開(kāi)發(fā)低成本偏振實(shí)驗(yàn) 落實(shí)物理核心素養(yǎng)

何曉萍 樓松年

(浙江金華市第一中學(xué) 浙江 金華 321015)

普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理·選修3-4》中，“光的偏振”這一節(jié)內(nèi)容對(duì)于高中生來(lái)說(shuō)是比較難理解的.雖然教材中通過(guò)將光的偏振與機(jī)械波的偏振進(jìn)行類比來(lái)幫助學(xué)生理解，但也正因?yàn)槿绱祟惐?，?dǎo)致許多學(xué)生都錯(cuò)誤地認(rèn)為偏振片上也有一條狹縫，這條狹縫就代表了偏振方向，自然光通過(guò)偏振片的這條狹縫就變成了偏振光.歸根結(jié)底都是因?yàn)閷W(xué)生沒(méi)有真正研究過(guò)偏振片，對(duì)偏振現(xiàn)象的觀察更加缺乏體驗(yàn).為此，筆者設(shè)計(jì)了幾個(gè)能在課堂上讓每位學(xué)生都能參與的偏振實(shí)驗(yàn)，通過(guò)科學(xué)探究與體驗(yàn)形成正確的物理觀念，真正提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng).

1 偏光筒

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

如圖1所示，自然光通過(guò)兩片透振方向平行的偏振片P,Q后變成偏振光，此時(shí)透射光的強(qiáng)度最大；以P,Q連線為軸，轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片Q，透射光的強(qiáng)度逐漸減弱；當(dāng)偏振片P與偏振片Q的透振方向垂直時(shí)(圖2)，透射光的強(qiáng)度為零.

圖1 兩偏振片透振方向平行

圖2 兩偏振片透振方向垂直

1.2 實(shí)驗(yàn)取材

本實(shí)驗(yàn)需要的實(shí)驗(yàn)器材較少，只需要兩片偏振片即可.但市場(chǎng)上售賣的現(xiàn)成玻璃偏振片價(jià)格比較貴，稍大一點(diǎn)的就要百元以上.因此用玻璃偏振片來(lái)開(kāi)發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)成本太高.

筆者通過(guò)比較最后采用了既常用又便宜的材料(圖3)：手機(jī)屏幕上使用的偏光膜、紙質(zhì)的畫卷筒.其中紙筒由兩部分組成，分別是筒身和可以相對(duì)筒身轉(zhuǎn)動(dòng)的筒蓋.實(shí)驗(yàn)材料售價(jià)與來(lái)源如表1所示.

圖3 偏光膜和紙筒

表1 實(shí)驗(yàn)材料清單

1.3 儀器的制作與演示

先將圖3中紙筒兩頭的圓形紙板去除；再用圓形紙板作為模板，剪出兩張圓形偏光膜；然后用雙面膠將兩張偏光膜分別粘在紙筒的兩端，粘貼時(shí)要特別注意偏光膜是有正反面的，只有紙筒兩端的偏光膜正面都朝外才能觀察到偏振現(xiàn)象.

圖4 自制的偏光筒

將筒蓋套在紙筒上，用一只眼睛貼在偏光膜上透過(guò)紙筒觀察景物，邊旋轉(zhuǎn)筒蓋邊觀察景物的亮暗變化，轉(zhuǎn)到最亮?xí)r，兩偏光膜的偏振方向恰好平行，此時(shí)在紙筒中間某位置用筆標(biāo)上0°；繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)筒蓋，當(dāng)看到的景物最暗時(shí)，兩偏光膜的偏振方向互相垂直，再次在紙筒中間另一位置標(biāo)上90°，于是就完成了偏光筒的制作(圖4).

1.4 實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)

本實(shí)驗(yàn)每個(gè)偏光筒只需3元左右的制作成本，所以任何一所學(xué)校都可以自行制作，讓每個(gè)學(xué)生都可以親自體驗(yàn)光的偏振現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐與探究意識(shí).

2 立體偏光“電影”

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

教科書中關(guān)于立體電影有相關(guān)的解釋.拍攝時(shí)，用兩個(gè)鏡頭如人眼那樣從兩個(gè)不同方向同時(shí)拍攝下景物的像，制成電影膠片；在放映時(shí)(圖5)，通過(guò)兩個(gè)放映機(jī)，把用兩個(gè)攝影機(jī)拍下的兩組膠片同步放映,使這略有差別的兩幅圖像重疊在銀幕上.這時(shí)如果用眼睛直接觀看，看到的畫面是模糊不清的，要看到立體電影，就要在每架放映機(jī)前裝一塊偏振片，它的作用相當(dāng)于起偏器.從兩架放映機(jī)射出的光，通過(guò)偏振片后，就成了偏振光.左右兩架放映機(jī)前的偏振片的偏振方向互相垂直，因而產(chǎn)生的兩束偏振光的偏振方向也互相垂直.這兩束偏振光投射到銀幕上再反射到觀眾處，偏振光方向不改變.觀眾用配套的偏振眼鏡觀看，左眼只能看到左機(jī)映出的畫面，右眼只能看到右機(jī)映出的畫面，兩個(gè)畫面經(jīng)過(guò)大腦綜合以后就能區(qū)分物體的前后、遠(yuǎn)近，從而產(chǎn)生立體感.

