3D立体效果演示仪的制作

刘一乐 董小庆 代珍兵

摘   要：针对人教版高中物理《光的偏振》应用部分——“立体电影”，设计3D立体效果演示仪作为课堂实验，运用光的偏振特性、透镜成像规律以及人眼立体视觉等原理，演示了3D立体效果形成过程，直观、形象地激发学生的学习动机。

关键词：偏振;演示实验;立体效果演示;教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2019）11-0049-3

光的偏振是高中物理光学部分的难点，学生相关前概念较少，知识又较抽象。新课标对于《光的偏振》这一部分的要求是让高中学生能够了解基础知识并能运用所学解释生活中的现象，因此将教材[1]中“立体电影”这一应用详细展开是很有必要的。在教学的各个环节中可以根据实际情况选择性地应用该教具辅助教学，不仅可以促进学生理解立体效果的形成过程，而且有利于学生理解光的偏振特性、人眼的立体视觉等基本光学原理，从而提高学生学习的兴趣、积极性以及对知识的理解。

1    实验原理与装置

立体电影是利用双头摄像机拍摄出左右画面再进行整合，观者带上特定偏振方向的眼镜就能看到立体的效果了。利用人的立体视觉[2-3]的原理，我们通过模拟双眼来制作图片，这样拍摄出的两幅图片是有细微差别的。当两幅图片投影到屏幕上的像重合在一起时，呈现的画面是模糊的。为了呈现清晰、立体的画面，首先，在左右投影仪前分别贴上透振方向相互垂直的偏振片，这样两个投影仪发出的光的振动方向是相互垂直的，如图1所示。其次，在眼睛前方放置对应透振方向的偏振片，即左眼前偏振片的透振方向与左投影仪前的平行，右眼同理。因此，这就达到了清晰观察立体对象的效果[4]。这种立体效果呈现的方式就是利用了两偏振片之间透振方向相互平行时透过的光强度最强、相互垂直时透过的光强度最弱的原理。

2    装置结构及器材

装置由相同型号强光手电筒2只、凸透镜2对、投影胶片（制成各式各样的动物图片，等距制作两组图片）、单铜板（此作为金属幕）、PVC板、螺丝等制作而成，3D立体效果演示仪结构如图2（a）和图2（b）所示。

箱体内部和外部是不同直径的两组凸透镜。利用内部凸透镜将光汇聚于图片上。外部凸透镜将像呈现在金属幕上，并通过侧部拉杆改变其物距。

图片板是由投影胶片制成的，上面打印了不同动物的图片，以两列形式排版，并且左右两列图片相同。两列图片的间距与强光手电筒的光斑的间距相等。切换播放图片，模拟超慢速电影播放的过程。

箱体是由左右两个独立的播放室构成的，在两个播放室前端贴有透振方向相互垂直的偏振片。调整偏振眼镜的偏振方向，使其与对应播放室前的偏振片透振方向相互平行。经过多次调整、改进，最终制成的3D立体效果演示仪的实物图如图3所示。

3    制作步骤

（1）制作灯箱。用PVC板制作两个相互独立、且宽度略大于强光手电筒直径的播放室，灯箱隔层内的光互不干扰。将焦距和直径合适的凸透镜放入强光手电筒之前，并且调节凸透镜的中心与强光手电筒的中心在同一高度。

（2）取厚度为0.17 mm、日东光电的透射式线性偏振片两张，判断其透振方向后，分别贴在灯箱的两个播放室前，使两者透振方向分别是水平和竖直方向。

（3）制作灯箱外部支架，使它能稳定地支撑灯箱，通过灯箱后部细线的环绕来调节灯箱的仰角。

（4）在灯箱左右两侧的等高位置处固定了两根调节滑杆，以此来调节外部凸透镜的远近，从而使投影出的图片呈现清晰的像。外部凸透镜固定在一块PVC板上，只接触凸透镜直径的两端，故可以通过转动来调节图片位置，并且此PVC板可以左右移动，也能达到调节像的位置。

（5）测量两手电筒光斑的中心间距，以该间距为标准，利用图片排版工具调节两列图片的大小，使其尺寸略小于强光手电筒的光斑大小。调节两列图片的中心间距，使其等于两光斑的间距。最后，将这两列图片打印到透明投影胶片后贴到有机玻璃上。

（6）用单面覆铜板来制作金属幕，并调节金属幕的高度，使幕的中心高度与灯箱小仰角时投影出的像的中心高度相等。

（7）采用相同的偏振片来制作偏振眼镜。左眼偏振片透振方向与灯箱的左播放室外偏振片透振方向相同，右眼偏振片透振方向与灯箱的右播放室外偏振片透振方向相同。

4    使用方法

调节金属幕与主体部分的距离，放入图片板。打开强光手电筒的电源，调节电筒的光圈使左右两侧光斑大小及灯光强度相同且光斑略大于图片，调节图片使每一张图片都处在光斑中心位置。关闭右侧手电筒电源，调节左侧播放室外部的凸透镜与图片的距离，使金属幕上呈现出清晰的像。同理，调节右侧。同时打开两侧手电筒电源，通过横向移动或者转动外部凸透镜，使两幅图片的像几乎重合在一起，再带上偏振眼镜，就能看到有立体效果的图片了。

5    总  结

中学课堂教学中，教师可以根据实际情况在各个教学环节灵活使用3D立体效果演示仪，以学生体验为基础，教师的合理引导为辅助，让学生更好地理解了光的偏振等基础知识，了解了立体电影的制作原理，而且激起了学生对物理学习的兴趣以及探索问题的欲望，有利于让学生养成探索问题和解决问题的良好习惯。

具体来说，在课堂引入中，可以通过该教具呈现奇妙的“立体效果”，吸引学生的注意力，开启探索之旅。学生在解决问题的过程中进行学习，不仅让学习变得更有方向性，而且贴近生活实例，有效地降低了学生心目中对学习难度的评定，以达到更好的教学效果。在课堂展开过程中，分析仪器的成像原理，引导学生理解光的偏振特性以及偏振方向等一系列问题。从仪器呈现的现象和操作过程的观察入手，逐渐地转向对物理基础知识和规律的学习，加强学生的学习热情，将形象思维渐渐地转化为抽象的逻輯思维。

参考文献：

[1]张大昌，彭前程.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-4[M].北京：人民教育出版社，2007：63-66.

[2]朱梁.人眼的深度视觉原理与立体影像特性[J].北京电影学院学报，2016（4）：130-137.

[3]刘剑锋.立体影像形成原理及实现方法[J].物理教师， 2014，35（5）：44-46.

[4]管永军，金武，牛小宁.3D偏振演示实验[J].物理实验， 2011，31（12）：1-3，7.（栏目编辑    王柏庐）