利用Phyphox探究液晶屏发出的光的偏振性

张怀华

Phyphox是一款搭载在智能手机平台上的科学实验探究App^[1][2]。Phyphox对智能手机中的各种传感器进行了整合优化，使智能手机变成一座功能强大的便携式科学探究实验室。Phyphox为使用者提供了数目众多的科学探究实验样例，使用者使用这些实验样例就能开展丰富多彩的科学探究实验活动^[3-7]。此外，Phyphox还支持使用者自行编写个性化的科学探究实验方案。物理教师以智能手机为实验平台，以Phyphox为实验程序，以液晶屏为偏振光来源，用偏振片与智能手机光传感器组成偏振光检偏器，利用智能手机中的重力加速度计检测偏振光检偏器的方位角变化，利用光传感器检测偏振光透过检偏器后的光强变化，绘制透射光强与方位角的关系曲线，测定相邻两次消光对应的角度差，可以高效演示偏振光的消光现象。为验证这一设想，新冠肺炎疫情防控期间，笔者在讲授“光的偏振”时^[8]，利用Phyphox编写实验程序，在线指导学生实验，取得了良好的教学效果。下面，介绍具体实验方法。

一、智能手机实验程序的个性化编写

笔者登录Phyphox手机实验编辑平台，首先调取重力加速度传感器（Acceleration with g），利用重力加速度传感器在x、y方向上输出的加速度分量a_x和a_y测量智能手机所处的方位角;然后调取光传感器（Light），利用光传感器测量液晶屏发出的光透过检偏器后的光强;最后以智能手机方位角为横坐标、以透射光强为纵坐标绘制动态的透射光强—方位角关系图像。该智能手机实验程序的可视化流程如图1所示。

其中，智能手机方位角是基于重力加速度计输出的加速度分量值a_x和a_y计算的，计算公式（Formula）为：

tan2（[1_]，[2_]）*57.2958*（sign（[1_]）+1）/2+（360+atan2（[1_]，[2_]）*57.2958）*（sign（[1_]*（-1））+1）/2

二、手机实验程序的加载

实验程序编写完成后，笔者在编辑平台上将该实验程序命名为“光的偏振性研究”，选择“生成二维码”。笔者在智能手机中运行Phyphox程序，单击Phyphox程序页面右下角的“+”，选择“从二维码添加实验”，然后扫描二维码，将这个实验程序加载到Phyphox的实验样例当中。

如对Phyphox实验程序编写不熟悉，使用者可以按照上述方式扫描二维码，也可以将定制的“光的偏振性研究”实验程序加载到Phyphox的实验样例当中。

线上教学期间，笔者就是利用网络将实验二维码分发给学生，让学生自行加载并居家开展探究活动的。

三、智能手机实验的操作

笔者在笔记本电脑或智慧黑板中打开一个空白文档，让液晶屏呈现出均匀的白色。笔者将偏振片（可以用立体眼镜的镜片代替）贴在液晶屏上缓慢旋转，让学生看到随着偏振片的缓慢旋转，偏振片上发生了明暗交替的消光现象。这证明，液晶屏发出的白光是偏振光^[9][10]。

为了探究偏振光透过偏振片后的光强与偏振片旋转角度的定量关系（如图2），笔者用透明胶带将偏振片固定在智能手机上，制成检偏器。注意：制作检偏器时，应确保偏振片覆盖智能手机上的光传感器。

笔者在Phyphox中打开名为“光的偏振性研究”的实验程序，设置定时运行：启动延迟10秒，实验时长120秒。随后，笔者启动实验，将智能手机的正面正对屏幕，贴在屏幕上，待10秒延迟结束后，缓慢地将智能手机旋转360°。手机屏幕呈现如图3所示的偏振光的消光曲线。

