自制教具演示光的偏振方向

孔志蕾，劉 林

(1.河北南宮中學(xué)，河北 邢臺(tái)055750；2.銳光凱奇(鎮(zhèn)江)光電科技有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

“光的偏振”是《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版)選擇性必修課程選擇性必修1中“光及其應(yīng)用”的內(nèi)容，教學(xué)要求為：觀察光的偏振現(xiàn)象，了解這些現(xiàn)象產(chǎn)生的條件，知道其在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用；知道光是橫波[1]. 教學(xué)中設(shè)計(jì)的演示實(shí)驗(yàn)“觀察光的偏振現(xiàn)象”是先讓自然光通過(guò)1個(gè)偏振片,轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片，讓學(xué)生觀察透射光強(qiáng)度是否發(fā)生變化；然后當(dāng)自然光通過(guò)2個(gè)偏振片時(shí)，旋轉(zhuǎn)其中任意1個(gè)偏振片，讓學(xué)生觀察透射光的強(qiáng)度是否會(huì)出現(xiàn)周期性變化. 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生只能通過(guò)透射光強(qiáng)度的變化來(lái)判斷偏振光的偏振方向與透振方向的關(guān)系，無(wú)法直接觀察到偏振光的偏振方向. 基于以上問(wèn)題，本文通過(guò)自制的徑向偏振片顯示偏振光的偏振方向，幫助學(xué)生更好地理解光是橫波.

1 偏振光

1.1 線偏振光

光波是電磁波，當(dāng)光與物質(zhì)發(fā)生相互作用時(shí)，起主要作用的是光波中的電矢量. 如果光在傳播過(guò)程中電矢量的振動(dòng)只限于某一特定平面內(nèi)，這種光稱為線偏振光. 普通光源發(fā)出的光一般是自然光，自然光在軸對(duì)稱的各個(gè)方向上電矢量的時(shí)間平均值均相等[2].

一般情況下，自然光經(jīng)具有二向色性(對(duì)不同振動(dòng)方向的偏振光具有不同的吸收系數(shù))的物體透射后的光即為線偏振光，其中碘鏈常被用于獲取線偏振光. 當(dāng)光入射碘鏈時(shí)，由于碘中的傳導(dǎo)電子能夠沿著長(zhǎng)鏈運(yùn)動(dòng)，因此入射光波中平行于長(zhǎng)鏈方向的電場(chǎng)分量將會(huì)對(duì)電子做功而被強(qiáng)烈吸收；而垂直于長(zhǎng)鏈方向的電場(chǎng)分量因不對(duì)電子做功而透過(guò)，這樣得到的透射光即為線偏振光，其光矢量垂直于碘鏈的長(zhǎng)鏈方向[2].

如圖1所示，用于將自然光轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏振光的偏振片P1為起偏器；用于檢驗(yàn)線偏振光的偏振片P2為檢偏器. 假設(shè)P1與P2透振方向的夾角為θ，自然光透過(guò)起偏器后的光強(qiáng)為I0，由馬呂斯定律可知，透過(guò)檢偏器的光強(qiáng)為

I=I0cos2θ.

(1)

當(dāng)兩偏振片的透振方向平行，即θ=0°時(shí)，I=I0，透射光最強(qiáng)，如圖1(a)所示；當(dāng)透振方向垂直，即θ=90°時(shí)，I=0，此時(shí)檢偏器處于消光位置，如圖1(b)所示.

(a)θ=0°

1.2 徑向偏振光

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)存在一種軸對(duì)稱光束，其光矢量方向相對(duì)于光傳播方向呈中心對(duì)稱分布，在垂直于光傳播方向的光束橫截面內(nèi)，其光矢量方向與矢徑的夾角保持不變. 徑向偏振光是典型的軸對(duì)稱偏振光束，其光矢量始終與徑向平行.

如圖2所示，選取入射到徑向偏振片的3條特殊光線1，2，3來(lái)進(jìn)行分析. 根據(jù)式(1)，光線1與偏振透光方向平行，光強(qiáng)最大；光線3與偏振透光方向垂直，光強(qiáng)最小；光線2介于光線1和光線3之間，其光強(qiáng)也介于最大與最小之間. 因此，通過(guò)徑向偏振片可以同時(shí)呈現(xiàn)檢偏器在不同角度的透射情況.

圖2 線偏振光經(jīng)過(guò)徑向偏振片后的光強(qiáng)分布

2 徑向偏振片的制作

實(shí)驗(yàn)器材：線偏振片(20 cm×20 cm)1張、圓形透明亞克力板(直徑為20 cm)2塊、剪刀1把、量角器1個(gè)、A4紙1張、透明膠若干.

徑向偏振片的具體制作步驟為：

1)裁剪線偏振片. 將線偏振片從中間剪開(kāi)，然后按照?qǐng)D3所示的虛線剪出36片頂角為10°的三角形偏振片(可近似看作扇形偏振片)，透振方向與其角平分線平行.

圖3 線偏振片分割示意圖

2)固定偏振片. 畫半徑為10 cm的圓，每間隔10°畫1條直徑，共18條直徑，如圖4所示.

