開發低成本偏振實驗 落實物理核心素養

何曉萍 樓松年

(浙江金華市第一中學 浙江 金華 321015)

普通高中課程標準實驗教科書《物理·選修3-4》中，“光的偏振”這一節內容對于高中生來說是比較難理解的.雖然教材中通過將光的偏振與機械波的偏振進行類比來幫助學生理解，但也正因為如此類比，導致許多學生都錯誤地認為偏振片上也有一條狹縫，這條狹縫就代表了偏振方向，自然光通過偏振片的這條狹縫就變成了偏振光.歸根結底都是因為學生沒有真正研究過偏振片，對偏振現象的觀察更加缺乏體驗.為此，筆者設計了幾個能在課堂上讓每位學生都能參與的偏振實驗，通過科學探究與體驗形成正確的物理觀念，真正提高學生的物理核心素養.

1 偏光筒

1.1 實驗原理

如圖1所示，自然光通過兩片透振方向平行的偏振片P,Q后變成偏振光，此時透射光的強度最大；以P,Q連線為軸，轉動偏振片Q，透射光的強度逐漸減弱；當偏振片P與偏振片Q的透振方向垂直時(圖2)，透射光的強度為零.

圖1 兩偏振片透振方向平行

圖2 兩偏振片透振方向垂直

1.2 實驗取材

本實驗需要的實驗器材較少，只需要兩片偏振片即可.但市場上售賣的現成玻璃偏振片價格比較貴，稍大一點的就要百元以上.因此用玻璃偏振片來開發學生實驗成本太高.

筆者通過比較最后采用了既常用又便宜的材料(圖3)：手機屏幕上使用的偏光膜、紙質的畫卷筒.其中紙筒由兩部分組成，分別是筒身和可以相對筒身轉動的筒蓋.實驗材料售價與來源如表1所示.

圖3 偏光膜和紙筒

表1 實驗材料清單

1.3 儀器的制作與演示

先將圖3中紙筒兩頭的圓形紙板去除；再用圓形紙板作為模板，剪出兩張圓形偏光膜；然后用雙面膠將兩張偏光膜分別粘在紙筒的兩端，粘貼時要特別注意偏光膜是有正反面的，只有紙筒兩端的偏光膜正面都朝外才能觀察到偏振現象.

圖4 自制的偏光筒

將筒蓋套在紙筒上，用一只眼睛貼在偏光膜上透過紙筒觀察景物，邊旋轉筒蓋邊觀察景物的亮暗變化，轉到最亮時，兩偏光膜的偏振方向恰好平行，此時在紙筒中間某位置用筆標上0°；繼續轉動筒蓋，當看到的景物最暗時，兩偏光膜的偏振方向互相垂直，再次在紙筒中間另一位置標上90°，于是就完成了偏光筒的制作(圖4).

1.4 實驗的優勢

本實驗每個偏光筒只需3元左右的制作成本，所以任何一所學校都可以自行制作，讓每個學生都可以親自體驗光的偏振現象，培養學生的實踐與探究意識.

2 立體偏光“電影”

2.1 實驗原理

教科書中關于立體電影有相關的解釋.拍攝時，用兩個鏡頭如人眼那樣從兩個不同方向同時拍攝下景物的像，制成電影膠片；在放映時(圖5)，通過兩個放映機，把用兩個攝影機拍下的兩組膠片同步放映,使這略有差別的兩幅圖像重疊在銀幕上.這時如果用眼睛直接觀看，看到的畫面是模糊不清的，要看到立體電影，就要在每架放映機前裝一塊偏振片，它的作用相當于起偏器.從兩架放映機射出的光，通過偏振片后，就成了偏振光.左右兩架放映機前的偏振片的偏振方向互相垂直，因而產生的兩束偏振光的偏振方向也互相垂直.這兩束偏振光投射到銀幕上再反射到觀眾處，偏振光方向不改變.觀眾用配套的偏振眼鏡觀看，左眼只能看到左機映出的畫面，右眼只能看到右機映出的畫面，兩個畫面經過大腦綜合以后就能區分物體的前后、遠近，從而產生立體感.

圖5 立體電影放映

立體電影從拍攝到播放過程復雜，制作成本昂貴.顯然要在課堂上觀看體驗立體電影難度較大.但筆者根據立體電影的原理制成了立體圖片，很好地還原了立體電影的制作與播放過程,具體實驗器材如圖6所示.

(1)投影儀.使用兩個帶有幾乎完全相同圖案的汽車迎賓投影燈作為投影儀，燈前各貼一張偏振方向互相垂直的偏振膜，于是就產生了兩幅偏振方向互相垂直的圖案.

圖6 實驗器材

(2)屏幕.筆者使用了金屬屏幕，這是本實驗的關鍵之處，通過反復實驗對比發現，偏振光只有投射到金屬屏幕后反射光的偏振方向不改變，通過其他材料屏幕反射的偏振光會變成自然光，觀眾也就無法通過3D眼鏡看到立體圖案.

(3)3D眼鏡.3D眼鏡的左右鏡片是偏振方向互相垂直的偏振膜，而且它們的偏振方向分別與其中一個投影燈前偏振膜的方向相同.

實驗材料清單如表1所示.

表1 實驗材料清單

2.2 儀器的制作與演示

先將一副3D眼鏡的左右兩片鏡片剪成合適大小，用雙面膠粘貼在投影燈鏡頭前，就形成了兩個偏振方向互相垂直的偏振光源.在屏幕前制作一個投影支架，用小磁鐵先將其中一個投影燈固定在支架上.打開投影燈的開關，可以在屏幕上看到一只蝙蝠的圖案.再把另一個投影燈的開關打開，屏幕上又出現了一只蝙蝠，調節并固定投影燈在支架上的位置讓兩只蝙蝠的圖案基本重疊.這里要說明一下，兩只蝙蝠的圖案并不是一模一樣的，其中有一只蝙蝠的翅膀要比另一只長一些.

讓學生先直接觀看屏幕，看到的圖案模糊有重影(圖7).然后再戴上3D眼鏡觀看屏幕，可以明顯感覺到圖案變得清晰了.接下來指導學生每次遮住一只眼睛去看屏幕，學生通過觀察翅膀的長短可以發現左眼與右眼看到的蝙蝠并不是同一只，它們分別來自于兩個投影燈.讓學生用一只手在眼鏡前快速揮動交替遮擋左右眼，屏幕上就出現了一只在揮動翅膀飛翔的蝙蝠.

圖7 立體電影的演示

2.3 實驗的優勢與不足

本實驗雖然器材簡易，但卻很好地還原了立體電影的制作原理.當學生再次坐到電影院觀看立體電影時，他將會多了一份對電影之外的感悟，那就是科學技術的力量.希望能激發學生努力學習科學知識的人文情懷，為我們的國家與社會文明作出更大的貢獻.

當然，本實驗仍有待改進之處.由于兩副圖案并不是對同一物體從不同角度同時拍攝所得，因此戴上3D眼鏡觀看也只能說明左右眼分別看到的是兩張圖案，卻不能通過大腦合成真正看到立體的效果.

3 制作感想

光的偏振現象在生活中的應用很是常見，比如太陽眼鏡、照相機鏡頭前的偏振片等等.為了讓我們的學生在課堂多一些體驗，教師應該多聯系生活實際，多開發學生實驗.盡管在開發實驗時會遇到各種各樣的困難，但只要不斷努力，任何困難總會有解決的辦法.今后的教學中，也一定要給學生多一些科學探究的機會，在探究中形成正確的物理觀念，在探究中培養科學思維的能力，在探究中提高自身的核心素養.