動態流水畫：展示光的偏振現象的自然美

肖凱龍 張軍朋 莊浩麗

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

為了增強光的偏振現象的課堂導入效果，筆者自制了動態流水畫，作為“光的偏振”教學導入環節的趣味實驗.

1 動態流水畫裝置和原理

動態流水畫裝置如圖1所示.后燈箱中的燈泡發出自然光，通過勻速轉動的圓形偏振片后，形成沿不同透振方向的偏振光出射.接著偏振光通過流水畫背后沿著水流方向分布的一條條偏振片，如圖2所示.橫向上看，相鄰兩層偏振片的透振方向是相互垂直的.因此，后燈箱出射的偏振光與流水畫背后的偏振片透振方向呈不同夾角，根據馬呂斯定律I=I0cos2α，光的強度會在流水處呈現出規律的亮暗變化，于是就形成了水“流動”起來的似動現象(人通過瞬間兩點刺激而產生的運動幻覺[1]).韋特海默提出“完形原理”對這個現象進行心理學解釋：人對“動”的知覺是間接的，一定出現了某種主觀上的補充.因此，人對流水的圖式已經存在認知，當人眼看到流水畫亮暗交替變化，會在主觀上將其“完形”(補充完整)，頭腦便產生了水“流動”的似動錯覺.

圖1 動態流水畫裝置

2 動態流水畫的制作

(1)用A4紙彩打一張含有較大面積瀑布的流水畫，并將其貼在等大的亞克力板上.

(2)在亞克力板的背后，沿著流水方向貼上一條條小偏振片.其中同一層的偏振片透振方向需要一致，而相鄰兩層偏振片的透振方向需要相互垂直，如圖2所示.

圖2 流水畫背面圖

(3)在木板底座上固定轉速適中的齒輪，并將圓形偏振片(直徑：25 cm)貼在齒輪上.在齒輪后面固定3個15 W的LED白光燈泡作為光源，再用PVC板制作燈罩，使得光源發出的光線更集中，并將燈泡的電線從燈罩后穿出，如圖3所示.

圖3 后燈箱

3 動態流水畫的演示

首先，將流水畫和后燈箱如圖1所示放置.然后，接通燈泡，這時流水畫被照亮但沒流動.接著，接通齒輪，根據上述原理，可觀察到流水“流動”起來.

演示前注意關燈，避免其余光線太強以致影響演示效果.在演示過程中可播放流水的音效，效果更為逼真.

總之，動態流水畫生動形象地模擬出自然流水的視覺效果，不僅展示了光的偏振現象的自然美,而且增加了課堂的趣味性.

1 鄧勤勤，馬富強.似動現象對于動知覺認識的啟示.心智與計算，2009(2)： 99～103

2 董峻.似動知覺中的主客體關系及其理論外推.復印報刊資料(心理學) ,1993(10): 43～49

3 課程教材研究所.普通高中課程標準實驗教科書 物理·選修 3-4.北京：人民教育出版社,2010.80～82

4 聶劍軍,謝明生. 依據全反射棱鏡功能自制“變臉魔術”教具. 物理通報,2013(12):93～94