圖4 有18條徑向線的圓

3)將亞克力板平放在印有徑向線的紙上，使亞克力板的邊緣與紙上圓的邊界重合；然后將裁好的扇形偏振片按照徑向線逐片貼在亞克力板上；最后在貼好偏振片的亞克力板上覆蓋另1塊亞克力板，并將邊緣密封.

4)在密封后的亞克力板外側(cè)貼上印有刻度的圓環(huán)，使圓環(huán)的刻度線沿著扇形偏振片的角平分線，制作完成徑向偏振片，如圖5所示.

圖5 徑向偏振片實(shí)物圖

3 徑向偏振片的應(yīng)用

3.1 演示光的偏振方向

燈光通過(guò)起偏器后轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏振光，在起偏器的后面放置徑向偏振片. 以8片線偏振片組成的徑向偏振片為例(見(jiàn)圖6)：a，e偏振片的透振方向與光的偏振方向平行，透過(guò)這2片偏振片的光強(qiáng)最強(qiáng)； c，g偏振片的透振方向與光的偏振方向垂直，這2片偏振片區(qū)域?yàn)橄鈪^(qū)域. 因此，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以通過(guò)觀測(cè)不同扇形區(qū)域的光強(qiáng)來(lái)判斷光的偏振方向，即偏振方向與消光區(qū)域垂直，總是沿著光強(qiáng)最強(qiáng)的區(qū)域.

圖6 徑向偏振片演示光的偏振方向示意圖

圖7為利用自制的徑向偏振片觀察到偏振光的結(jié)果，旋轉(zhuǎn)起偏器，可以觀察到透過(guò)起偏器的光的偏振方向會(huì)隨之改變.

圖7 演示光偏振方向的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 生活中的偏振現(xiàn)象

將徑向偏振片分別放在2塊不同的液晶屏幕前，觀察液晶屏幕發(fā)出的光，結(jié)果如圖8所示. 可以看出：2塊液晶屏幕發(fā)出的光偏振方向不同，約相差45°.

圖8 不同液晶屏幕前的偏振現(xiàn)象

用徑向偏振片觀察晴朗蔚藍(lán)天空(見(jiàn)圖9)，改變偏振片與太陽(yáng)光傳播方向的夾角，可以觀察到不同扇形區(qū)域透射出的光的強(qiáng)度不同，說(shuō)明蔚藍(lán)天空所散射的太陽(yáng)光是部分偏振光. 該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出的結(jié)論與理論一致[3]，證明了徑向偏振片的可靠性.

圖9 利用徑向偏振片觀察蔚藍(lán)天空

3.3 檢測(cè)偏光太陽(yáng)鏡的透振方向

高山上的積雪會(huì)反射陽(yáng)光，帶上有偏光功能的太陽(yáng)鏡能有效過(guò)濾這些光線. 為了解偏光太陽(yáng)鏡的透振方向，將徑向偏振片放置在普通光源前，透過(guò)偏光太陽(yáng)鏡觀察徑向偏振片，再根據(jù)式(1)即可得到偏光太陽(yáng)鏡的透振方向沿垂直方向，如圖10所示.

圖10 太陽(yáng)鏡的偏振現(xiàn)象

3.4 探究蔗糖水溶液的旋光現(xiàn)象

線偏振光通過(guò)物質(zhì)后，其電矢量振動(dòng)方向沿傳播方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象叫作旋光現(xiàn)象. 由于蔗糖屬于右旋物質(zhì)，因此可通過(guò)蔗糖水溶液探究旋光現(xiàn)象. 具體操作步驟為：

1)配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)w=25%,50%的蔗糖水，并分別倒入2個(gè)完全相同的玻璃瓶(10 cm×10 cm×20 cm)內(nèi).

2)將盛有蔗糖水的玻璃瓶放在起偏器與徑向偏振片之間，并置于徑向偏振片的右側(cè)(與左側(cè)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)).

3)在白光光源前加紅色濾光片，觀察消光區(qū)域，如圖11所示.

對(duì)比圖11 (a)～(b)中的消光區(qū)域可知：在光程和光源一定的情況下，蔗糖水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)角度越大.

(a) w=25% (b) w=50%

如果用白光光源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，徑向偏振片右側(cè)扇形區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)彩色，如圖12所示. 這是由于在相同實(shí)驗(yàn)條件下，波長(zhǎng)越短，旋轉(zhuǎn)角度越大；波長(zhǎng)越長(zhǎng)，旋轉(zhuǎn)角度越小[2]. 這種旋光度隨波長(zhǎng)變化的現(xiàn)象稱作旋光色散.

圖12 旋光色散現(xiàn)象

4 結(jié)束語(yǔ)

自制的徑向偏振片可以同時(shí)呈現(xiàn)檢偏器在各個(gè)角度的透射情況，根據(jù)各區(qū)域透射光的亮暗程度可以直接觀測(cè)到光的偏振方向，便于學(xué)生更加立體、直觀地進(jìn)行空間整體感知，建立光的波動(dòng)模型，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)光是橫波.