个镜片的后方入射时，则会出现消光现象；并且，在透射光最强时，透射光跟正常的透射光没有明显差别.而当光线先从一个镜片的后方入射，再从另一个镜片的前方入射时，也会出现消光现象；并且，在透射光最强时，透射光跟正常的透射光相比明显偏深紫色.

3.用其中任意一个镜片作为起偏器，光源的光仍从正常戴眼镜时眼镜的前方入射，再用另一个正常的偏振片作为检偏器时，发现左右镜片是在同一个方向上出现消光现象，而不是两个相互垂直的方向.

4. 让3D眼镜前方对着电脑液晶屏（镜脚对着自己），旋转眼镜，没有消光现象，只有亮度和颜色稍有变化；但如果反过来，让3D眼镜的镜脚对着电脑液晶屏，旋转眼镜，每当转到左斜向45°时，会出现消光现象，转到右斜向45°时，透射光最强.

以上“反常”现象的存在，说明目前普遍使用的普通的3D观影眼镜，其镜片并不是一个简单的偏振片，应该还有其它结构.为此，笔者查阅了“3D眼镜的原理”相关词条，在众多的信息中筛选出以下信息.

偏光3D眼镜分为线偏光3D眼镜和圆偏光3D眼镜.如何区别这两种偏光3D眼镜呢？

方法一：找个表面有偏光膜的显示器（一般的都有），对于线偏光3D眼镜，将眼镜脚方向对着自己，水平时一边镜片会变黑.转动45°角会发现两边镜片逐渐变亮，继续转动到垂直位置另一边镜片变黑.对于圆偏光3D眼镜，将眼镜脚的方向朝屏幕，水平位置时两边镜片都亮，顺时针转动45°角时两边镜片逐渐变黑，继续转动180°的过程中，会看到两边镜片先逐渐变亮，然后再次变黑.

方法二：将两副3D眼镜对放（前方对着前方，镜脚都朝外），镜片变得非常深基本不透明的是圆片光3D眼镜，如果颜色稍微加深一点点的是线偏光眼镜.

对于偏振光，高中物理教材中仅仅给出了一个笼统的定义：“在垂直于传播方向的平面上，沿着某个特定的方向振动的光叫做偏振光.…我们通常看到的绝大部分光都是不同程度的偏振光”.跟3D电影相关的偏振光，一种是光矢量始终沿某一固定方向振动的光，称为线偏振光（如图2所示），也叫做完全偏振光；另一种叫做圆偏振光（如图3所示）：光矢量端点的轨迹为一圆，即光矢量不断旋转，其大小不变，但方向随时间有规律地变化.圆偏振光的偏振方向随着时间的变化而均匀分布，能够很好地模拟自然光偏振方向各向同性的特征，且任意方向的偏振分量保持恒定的大小.圆偏振光的振动方向的旋转特性，可以有效地减轻人们的视觉疲劳，达到健康护眼的目的.

中学物理教材中讲述了可以通过偏振片的方式产生线偏振光.那么3D电影中的圆偏振光该如何产生呢？ 它是让光线经由一片线偏振片与一片四分之一波片（为特殊双折射材料）胶合而成的镜片后产生的.该四分之一波片的光轴与线偏振片的偏振光振动方向成45°角.光线自线偏振片一端射入为正向，自四分之一波片一端射入为反向.正向射向圆偏振片的自然光，先后通过线偏振片和四分之一波片后，即成为圆偏振光.而如果反向射向圆偏振镜的自然光，先后通过四分之一波片和线偏振片后，最终成为的则是线偏振光.

研究到这里，我们就完全能理解为什么一副普通的3D眼镜会出现前面所述的一系列反常现象了，原来是因为3D眼镜的镜片确实不只是一块偏振片，而是一套由普通线偏振片和四分之一波片构成的“组合光具”，前述的反常现象都是四分之一波片在“捣鬼”.而且由于该“组合光具”的前后不对称，自然光正向通过和反向通过后形成的最终光线偏振性质不同，所以才出现了3D眼镜正向看和反向看情况不一样的情况.

