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光学物理小实验有趣的偏振光实验

2018-09-15 10:17:14

物理小实验:有趣的偏振光实验 ——极客迷(www.geekfans.com)

光是一种横波,光的电场振动的方向与行进方向垂直,而光的电场振动方向就是所谓的偏振方向。虽然阳光是偏振方向凌乱无序的非偏振光,但经过散射或反射后,就可能变成偏振方向一定的偏振光。偏振光在日常生活中随处可见,只是肉眼无法直接分辨罢了。例如:蔚蓝的苍穹是由于高空稀薄的空气分子散射造成的,所以蓝天其实是近似偏振光,拍摄风景时,如果天空太亮,摄影师多用偏极板(注1)制成的滤光片滤掉部分蓝天的亮度。又例如,钓鱼时,水面的浮光耀金,静影沈碧,也是近似偏振光,也可用偏极板制成的太阳眼镜滤掉,而见水中的游鱼;同样的情形,专事窥探名人隐私的狗仔队也遭遇得到,豪华轿车里的是是非非,总因挡风玻璃的反光而变得模模糊糊,只要在相机或摄影机镜头前加装偏极板,滤掉挡风玻璃的反光(玻璃反光也是偏振光),车内人物即原形毕露了。

偏振光的应用还有很多,液晶显示幕和利用某些透明物体双折射现象的光测弹性学,都是著名的例子。光测弹性学在工业上可用来分析物体所受的应力,因其彩色缤纷,常令观众惊叹,物理课本介绍偏振光时多会提及。本文结合色彩和科学,特别着重于视觉效果和临场气氛,以崭新的方法演示双折射改变偏振的现象。

所须的器材如下:

1. 一块硬质塑胶制的三角板或圆规。

2. 一块方解石。

3. 两片剪裁成15×15 cm2 的偏极板(仲典公司有售,价格便宜)。

4. 一架投影机。

5. 一幅普通的银幕( 学校教室里用的即可)。

6. 一幅特制的银幕(将美术用的三夹板裁成所须的尺寸,此三夹板反光面的粗糙度,与一般图画纸相似即可,用“电镀银”(编号144)的喷漆,均匀地将三夹板的反光面喷涂成银白色即成。若不惜成本,任何具金属光泽而可漫射的表面均可代用。)

首先,将投影机转亮,用方解石压住放在投影机面板上的投影片,方解石四周可用黑色纸遮住,调妥聚焦,方解石底下投影片的字迹即投影在一般银幕上,方解石由于其组成原子在不同方向的键结强度不同,而具有双折射的特性,投影机的非偏振灯光依其偏振方向不同,会有两种折射角度,在银幕上于是会看到两个重叠在一起的巨大影像。换言之,银幕上互相重叠的字迹影像是由两道偏振方向不同的偏振光造成的。因此,把一块偏极板放在投影机镜头前方,逐渐改变偏极板的方位,则可分别滤掉其中之一的偏振光,而在银幕上分别显露出不重叠的单一字迹影像,如图一所示。这样的演示方式便于大批观众同时欣赏,免去围观小小一块方解石的拥挤。如果使用特殊银幕(见图二),泛着金属光泽的银幕反射的光,会依然保有原入射光的偏振状态(注2),则观众甚至可以人手一片偏极板,隔着偏极板看银幕的字迹图像,转动偏振片,自行分别滤掉其中之一的偏振光,而在银幕上分别显露出不重叠的单一字迹影像。

图一 投影在银幕上的方解石,四周用黑纸遮住,因为在投影机镜头前已用偏极板滤掉双折射其中的一个影像,所以可见单一的“共振”两字。

图二 投影在银白色幕上的方解石和方解石下方的字迹,因方解石具有双折射性质,字迹由于重叠而模糊。如果观众人手一片偏极板,隔着偏极板看银白色幕上的方解石下方的字迹,可滤掉其中之一。置于白板前方的银白色幕约50公分见方。

其次,先将一片偏极板置于投影机面板上,这一片偏极板上再放置一把硬质塑胶制的三角板,再在其上放另一偏极板,形成三明治结构。投影机发出的非偏振光, 先经过最底层的偏极板而成为偏振光,三角板各区域因制作时的残留应力而具有复杂的双折射性质,使得经最底层偏极板片而变成的偏振光,透射三角板时,各种波长在各区域的偏振情形又有不同,再经最上方偏极板滤光,而在一般银幕上显现出色彩斑斓的巨大图案(注3)。改变两偏极板穿透轴的方向,使之互相垂直,令三角板之外的区域完全暗淡,景象尤其瑰丽( 见图三)。若动用廉价自制特殊银幕,撤掉最上方的偏极板。改由观众自己转动偏极板,隔着偏极板看银幕的图像,因为特殊银幕能保留入射光的偏振,则可以观赏到不停变幻色彩的三角板投影(见图四)。值得注意的是,在此同时,不透过偏极板,肉眼见到特殊银幕上的三角板投影十分寻常,并非彩色,与原三角板无异。

图三 三角板夹在两片偏极板中投影在普通幕上。

图四 一名学生抬起特殊银幕,透过偏极板可以看到投影在特殊银幕上的三角板变成彩色。

偏振光搭配双折射现象,即可营造出引人入胜的视觉效果,寓教于乐;特别的是,用银白色喷漆制成的特殊银幕,首度被用来演示方解石双折射和光测弹性学,容许学生或观众自行转动偏极板来观察,颇有助于偏振光和相关有趣的物理现象之教学。

注释

1.有关光的偏振( polarization)、偏极板(polariod)、透射轴(transmission axis)的详细资料,请参考书通物理教科书。例如:D. Halliday, et. al. Fundamentals of Physics, 4th ed., pp. 1000, 1993.

2.周鉴恒、杨安中、邱光亮、陈宛琳,教室里的立体图片,1998 年中华民国物理教育学术研讨会。

3.周鉴恒、光测弹性学之演示,科学教育月刊,2000年2月。

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