光偏振現(xiàn)象演示儀的設計與制作*

談 琪 王賢濤 嚴 珺 楊正波

(湖北文理學院物理與電子工程學院 湖北 襄陽 441053)

光的偏振是光的波動特性之一，廣泛應用于立體電影、光學計量、光彈、薄膜、應力分析實驗等領(lǐng)域.但是，它不同于光的反射和折射，人的感官無法直接感覺到它的存在，導致學生難以理解和掌握[1～3].本文介紹了一種簡易、便捷的光偏振現(xiàn)象演示儀的設計思路與制作方法：利用智能手機下載安裝的“聲音發(fā)生器”作為信號源驅(qū)動揚聲器振動產(chǎn)生繩駐波進而模擬光的橫波特性；利用偏振片真實實驗來演示光的偏振特性.該儀器設計巧妙，制作簡單，現(xiàn)象明顯，對學生理解和掌握光的偏振現(xiàn)象非常有幫助.

1 實驗儀器

圖1所示是光偏振現(xiàn)象演示儀的實物圖，右邊部分通過繩駐波模擬光的橫波特性演示光的偏振，左邊部分利用偏振片真實演示光的偏振現(xiàn)象.右側(cè)模擬實驗部分主要由智能手機、振膜式音響、細繩、狹縫和彈簧組成.利用智能手機下載、安裝的“聲音發(fā)生器”APP，產(chǎn)生振幅、頻率可調(diào)的正弦波信號，驅(qū)動振膜式音響振動產(chǎn)生振源，從而在細繩中形成繩駐波模擬光的橫波特性；彈簧能使細繩中產(chǎn)生張力，形成穩(wěn)定駐波；狹縫相當于檢偏器，模擬檢測光矢量的振動方向.左側(cè)真實實驗部分主要由光源、毛玻璃和偏振片構(gòu)成.兩個觀察窗有利于對比觀察旋轉(zhuǎn)檢偏器后的光強變化；毛玻璃則使LED點陣光源的光更均勻，消除點光源的干擾.

圖1 光偏振演示儀實物圖

2 儀器的設計與制作

(1)底座和光室

如圖2所示，選取1 cm厚的PVC板，截取60 cm×8 cm一塊作為儀器的底座；另外截取20 cm×10 cm和8 cm×10 cm各兩塊制作一個長20 cm，寬8 cm，高10 cm的光室，在光室的前方板上對稱地開兩個直徑為7 cm的圓孔作為觀察窗，用熱熔膠固定光室四周的PVC板.為了方便存放、攜帶整套儀器(分立的充電寶、音響和狹縫均可放在光室內(nèi))，光室的上蓋板設計成活動的.截取20 cm×8 cm長方形PVC板，并在離邊緣1 cm的4個角各粘貼一個小直角三角形的PVC板，以便固定蓋板.

圖2 光偏振現(xiàn)象演示儀設計圖

(2)光源

在12 cm×8 cm的PVC板上制作一個12×9均勻分布的白光LED陣列，作為光源固定在光室內(nèi)，直接用充電寶供電.為了避免觀察時LED陣列的光強分布不均勻?qū)嶒炐Ч挠绊?，在LED陣列前面放置一片毛玻璃，使人眼看到的光更均勻，如圖3所示.

圖3 光室部分實物圖

(3)觀察窗

找一種直徑約為7 cm的圓柱形塑膠盒兩個，截取瓶口部分，在瓶蓋中間挖一個直徑約7 cm的孔，打磨掉螺紋，將其固定在光室前面的觀察窗上，以便固定和旋轉(zhuǎn)偏振片.在左側(cè)瓶蓋上粘貼一偏振片作為參照窗，用于演示過程中對比觀察有無偏振片和旋轉(zhuǎn)檢偏器時的光強變化，使得演示現(xiàn)象更明顯.在右側(cè)瓶口和瓶蓋上分別粘貼一偏振片作為實驗窗.

(4)振源

圖4 振源部分實物圖

振源是利用振膜式音響的振膜上下振動設計的.將一枚較粗的縫衣針插入竹筷中，以便側(cè)拉不會彎曲，固定在礦泉水瓶蓋中央，然后用熱熔膠將其固定在音響振膜的正中央，如圖4所示，只要輸入一個信號，振膜就會上下振動，從而帶動穿在針孔的細線上下振動.