虽然3D眼镜的问题算是基本解决了，但是问题又来了：既然3D眼镜的两个镜片透光情况基本一致，那么我们又是如何通过它们产生立体感觉的呢？ 看来，不仅仅是实际的3D眼镜的原理跟课本上讲的基本原理有出入以外，3D电影实际的放映原理也一定跟课本上有较大的不同.

实际上，由于课本上介绍的立体电影的放映方式對于两台摄影机和两台放映机的要求非常高，要求两台放影机要以特定方式放置，并将两个画面点对点完全一致地、同步地投射在同一个银幕内，所以相应的电影制作成本也就比较高.并且，上述传统的立体电影的观影方式，对于观众来说也不是一件舒服的事，虽然传统的线偏光立体眼镜的立体视觉效果比圆偏光立体眼镜要好，但观看过程中线偏光立体眼镜有一定角度因素，不宜进行转头、晃头等头部运动.如果眼镜略有偏转，垂直偏振镜片就会看见一部分水平方向的图像，水平偏振镜片也会看见一部分垂直方向的图像，左、右眼就会看到明显的重影.而且传统的3D技术是基于双眼融像的技术，就是说在观看的时候左右眼看到的图像是不一样的，双眼融像后产生立体感，这种融像的负担大于日常的融像负担，所以会觉得眼睛疲劳，常常会觉得头晕、恶心.

所以，随着技术和发展和进步，目前主流的3D电影的放映方式是只用一台放映机放映（这一点在教材中也提到了）.但是相应的电影文件必须是将两台摄像机同步拍摄的画面经过适当的处理，先后交替地出现在电影文件里.放映时，在放映机镜头前还要依次加装一个线偏振片和一个四分之一波片，使得投射到屏幕上的光线变为圆偏振光.该圆偏振光的偏振方向是有规律地旋转着的，它可分为左旋偏振光和右旋偏振光，它们相互间的干扰非常小，它的通光特性和阻光特性基本不受旋转角度的影响.并且是左旋、右旋偏振光先后依次出现.看这种形式的3D电影时，观众佩戴的3D眼镜就是前面所说的“组合光具”，其偏振眼镜片一个是左旋偏振片，另一个是右旋偏振片，也就是说观众的左右眼分别看到的是左旋偏振光和右旋偏振光带来的不同画面，通过人的视觉系统产生立体感.

通过这次的实践研究，再一次感受到了物理学和科学技术的巨大魅力，再一次体会到了理论跟实际间的巨大差异，也再一次意识到不断实践的重要性.在当前的教育教学模式之下 ，对于我们教师而言，由于几乎没有机会走进工厂，没有时间去好好地品味生活，所以我们的很多知识往往都只能停留在基本理论的层面上.这就意味着我们一定要做到更多的观察和思考，多多动手实验，对于及时发现问题要有充分的准备.只要我们有心，随时都能够发现类似的问题.比如，在演示通、断电自感现象时，在什么情况下，同一个电路中的通、断电自感现象都会很明显？ 如果有条件的话，在利用电流传感器做该实验时，为什么通电后极短时间内线圈中的电流会超过其稳定后的电流？ 为什么实验室里的手摇发电机的e-t图线与标准的正弦曲线相去甚远？ 等等.只有老师们自己具备了在实践中不断地发现和解决问题的意识和能力，我们的学生才会有更多的可能不断地产生新的问题，才能真正做到教学相长，共同学习，共同进步.

参考文献：

[1] 普通高中课程标准实验教科书 物理 选修3-4.人民教育出版社课程教材研究所[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2] 孙延禄. 关于圆偏振光在3D立体影像显示中的应用[J].现代电影技术：2010（9）：24-29.

[3] 圆偏振光原理[EB/OL].https：//baike.so.com/doc/24281207-25556369.html

[4] 如何解释下面这种验证圆偏振3D眼镜的方法？[EB/OL].https：//www.zhihu.com/ question/38880151/answer/193883505

[5] 偏振式3D [EB/OL].https：//baike.so.com/doc/6677160-6891032.html