在课堂教学中，教师可以利用成熟的投屏技术建立智能手机与大屏幕之间的投屏连接，将智能手机屏幕上显示的信息同步到大屏幕上。师生可以通过大屏幕实时监视智能手机实验的进程，亲眼见证实验倒计时读秒、手机方位角动态读取、透射光强动态读取和绘制透射光强与检偏器方位角函数关系图像的全过程。

四、智能手机实验数据的分析

学生观察偏振光的消光曲线后发现，在智能手机紧贴屏幕缓慢旋转一周的过程中，智能手机上的光传感器感知到偏振光透过检偏器之后的强弱变化。

笔者将此次实验中得到的透射光强与手机方位角函数关系图像扩展至全屏，找到手机屏幕下方的“选取数据”按钮，点击偏振光消光曲线上的最低点（两次）。Phyphox自动显示如图4和图5所示的数据点坐标值。

学生观察Phyphox绘制的透射光强与检偏器方位角的函数关系图像发现，在智能手机和偏振片紧贴液晶屏同步旋转360°的过程中，出现了两次消光现象，偏振光第一次消光对应角度为85.97°，第二次消光出现在267.16°，两次消光间隔181.19°。

在误差允许的范围内，笔者引导学生得出以下结论：检偏器在旋转360°的过程中，偏振光先后出现两次消光现象所间隔的角度为180°。此次实验精确度非常高，相对误差仅为0.66%。

需要说明的是，在透射光强与手机方位角函数关系图像消光位置的两侧有两个微小的尖峰，这可能是由覆盖在智能手机光传感器上的手机屏幕和手机贴膜导致的。

利用智能手机中的Phyphox程序探究偏振光的消光现象，在便捷度、精确度、可见度和参与度等几个方面都远优于高中物理实验室标配的传统实验设备（如图6）。

课程改革注重培养学生的信息素养、创新精神和实践能力。智能手机的普及应用打破了实验的时空限制，让科学探究活动随时随地自由开展，也让学生参与科学探究活动的体验更真切、更深刻。教师科学利用Phyphox强大的数据采集、数据分析和数据输出功能，降低数据获取和数据分析的技术门槛，可以将学生从烦琐的设备组装、仪器调试、数据测量、数据录入、描点连线和方程拟合中解放出来，让学生有充分的时间、精力专注于对科学探究活动本质的思考。

注：本文系2021年河南省基础教育教学研究项目“Phyphox在中学物理实验探究活动中应用研究”（编号：JCJYC2106zy073）的阶段性研究成果。

参考文献

[1] Staacks S， Hütz S， Heinke H， et al. Advanced tools

for smartphone-based experiments： Phyphox[J]. Physics Education，2018（4）.

[2] Kuhlen S， Stampfer C， Wilhelm T， et al. Phyphox

bringt das Smartphone ins Rollen[J]. Physik in unserer  Zeit，2017（3）.

[3] 王锦辉，孙存英，周红，等.利用智能手机磁传感器研究单摆运动[J].大学物理，2021（3）：33-37.

[4] 伍科，张旺.基于Phyphox程序的“电磁感应定律”定量探究实验改进[J].物理通报，2021（3）：108-110.

[5] 张旺，汪志荣，伍科.基于Phyphox软件运用的“音调的影响因素”探究教学活动设计[J].中学物理，2020（24）：55-57.

[6] 邓沛恩，程敏熙.利用智能手机显示声音的频谱并探究声压级与距离的关系[J].物理实验，2020（7）：54-57.

[7] 洪静爽，程敏熙.基于智能手机光传感器验证点光源光照强度与距离的平方反比关系[J].物理通报，2020（11）：85-87.

[8] 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[M].北京：人民教育出版社，2007：64-67.

[9] 刘祝军.TFT液晶屏的内部结构是怎样的[J].家电检修技术， 2014（3）：1.

[10]周清.光的偏振与液晶显示[J].物理通报，1994（10）：38-40.

（作者系河南省焦作市第十一中学正高级教师）