偏振光演示实验的改进

戴 瑞，夏 彬，陈美竹，于海波

(1.东北师范大学 a.物理学院;b.物理学师范专业国家级实验教学示范中心(东北师范大学)，吉林 长春 130024；2.东北师范大学附属实验学校，吉林 长春 130117)

光的偏振不仅是高中物理光学的重点知识，也是大学物理光学的重点知识[1]，为了帮助学生更好地理解掌握这部分知识，借鉴已有的研究成果[2-3]，自主设计了偏振光演示实验装置[4]. 根据教学中的应用反馈，对原有演示实验装置进行了改进，通过光是横波、偏振光的干涉以及光弹性效应演示实验来展示其效果. 演示材料来源于生活中常用物品，学生感受到所学的物理现象与日常生活很近，激发了学生的学习兴趣.

1 改进的偏振光演示实验装置

为了提高光源的亮度，用3只白炽灯替换原有的环状LED灯，3只白炽灯呈正三角形排列. 在3只白炽灯前配有均光板，增加了光源的均匀性. 为了防止在使用过程中偏振片和透明薄膜变形，把偏振片和透明薄膜粘贴在圆形基片上，并配有底座和充电电源(原来的偏振光演示仪没有底座，并且用电池供电)，使用起来更为方便.

改进的偏振光演示实验装置如图1所示，光源由3只光谱连续的白炽灯和1块均光板构成. 均光板的直径为36 cm，均光板外圈为贴有色相环的有机玻璃板，色相环的外圈直径为41 cm，颜色为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫渐变色. 配有2块贴有偏振片的圆形高透光基片和2块贴有透明薄膜(具有双折射性质)的圆形高透光基片，基片材料为有机玻璃板或钢化玻璃，透明薄膜可以是书本的外包装薄膜等.

图1 偏振光演示实验装置

2 观察光的偏振现象

2.1 光是横波

光的干涉和衍射现象说明光具有波动性，但不能由此确定光究竟是横波还是纵波，观察阳光和灯光垂直通过2块平行放置的偏振片可以判断光是横波. 如图2所示，把2块贴有偏振片的基片放在偏振光演示实验装置上，旋转外侧的基片，透射光会发生变化. 当2块偏振片透振方向平行(夹角为0°)时，透射光最亮;当2块偏振片透振方向垂直(夹角为90°)时，没有光透过，说明光波的振动方向与光的传播方向垂直，即光波是横波.在与传播方向垂直的二维空间里光矢量还可能有其他的振动状态，称为光的偏振.

(a)2块偏振片透振方向 (b)2块偏振片透振方向 夹角为0° 夹角为90°图2 演示光是横波

2.2 偏振光的干涉

如图3所示，在实验装置上先放1块贴有偏振片的基片，再放1块贴有双折射性质的透明薄膜的基片(透明薄膜分为8块，材料相同，厚度不同，过圆心对角线的2块厚度相同)，旋转贴有透明薄膜的基片时，没有颜色变化，只有透光亮度稍有不同(和薄膜厚度有关)，如图3(a)所示. 在贴有透明薄膜的基片外侧放另外1块贴有偏振片的基片，旋转贴有偏振片的基片或者旋转贴有透明薄膜的基片都可以看到彩色变化，如图3(b)和3(c)所示，这就是偏振光的干涉现象. 过圆心的2块薄膜显示的颜色之所以相同，是因为它们的厚度相同，此处演示的偏振光干涉是等厚干涉.

为了增加趣味性，也可以把透明薄膜雕刻成不同图案，如图3(d)所示. 把薄膜雕刻成蝴蝶图案，因为蝴蝶身体各部分薄膜的厚度不同，所以演示过程中学生可以看到颜色不断变化的蝴蝶. 课堂演示时，还可以事先选择1本带有外包装薄膜的书，现场把薄膜拆下来进行演示，更贴近学生的生活.

(a) (b)

(c) (d)图3 演示偏振光的干涉现象

2.3 观察光弹性效应

塑料、玻璃等非晶体在通常情况下是各向同性的，不产生双折射现象，当它们所受应力不同时，会变成各向异性而显示出双折射现象，称为光弹性效应. 利用偏振光的干涉可以观察到塑料或玻璃等非晶体所受应力分布，如图4所示.

(a) (b)

(c) (d) 图4 观察光弹性效应

图4(a)和图4(b)为在2块贴有偏振片的基片之间放有塑料材质的光盘盒和直尺，从图4(a)和图4(b)干涉条纹的疏密度可以看出光盘盒和直尺各部分所受应力不同，条纹密处所受应力大，条纹疏处所受应力小. 图4(c)和图4(d)为在2块贴有偏振片的基片之间放有一段透明胶带，图4(c)透明胶带不受力，图4(d)用力拉紧透明胶带，可以看出透明胶带受力不同时，干涉条纹颜色和疏密度都发生了变化. 利用该方法研究介质应力的分布，目前已发展成为专门的学科——光测弹性学，它为工程设计解决了极其复杂的应力分析问题. 通过上述的简单演示，可以引导学生接触到这门学科.

3 结束语

改进的演示装置的光源为全谱系可见光源，带有均光板，出射光明亮且均匀，课堂演示效果明显. 实验同时还增加了光弹性效应演示内容，所用的塑料材质的光盘盒和直尺、透明胶带都是学生日常生活常用到的物品，把它们放在2块偏振片之间观察，会看到有颜色的变化，学生会觉得很神奇，进而激发他们学习物理的兴趣，这也是教学目标之一.