非實驗室環境下的偏振光實驗及其拓展

虞期盼，李思晴，鄒曹沂，李澤佑，羅鍛斌

(華東理工大學 理學院，上海 200237)

2020年初爆發的新冠肺炎疫情，對整個社會和個人均產生了深刻地影響。而教育是此次疫情影響最深的領域之一。為了應對疫情期間的教學，國內外同行都采取了一系列應對措施。以筆者所在的大學物理教育領域，各種因地制宜、各具特色的線上線下混合教學方式[1-4]為應對疫情起了重要作用。對于大學物理實驗教學，疫情期間的線上虛擬仿真實驗教學和居家實驗教學為實驗教學這一特殊的教學領域提供了有力保障[5-7]。這些實驗教學方式，也對后疫情時代的物理實驗教學提供了有益的啟示[8]。特別是居家實驗教學，一方面讓學生在全開放的非實驗室環境自主進行實驗，極大地鍛煉了學生的實驗設計、動手操作、數據采集分析、報告總結、口頭表達等能力；另一方面，讓智能手機的各種傳感器以及相關應用軟件(Phyphox、Physics Toolbox Suite、Tracker等)獲得了廣大師生的極大關注并日益廣泛地融入到物理實驗教學過程中。普及后疫情時代的非實驗室環境物理實驗教學，不僅在大學物理課程的教學演示、學生對物理原理的理解、日常生活現象的解釋與應用等方面有直觀的作用，而且在更深層次的拓展物理教育、提高國民科學素養上有重要意義[9]。

光學現象的研究是物理實驗中的重要組成部分，而光的偏振、干涉和衍射是波動光學實驗的基本組成部分。如何開展非實驗室環境中的光學實驗，國內同行已經有不少有趣、有益的方案[10,11]。在本文中，利用學生更容易獲取的非實驗室環境下的工具，結合智能手機演示了偏振光的性質，驗證了馬呂斯定律。同時做了簡單的拓展，演示了偏振光干涉下透明介質的應力分布。

相比于不少演示實驗中所使用的激光筆作為光源，通電使用中的液晶顯示屏其實是非實驗室環境下很好的偏振光源。非實驗室環境下可以方便地選擇筆記本計算機顯示屏、ipad等平板顯示屏甚至手機顯示屏作為偏振光源。日常使用的偏光太陽鏡或者3D眼鏡可以用做實驗中的起偏和檢偏器。實驗中將電腦顯示屏調為白屏，并保持亮度不變。在顯示屏前放置偏振眼鏡(檢偏器)，使偏振眼鏡在平行于顯示屏的平面上旋轉，可以觀察到光照強度的強弱周期性變化并用手機的光強傳感器結合Phyphox軟件測量光強。偏振眼鏡旋轉角度的測量可以用自制刻度盤(標有角度讀數的圓環紙圈并貼于顯示屏上)和細小長尖銳物體指示(如長竹簽等)。整個實驗裝置如圖1所示。

圖1 利用液晶屏幕與3D眼鏡驗證馬呂斯定律

一手握著角度指針和偏振眼鏡，另一只手在偏振眼鏡后托著智能手機。旋轉偏振眼鏡，觀察透過光強有2次消光，2次最強；在消光位置，此時入射的偏振光方向與偏振眼鏡透偏方向互相垂直。

馬呂斯定律描述了線偏振光經過不同夾角的檢偏器后的光強的變化規律，驗證馬呂斯定律是偏振光實驗中的重要部分。用Phyphox軟件檢測透過偏振眼鏡的光強度的變化，使透過的光強最強，記下此時指針指示的度數和光強。再旋轉偏振眼鏡，每隔10°記錄一次對應的光強值，直到旋轉360°。所得數據處理如圖2所示。

圖2 驗證馬呂斯定律

從圖2中的擬合結果可以看到上述非實驗室環境下的測量能夠較好地驗證馬呂斯定律。

在大學物理實驗課程中分別涉及光的偏振和干涉現象均有較豐富的實驗內容，而把兩者結合起來的偏振光干涉則極少提及。利用上述非實驗室環境下的相關器件，可以非常方便地演示偏振光干涉及其簡單應用。

圖3 正交偏振光下的塑料尺

為了便于操作測試材料，用ipad屏幕作為偏振光源。實驗時把ipad屏幕打開并置于桌面，偏振太陽鏡作為檢偏器，測試材料置于兩者之間，如圖3所示。塑料尺的彩色條紋表面了其中靜態折射率的不均勻分布。

為了動態演示偏振光干涉下的材料的應力分布變化，先把具有規則孔洞的有機玻璃薄片置于液晶屏幕與太陽鏡之間，然后對其施加拉力。圖4中樣品上顏色的動態變化情況說明了在拉力過程中該性質的孔洞周圍應力的積累情況。

圖4 在液晶屏幕與太陽鏡間對透明有機玻璃薄片施加拉力時的邊緣應力分布變化(從左到右拉力增大)

在規則透明有機玻璃薄片邊緣產生一切口，然后沿垂直于切口方向對其施加拉力，在液晶屏幕與太陽鏡之間可以清楚地觀察到隨著拉力的增大，切口處的應力積累情況，如圖5所示。

圖5 在液晶屏幕與太陽鏡間對透明有機玻璃薄片施加拉力時的切口應力分布變化(從左到右拉力增大)

本文描述了非實驗室環境下偏振光實驗相關內容的驗證與拓展演示。在上述非實驗室環境下的物理實驗中，堅持了如下三方面原則。一是應該清楚非實驗室環境下的實驗條件與實驗室教學環境的很大不同，非實驗室環境的實驗器件和條件需要學生創造，所以實驗器材的選擇必須考慮相對于學生的方便性、安全性與經濟實用性。盡量考慮學生身邊能夠找到的實驗器材(如液晶顯示器)，盡量不需要學生購置昂貴器材，即使學生購置器材也是他們能夠日后用的上的器材(如太陽鏡等)。物理實驗的核心操作是對相關物理量的測量，所以第二個原則是即使在非實驗室環境實驗，但實驗中要具有一定程度上滿足物理實驗測量的定量要求內容，保證實驗數據與物理規律的重現性。在本文中的馬呂斯定律的驗證，滿足了的第二個設計原則。實驗測量結果與物理規律的能夠相互驗證，對學生的實驗信心有很大激勵作用。第三個原則是非實驗室環境實驗內容應該通過一定程度的拓展提高學生的實驗興趣，激發他們的創新意識。偏振光干涉實驗內容在大學物理實驗課程內容中沒有涉及，而通過上述實驗裝置可以讓學生很方便地實現。至于材料形狀、材料顏色分布等與應力分布的關系，則可以激勵有興趣的學生進一步深入研究探討。此外，上述非實驗室環境的偏振光演示裝置，大學物理課程教師也可非常方便地在課堂進行演示。

致謝：羅浩琳同學和鄧浩淇同學對本文實驗也有貢獻。