利用Phyphox探究液晶屏發出的光的偏振性

張懷華

Phyphox是一款搭載在智能手機平臺上的科學實驗探究App^[1][2]。Phyphox對智能手機中的各種傳感器進行了整合優化，使智能手機變成一座功能強大的便攜式科學探究實驗室。Phyphox為使用者提供了數目眾多的科學探究實驗樣例，使用者使用這些實驗樣例就能開展豐富多彩的科學探究實驗活動^[3-7]。此外，Phyphox還支持使用者自行編寫個性化的科學探究實驗方案。物理教師以智能手機為實驗平臺，以Phyphox為實驗程序，以液晶屏為偏振光來源，用偏振片與智能手機光傳感器組成偏振光檢偏器，利用智能手機中的重力加速度計檢測偏振光檢偏器的方位角變化，利用光傳感器檢測偏振光透過檢偏器后的光強變化，繪制透射光強與方位角的關系曲線，測定相鄰兩次消光對應的角度差，可以高效演示偏振光的消光現象。為驗證這一設想，新冠肺炎疫情防控期間，筆者在講授“光的偏振”時^[8]，利用Phyphox編寫實驗程序，在線指導學生實驗，取得了良好的教學效果。下面，介紹具體實驗方法。

一、智能手機實驗程序的個性化編寫

筆者登錄Phyphox手機實驗編輯平臺，首先調取重力加速度傳感器（Acceleration with g），利用重力加速度傳感器在x、y方向上輸出的加速度分量a_x和a_y測量智能手機所處的方位角;然后調取光傳感器（Light），利用光傳感器測量液晶屏發出的光透過檢偏器后的光強;最后以智能手機方位角為橫坐標、以透射光強為縱坐標繪制動態的透射光強—方位角關系圖像。該智能手機實驗程序的可視化流程如圖1所示。

其中，智能手機方位角是基于重力加速度計輸出的加速度分量值a_x和a_y計算的，計算公式（Formula）為：

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

二、手機實驗程序的加載

實驗程序編寫完成后，筆者在編輯平臺上將該實驗程序命名為“光的偏振性研究”，選擇“生成二維碼”。筆者在智能手機中運行Phyphox程序，單擊Phyphox程序頁面右下角的“+”，選擇“從二維碼添加實驗”，然后掃描二維碼，將這個實驗程序加載到Phyphox的實驗樣例當中。

如對Phyphox實驗程序編寫不熟悉，使用者可以按照上述方式掃描二維碼，也可以將定制的“光的偏振性研究”實驗程序加載到Phyphox的實驗樣例當中。

線上教學期間，筆者就是利用網絡將實驗二維碼分發給學生，讓學生自行加載并居家開展探究活動的。

三、智能手機實驗的操作

筆者在筆記本電腦或智慧黑板中打開一個空白文檔，讓液晶屏呈現出均勻的白色。筆者將偏振片（可以用立體眼鏡的鏡片代替）貼在液晶屏上緩慢旋轉，讓學生看到隨著偏振片的緩慢旋轉，偏振片上發生了明暗交替的消光現象。這證明，液晶屏發出的白光是偏振光^[9][10]。

為了探究偏振光透過偏振片后的光強與偏振片旋轉角度的定量關系（如圖2），筆者用透明膠帶將偏振片固定在智能手機上，制成檢偏器。注意：制作檢偏器時，應確保偏振片覆蓋智能手機上的光傳感器。

筆者在Phyphox中打開名為“光的偏振性研究”的實驗程序，設置定時運行：啟動延遲10秒，實驗時長120秒。隨后，筆者啟動實驗，將智能手機的正面正對屏幕，貼在屏幕上，待10秒延遲結束后，緩慢地將智能手機旋轉360°。手機屏幕呈現如圖3所示的偏振光的消光曲線。

在課堂教學中，教師可以利用成熟的投屏技術建立智能手機與大屏幕之間的投屏連接，將智能手機屏幕上顯示的信息同步到大屏幕上。師生可以通過大屏幕實時監視智能手機實驗的進程，親眼見證實驗倒計時讀秒、手機方位角動態讀取、透射光強動態讀取和繪制透射光強與檢偏器方位角函數關系圖像的全過程。

四、智能手機實驗數據的分析

學生觀察偏振光的消光曲線后發現，在智能手機緊貼屏幕緩慢旋轉一周的過程中，智能手機上的光傳感器感知到偏振光透過檢偏器之后的強弱變化。

筆者將此次實驗中得到的透射光強與手機方位角函數關系圖像擴展至全屏，找到手機屏幕下方的“選取數據”按鈕，點擊偏振光消光曲線上的最低點（兩次）。Phyphox自動顯示如圖4和圖5所示的數據點坐標值。

學生觀察Phyphox繪制的透射光強與檢偏器方位角的函數關系圖像發現，在智能手機和偏振片緊貼液晶屏同步旋轉360°的過程中，出現了兩次消光現象，偏振光第一次消光對應角度為85.97°，第二次消光出現在267.16°，兩次消光間隔181.19°。

在誤差允許的范圍內，筆者引導學生得出以下結論：檢偏器在旋轉360°的過程中，偏振光先后出現兩次消光現象所間隔的角度為180°。此次實驗精確度非常高，相對誤差僅為0.66%。

需要說明的是，在透射光強與手機方位角函數關系圖像消光位置的兩側有兩個微小的尖峰，這可能是由覆蓋在智能手機光傳感器上的手機屏幕和手機貼膜導致的。

利用智能手機中的Phyphox程序探究偏振光的消光現象，在便捷度、精確度、可見度和參與度等幾個方面都遠優于高中物理實驗室標配的傳統實驗設備（如圖6）。

課程改革注重培養學生的信息素養、創新精神和實踐能力。智能手機的普及應用打破了實驗的時空限制，讓科學探究活動隨時隨地自由開展，也讓學生參與科學探究活動的體驗更真切、更深刻。教師科學利用Phyphox強大的數據采集、數據分析和數據輸出功能，降低數據獲取和數據分析的技術門檻，可以將學生從煩瑣的設備組裝、儀器調試、數據測量、數據錄入、描點連線和方程擬合中解放出來，讓學生有充分的時間、精力專注于對科學探究活動本質的思考。

注：本文系2021年河南省基礎教育教學研究項目“Phyphox在中學物理實驗探究活動中應用研究”（編號：JCJYC2106zy073）的階段性研究成果。

參考文獻

[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）.

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[5] 張旺，汪志榮，伍科.基于Phyphox軟件運用的“音調的影響因素”探究教學活動設計[J].中學物理，2020（24）：55-57.

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[8] 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[M].北京：人民教育出版社，2007：64-67.

[9] 劉祝軍.TFT液晶屏的內部結構是怎樣的[J].家電檢修技術， 2014（3）：1.

[10]周清.光的偏振與液晶顯示[J].物理通報，1994（10）：38-40.

（作者系河南省焦作市第十一中學正高級教師）