基于傳感器的偏振實驗教學探究

史 芹 任 衛 姜慧敏

（1.石河子大學理學院；2.西安郵電大學）

傳感器的應用作為一種現代教育手段，已成為大中小學學科教學理念現代化的標志。這是信息化教學和學科教學相結合的有益嘗試。該教學模式激發了學生自主學習的興趣，提升了學生的創新能力，為教師課堂教學展示提供了良好的仿真環境。

光學是物理學重要的組成部分，是理工科必須掌握的一門學科。為了使學生更形象、更深入地理解光學知識，傳統教學大都采用實驗的方法對知識點做定性分析。例如光學偏振現象實驗，大多實驗是采用如下方法：讓同學拿兩個偏振片，固定其中一個（起偏器），另一個（檢偏器）對其旋轉一周，透過檢偏器觀察光強的變化情況。在旋轉一周的過程中會出現光強明暗交替，兩次消光現象。但該實驗不能定量反映光強隨旋轉角度的變化量，從而難以解釋馬呂斯定律。在教師采用傳統實驗方法講解該定律時，光強和角度的函數關系很難體現。因此，該光學實驗不僅需要定性的動態演示，更需要定量的比較分析。為加深學生對課堂知識的理解，提高教師的教學成效，在此利用傳感器結合傳統實驗的教學方法，形象實時地展現馬呂斯定律，有效解決了傳統實驗不能定量描述的問題。

一、實驗儀器

傳感器在物理實驗中一般是將力學或光學信號轉變為電學信號進行輸出，因此其配套通常為數據采集器、計算機和專用試驗數據分析軟件，主要應用電腦控制跟蹤和數據采集分析的智能化實時控制系統。

本實驗使用的主要儀器為檢偏器、基本光學工作臺、半導體激光器、高靈敏度光學傳感器、轉動傳感器和PASCO Capstone 軟件。其示意圖如圖1 所示，實物圖如圖2 所示。

二、實驗原理

光是一種電磁波，是橫波。光波電矢量振動的空間分布對于光的傳播方向失去對稱性的現象叫作光的偏振。光振動只沿某一固定方向的光，也稱偏振光。

偏振片只允許處于一個特定的振動平面內的光通過它。這一平面形成了一個偏振軸。在所有的平面內，非偏振光的振動垂直于它的傳播方向。如果一個非偏振光入射到一個理想的偏振片上，只有一半的光強會通過這個偏振片。若有兩個偏振片，當非偏振光入射到第一個偏振片后，假設這個穿過第一個偏振片的極化電場被稱為E1，其中E2是這個場以一定的角度Φ 通過第二個偏振片，同時相對于第一個偏振片的電場為E1=COSΦ（見圖3）。由于光的強度與電場的平方成一定的比例，則穿過第二個偏振片的光強是：

此式即為馬呂斯定理的數學表達式。

則通過第三個偏振片的光強是I3，得出：

在本實驗中，通過手動旋轉第二塊偏振片，記錄相對光強和兩塊偏振片偏振軸夾角的關系曲線，得到的光強-角度曲線符合角度的余弦平方曲線，通過這一規律能夠驗證馬呂斯定律。

三、實驗方案與數據分析

將半導體激光器、檢偏器、轉動傳感器和高靈敏度光學傳感器依次固定在光具座上，轉動傳感器安裝在第二個偏振片支架上，并讓滑輪對著支架。再將轉動傳感器插入850 通用接口的一個PASPORT 輸入端口。推動所有光學軌道上的組件使它們盡可能地靠近（注意：在光傳感器上的孔徑圓盤不能與偏振器接觸）。

本實驗設定傳感器在20Hz 時，記錄相對光強與旋轉角度的曲線關系如圖5 所示。打開激光器，點擊軟件上的RECORD，然后緩慢旋轉連著轉動傳感器的偏振片使它通過360°（可以多旋幾周），最后點擊STOP。在此過程當中，當曲線通過轉折點時盡可能地緩慢平穩移動（避免出現臺階式曲線），在轉折點之間可以快速通過。

若將公式（1）中的（cosφ）2當作變量，則出射光強I2應與（cosφ）2為正比例函數關系。為此做變量代換，其曲線如圖6 所示。

從圖6 可知，相對光強確實與（cosφ）2成正比例函數關系。

在該實驗中，不僅對光強與偏振片的旋轉角度的關系做了定性分析，即偏振片旋轉一周光強強弱的變化規律，還直觀向學生展示了出射光強大小與偏振片旋轉角度之間關系的定量分析。光強與偏振片角度的關系曲線圖完美驗證了馬呂斯定律，有助于學生對理論課的深入理解。

PASCO 傳感器系統的使用，可以很好地模擬并展示傳感器在不同頻率下相對光強與偏振片旋轉角度之間的關系，即I2=I1（cosφ）2（φ 為入射線偏光振動方向和偏振片偏振化方向之間的夾角）。它的直觀展示和實時性，可以讓學生即時定性定量地觀測到實驗結果，加深對馬呂斯定律的理解，激發學生對學習物理的激情，提高學習科學知識的內驅力。