非实验室环境下的偏振光实验及其拓展

虞期盼，李思晴，邹曹沂，李泽佑，罗锻斌

(华东理工大学 理学院，上海 200237)

2020年初爆发的新冠肺炎疫情，对整个社会和个人均产生了深刻地影响。而教育是此次疫情影响最深的领域之一。为了应对疫情期间的教学，国内外同行都采取了一系列应对措施。以笔者所在的大学物理教育领域，各种因地制宜、各具特色的线上线下混合教学方式[1-4]为应对疫情起了重要作用。对于大学物理实验教学，疫情期间的线上虚拟仿真实验教学和居家实验教学为实验教学这一特殊的教学领域提供了有力保障[5-7]。这些实验教学方式，也对后疫情时代的物理实验教学提供了有益的启示[8]。特别是居家实验教学，一方面让学生在全开放的非实验室环境自主进行实验，极大地锻炼了学生的实验设计、动手操作、数据采集分析、报告总结、口头表达等能力；另一方面，让智能手机的各种传感器以及相关应用软件(Phyphox、Physics Toolbox Suite、Tracker等)获得了广大师生的极大关注并日益广泛地融入到物理实验教学过程中。普及后疫情时代的非实验室环境物理实验教学，不仅在大学物理课程的教学演示、学生对物理原理的理解、日常生活现象的解释与应用等方面有直观的作用，而且在更深层次的拓展物理教育、提高国民科学素养上有重要意义[9]。

光学现象的研究是物理实验中的重要组成部分，而光的偏振、干涉和衍射是波动光学实验的基本组成部分。如何开展非实验室环境中的光学实验，国内同行已经有不少有趣、有益的方案[10,11]。在本文中，利用学生更容易获取的非实验室环境下的工具，结合智能手机演示了偏振光的性质，验证了马吕斯定律。同时做了简单的拓展，演示了偏振光干涉下透明介质的应力分布。

相比于不少演示实验中所使用的激光笔作为光源，通电使用中的液晶显示屏其实是非实验室环境下很好的偏振光源。非实验室环境下可以方便地选择笔记本计算机显示屏、ipad等平板显示屏甚至手机显示屏作为偏振光源。日常使用的偏光太阳镜或者3D眼镜可以用做实验中的起偏和检偏器。实验中将电脑显示屏调为白屏，并保持亮度不变。在显示屏前放置偏振眼镜(检偏器)，使偏振眼镜在平行于显示屏的平面上旋转，可以观察到光照强度的强弱周期性变化并用手机的光强传感器结合Phyphox软件测量光强。偏振眼镜旋转角度的测量可以用自制刻度盘(标有角度读数的圆环纸圈并贴于显示屏上)和细小长尖锐物体指示(如长竹签等)。整个实验装置如图1所示。

图1 利用液晶屏幕与3D眼镜验证马吕斯定律

一手握着角度指针和偏振眼镜，另一只手在偏振眼镜后托着智能手机。旋转偏振眼镜，观察透过光强有2次消光，2次最强；在消光位置，此时入射的偏振光方向与偏振眼镜透偏方向互相垂直。

马吕斯定律描述了线偏振光经过不同夹角的检偏器后的光强的变化规律，验证马吕斯定律是偏振光实验中的重要部分。用Phyphox软件检测透过偏振眼镜的光强度的变化，使透过的光强最强，记下此时指针指示的度数和光强。再旋转偏振眼镜，每隔10°记录一次对应的光强值，直到旋转360°。所得数据处理如图2所示。

图2 验证马吕斯定律

从图2中的拟合结果可以看到上述非实验室环境下的测量能够较好地验证马吕斯定律。

在大学物理实验课程中分别涉及光的偏振和干涉现象均有较丰富的实验内容，而把两者结合起来的偏振光干涉则极少提及。利用上述非实验室环境下的相关器件，可以非常方便地演示偏振光干涉及其简单应用。

图3 正交偏振光下的塑料尺

为了便于操作测试材料，用ipad屏幕作为偏振光源。实验时把ipad屏幕打开并置于桌面，偏振太阳镜作为检偏器，测试材料置于两者之间，如图3所示。塑料尺的彩色条纹表面了其中静态折射率的不均匀分布。

为了动态演示偏振光干涉下的材料的应力分布变化，先把具有规则孔洞的有机玻璃薄片置于液晶屏幕与太阳镜之间，然后对其施加拉力。图4中样品上颜色的动态变化情况说明了在拉力过程中该性质的孔洞周围应力的积累情况。

图4 在液晶屏幕与太阳镜间对透明有机玻璃薄片施加拉力时的边缘应力分布变化(从左到右拉力增大)

在规则透明有机玻璃薄片边缘产生一切口，然后沿垂直于切口方向对其施加拉力，在液晶屏幕与太阳镜之间可以清楚地观察到随着拉力的增大，切口处的应力积累情况，如图5所示。

图5 在液晶屏幕与太阳镜间对透明有机玻璃薄片施加拉力时的切口应力分布变化(从左到右拉力增大)

本文描述了非实验室环境下偏振光实验相关内容的验证与拓展演示。在上述非实验室环境下的物理实验中，坚持了如下三方面原则。一是应该清楚非实验室环境下的实验条件与实验室教学环境的很大不同，非实验室环境的实验器件和条件需要学生创造，所以实验器材的选择必须考虑相对于学生的方便性、安全性与经济实用性。尽量考虑学生身边能够找到的实验器材(如液晶显示器)，尽量不需要学生购置昂贵器材，即使学生购置器材也是他们能够日后用的上的器材(如太阳镜等)。物理实验的核心操作是对相关物理量的测量，所以第二个原则是即使在非实验室环境实验，但实验中要具有一定程度上满足物理实验测量的定量要求内容，保证实验数据与物理规律的重现性。在本文中的马吕斯定律的验证，满足了的第二个设计原则。实验测量结果与物理规律的能够相互验证，对学生的实验信心有很大激励作用。第三个原则是非实验室环境实验内容应该通过一定程度的拓展提高学生的实验兴趣，激发他们的创新意识。偏振光干涉实验内容在大学物理实验课程内容中没有涉及，而通过上述实验装置可以让学生很方便地实现。至于材料形状、材料颜色分布等与应力分布的关系，则可以激励有兴趣的学生进一步深入研究探讨。此外，上述非实验室环境的偏振光演示装置，大学物理课程教师也可非常方便地在课堂进行演示。

致谢：罗浩琳同学和邓浩淇同学对本文实验也有贡献。