(5)狹縫

狹縫是通過檢測繩駐波的振動方向從而模擬檢偏器，演示實驗過程中需要移動和旋轉(zhuǎn)狹縫，所以我們?nèi)匀徊捎糜^察窗的設計思路，截取直徑約為7 cm圓柱形塑膠盒的瓶口部分，在瓶蓋中間挖一條寬約0.5 mm的狹縫，打磨掉螺紋，將其固定在支架上，以便移動和旋轉(zhuǎn)狹縫，如圖5所示.

圖5 狹縫實物圖

(6)其他

選取一段彈簧將其一端固定在底座上，另一端與細繩相連，給細繩中提供拉力，產(chǎn)生穩(wěn)定駐波.在擋板中央固定一段圓珠筆芯的塑料管，作為繩駐波的固定端，筆芯塑料管較光滑，相當于定滑輪.

3 實驗過程

3.1 模擬演示光的偏振和偏振片的檢偏原理

(1)實驗前先在智能手機中搜索、下載、安裝“聲音發(fā)生器”APP，熟悉其波形選擇、振幅、頻率調(diào)節(jié)等功能.

(2)將演示儀放在長直平臺上，從光室內(nèi)取出狹縫、音響、充電寶等配件，適當調(diào)節(jié)音響的位置，使細繩保持適當緊繃.將狹縫旋轉(zhuǎn)到豎直狀態(tài)，移至擋板處，保持狹縫平面與細繩垂直.

(3)將音響的USB接口連接充電寶，音頻接口插入耳機插孔，打開智能手機“聲音發(fā)生器”，選擇正弦波，調(diào)整信號頻率和振幅，使細繩中產(chǎn)生繩駐波，觀察駐波的振動方向(由于音響振膜上下振動，所以繩駐波的振動方向亦為上下方向).

(4)沿著細繩的方向移動狹縫，觀察駐波的變化，移動至駐波的一個波腹位置，旋轉(zhuǎn)狹縫一周，觀察駐波的變化，從而模擬演示光的偏振及偏振片的檢偏原理.

(5)關(guān)閉智能手機“聲音發(fā)生器”，斷開音響的USB接口和耳機插頭.

3.2 真實演示光的偏振現(xiàn)象和偏振片的檢偏原理

(1)對比有無偏振片的光強：將光源的USB接口連接充電寶，取下左側(cè)觀察窗的瓶蓋，直接觀察透過毛玻璃的光強；取下右側(cè)觀察窗的瓶蓋，通過瓶口上的偏振片再觀察光強，并對比兩個觀察窗的光強差別.然后蓋上左側(cè)瓶蓋，對比兩觀察窗的光強差別；旋轉(zhuǎn)左側(cè)瓶蓋一周，觀察其的光強變化.從而表明透過毛玻璃的光是自然光，且自然光通過偏振片后光強減半.

(2)檢偏器的檢偏原理演示：蓋上右側(cè)瓶蓋，并旋轉(zhuǎn)瓶蓋一周，參照左側(cè)光強，對比觀察通過右側(cè)兩個偏振片的光強變化.實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)右側(cè)偏振片旋轉(zhuǎn)一周的過程中出現(xiàn)兩次光強和左側(cè)一樣，如圖6(a)所示，兩次光強幾乎為零的現(xiàn)象，如圖6(b)所示，表明自然光通過偏振片后是線偏振光，演示了檢偏器的檢偏原理.

圖6 檢偏原理演示效果圖

(3)整理實驗儀器：斷開光源的USB接口，將充電寶、音響和狹縫放入光室內(nèi).

4 總結(jié)

本演示儀通過繩駐波模擬實驗和真實實驗演示了光的偏振現(xiàn)象和偏振片的檢偏原理，設計巧妙，操作簡單，現(xiàn)象明顯.把模擬實驗和真實實驗有機結(jié)合，加深了學生對光的偏振現(xiàn)象和偏振片檢偏原理的理解.同時把大眾化的智能手機引入到物理演示實驗中，也極大地激發(fā)了學生的學習興趣和創(chuàng)新意識.