圖5 立體電影放映

立體電影從拍攝到播放過(guò)程復(fù)雜，制作成本昂貴.顯然要在課堂上觀看體驗(yàn)立體電影難度較大.但筆者根據(jù)立體電影的原理制成了立體圖片，很好地還原了立體電影的制作與播放過(guò)程,具體實(shí)驗(yàn)器材如圖6所示.

(1)投影儀.使用兩個(gè)帶有幾乎完全相同圖案的汽車迎賓投影燈作為投影儀，燈前各貼一張偏振方向互相垂直的偏振膜，于是就產(chǎn)生了兩幅偏振方向互相垂直的圖案.

圖6 實(shí)驗(yàn)器材

(2)屏幕.筆者使用了金屬屏幕，這是本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵之處，通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，偏振光只有投射到金屬屏幕后反射光的偏振方向不改變，通過(guò)其他材料屏幕反射的偏振光會(huì)變成自然光，觀眾也就無(wú)法通過(guò)3D眼鏡看到立體圖案.

(3)3D眼鏡.3D眼鏡的左右鏡片是偏振方向互相垂直的偏振膜，而且它們的偏振方向分別與其中一個(gè)投影燈前偏振膜的方向相同.

實(shí)驗(yàn)材料清單如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)材料清單

2.2 儀器的制作與演示

先將一副3D眼鏡的左右兩片鏡片剪成合適大小，用雙面膠粘貼在投影燈鏡頭前，就形成了兩個(gè)偏振方向互相垂直的偏振光源.在屏幕前制作一個(gè)投影支架，用小磁鐵先將其中一個(gè)投影燈固定在支架上.打開(kāi)投影燈的開(kāi)關(guān)，可以在屏幕上看到一只蝙蝠的圖案.再把另一個(gè)投影燈的開(kāi)關(guān)打開(kāi)，屏幕上又出現(xiàn)了一只蝙蝠，調(diào)節(jié)并固定投影燈在支架上的位置讓兩只蝙蝠的圖案基本重疊.這里要說(shuō)明一下，兩只蝙蝠的圖案并不是一模一樣的，其中有一只蝙蝠的翅膀要比另一只長(zhǎng)一些.

讓學(xué)生先直接觀看屏幕，看到的圖案模糊有重影(圖7).然后再戴上3D眼鏡觀看屏幕，可以明顯感覺(jué)到圖案變得清晰了.接下來(lái)指導(dǎo)學(xué)生每次遮住一只眼睛去看屏幕，學(xué)生通過(guò)觀察翅膀的長(zhǎng)短可以發(fā)現(xiàn)左眼與右眼看到的蝙蝠并不是同一只，它們分別來(lái)自于兩個(gè)投影燈.讓學(xué)生用一只手在眼鏡前快速揮動(dòng)交替遮擋左右眼，屏幕上就出現(xiàn)了一只在揮動(dòng)翅膀飛翔的蝙蝠.

圖7 立體電影的演示

2.3 實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)與不足

本實(shí)驗(yàn)雖然器材簡(jiǎn)易，但卻很好地還原了立體電影的制作原理.當(dāng)學(xué)生再次坐到電影院觀看立體電影時(shí)，他將會(huì)多了一份對(duì)電影之外的感悟，那就是科學(xué)技術(shù)的力量.希望能激發(fā)學(xué)生努力學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的人文情懷，為我們的國(guó)家與社會(huì)文明作出更大的貢獻(xiàn).

當(dāng)然，本實(shí)驗(yàn)仍有待改進(jìn)之處.由于兩副圖案并不是對(duì)同一物體從不同角度同時(shí)拍攝所得，因此戴上3D眼鏡觀看也只能說(shuō)明左右眼分別看到的是兩張圖案，卻不能通過(guò)大腦合成真正看到立體的效果.

3 制作感想

光的偏振現(xiàn)象在生活中的應(yīng)用很是常見(jiàn)，比如太陽(yáng)眼鏡、照相機(jī)鏡頭前的偏振片等等.為了讓我們的學(xué)生在課堂多一些體驗(yàn)，教師應(yīng)該多聯(lián)系生活實(shí)際，多開(kāi)發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn).盡管在開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)遇到各種各樣的困難，但只要不斷努力，任何困難總會(huì)有解決的辦法.今后的教學(xué)中，也一定要給學(xué)生多一些科學(xué)探究的機(jī)會(huì)，在探究中形成正確的物理觀念，在探究中培養(yǎng)科學(xué)思維的能力，在探究中提高自身的核心素養(yǎng).