顯色偏振儀及其演示研究

摘 ?要：文章根據(jù)顯色偏振原理，設(shè)計(jì)制作了應(yīng)用常見(jiàn)的透明膠帶作為晶體介質(zhì)的顯色偏振儀，并應(yīng)用顯色偏振儀對(duì)同一厚度不同晶體、不同厚度同一晶體、同厚度同材質(zhì)不同夾角、不同光源的情況下的顯色偏振現(xiàn)象進(jìn)行展示研究。引導(dǎo)現(xiàn)階段的學(xué)生自主探索、了解顯色偏振的相關(guān)知識(shí)，提升實(shí)驗(yàn)探究能力及素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：顯色偏振;光偏振;晶體

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2020）2-0053-3

顯色偏振是基于光偏振原理而加以改進(jìn)的一種光現(xiàn)象。如果光源使用包含各種色光的白光，對(duì)于一定的晶片，各種不同波長(zhǎng)的光不可能同時(shí)滿足相同的干涉亮條紋，而是有些波長(zhǎng)的光滿足干涉亮條紋條件，有些波長(zhǎng)的光滿足干涉暗條紋條件，結(jié)果在偏振光的干涉中呈現(xiàn)一定的顏色，即顯色偏振[1]。

目前，有關(guān)顯色偏振的實(shí)驗(yàn)儀器操作復(fù)雜、圖像不夠明顯、調(diào)適復(fù)雜、對(duì)實(shí)驗(yàn)者的操作要求較高，有許多弊端。高中階段的偏振現(xiàn)象也多為單色偏振，實(shí)驗(yàn)器材昂貴，學(xué)生參與度低且對(duì)顯色偏振現(xiàn)象了解不多。因此，本文致力于把看上去高大上的顯色偏振現(xiàn)象用普通常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)材料演示出來(lái)，并進(jìn)行一定的展示探究，幫助學(xué)生填補(bǔ)知識(shí)空缺，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。

1 ? ?顯色偏振儀

在顯色偏振有關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上，結(jié)合了生活中透明膠帶各向異性的特點(diǎn)，把透明膠帶作為簡(jiǎn)易晶體使用，在偏振片（用電腦液晶屏頭層制作）表面不規(guī)則地纏上膠帶，通過(guò)LED面光源的大型展示平臺(tái)制作了本作品，使之操作簡(jiǎn)單、方便，圖像清晰直觀、色彩豐富。

本教學(xué)演示儀適用于教學(xué)中顯色偏振現(xiàn)象的展示，且所用材料成本低，展示的顯色偏振現(xiàn)象明顯，搖動(dòng)手柄的靈活性可以方便地改變偏振角，增強(qiáng)了本研究的可操作性。有利于課堂中對(duì)產(chǎn)生干涉的兩束光的振幅和相位與各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)角度、各層不同厚度的膠帶紙的關(guān)系的說(shuō)明和講解。LED面光源使光在偏振片上的分布更加均勻、穩(wěn)定，排除了同一面上光強(qiáng)不同的干擾，使演示效果更好。同時(shí)，演示的偏振片和可以自主設(shè)計(jì)的透明膠帶的組合，可以自定義展示的圖像，增加了教學(xué)的樂(lè)趣，提高了學(xué)生的積極性。（圖1）

2 ? ?運(yùn)用顯色偏振儀觀察顯色偏振現(xiàn)象

2.1 ? ?研究同一厚度不同材質(zhì)晶體下的顯色偏振

現(xiàn)實(shí)生活中各種透明塑料（如聚丙烯、聚苯乙烯、有機(jī)玻璃、ABS塑料等）都可以用作廉價(jià)的晶片。本實(shí)驗(yàn)主要選取了透明膠帶、聚丙烯、聚苯乙烯等來(lái)代替晶體，當(dāng)所用不同材質(zhì)的晶體的厚度相同，且入射光都為白光時(shí)，保持前后偏振片偏振角相同，觀察到透射光的顏色不同。這是因?yàn)椴煌馁|(zhì)的晶體光軸方向不同，造成光和光的光程差也不同，所以透射光的強(qiáng)度也不同（見(jiàn)表1）。

2.2 ? ?研究不同層數(shù)同一晶體（用透明膠帶代替）下的顯色偏振

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)不改變偏振角，保持入射光為白光，不斷增加透明膠帶的層數(shù)，觀察偏振片上顯示的顏色變化來(lái)研究不同層數(shù)同一晶體（用透明膠帶代替）下的顯色偏振。當(dāng)透明膠帶的厚度增加到5層時(shí)，觀察到的透射光就非常接近白光;再增加透明膠帶的層數(shù)，顏色就更淡了。這時(shí)改變偏振角，可觀察到不同層數(shù)的透明膠帶造成的透射光顏色不同（見(jiàn)表2）。這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是發(fā)生k級(jí)干涉的某波長(zhǎng)可與（k-1）級(jí)較長(zhǎng)的另一波長(zhǎng)在同一晶片厚度下得到加強(qiáng)，兩種色光混合，使得色純度變差，接近于白光。當(dāng)透明膠帶厚度小于或者等于3層時(shí)，改變偏振角，透射光的顏色變化是非常明顯的。

由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知，單單看透射光的強(qiáng)弱無(wú)法判斷干涉加強(qiáng)還是減弱，因?yàn)楸窘M所用的是白光，白光包括了不同波長(zhǎng)的光，當(dāng)一種光干涉相消時(shí)，另一種光干涉相長(zhǎng)。但是，觀察到一種顏色的出現(xiàn)與消失，也可以知道對(duì)于不同波長(zhǎng)的光，在偏振角、晶體的光軸、晶體的厚度等發(fā)生改變時(shí)，該顏色光的強(qiáng)弱是會(huì)改變的。這與公式δ= （n0-ne）d符合得很好[2]。

2.3 ? ?研究同一晶體（用透明膠帶代替）不同光軸夾角下的顯色偏振

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)不改變偏振角，改變透明膠帶的粘貼方向，觀察偏振片上顯示的顏色變化，來(lái)研究同一晶體（用透明膠帶代替）不同光軸夾角下的顯色偏振（見(jiàn)表3）。當(dāng)透明膠帶的粘貼方向改變180°時(shí)，偏振片上的顏色發(fā)生了改變，期間有顏色突變，有2次，每90°突變一次，而且不同顏色光突變速度是不同的，這和光的波長(zhǎng)有關(guān)。其實(shí)，偏振片上顏色的突變?nèi)Q于δ，δ從0°變到180°或從180°變到0°，膠帶紙上的顏色都會(huì)突變，變?yōu)榍耙环N顏色的互補(bǔ)色。換句話說(shuō)，變色的位置是發(fā)生在樣品的光軸與兩塊偏振片中任意一塊平行或垂直的時(shí)候。

2.4 ? ?研究復(fù)色光（白光）和單色光（鈉黃光）的顯色偏振

選取透明膠帶代替晶體，保持晶體的厚度相同。當(dāng)用白光入射時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄改變偏振角，透射光顏色變化豐富;當(dāng)用鈉黃光入射時(shí)，透射光顏色不發(fā)生改變，但透射光亮暗改變明顯，與沒(méi)有透明膠帶時(shí)相比，情況相似（見(jiàn)表4）。這主要是因?yàn)榘坠獍硕喾N波長(zhǎng)的光，鈉黃光只包括一種波長(zhǎng)的光，改變偏振角時(shí)，只有一種波長(zhǎng)的光發(fā)生干涉相長(zhǎng)或相消，而白光在不同偏振角下，不同波長(zhǎng)的光發(fā)生干涉相長(zhǎng)，顏色改變就多樣化了。

3 ? ? 顯色偏振儀的特點(diǎn)以及欠缺

3.1 ? ?特點(diǎn)

（1）本教學(xué)演示儀適用于教學(xué)中顯色偏振現(xiàn)象的展示，有利于課堂中對(duì)產(chǎn)生干涉的兩束光的振幅和相位與各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)角度、各層不同厚度膠帶紙關(guān)系的說(shuō)明和講解。

（2）LED面光源使光在偏振片上的分布更加均勻、穩(wěn)定，排除了同一面上光強(qiáng)不同的干擾，使演示效果更好。

（3）演示的偏振片和可以自主設(shè)計(jì)的透明膠帶的組合，可以自定義展示的圖像，增加了教學(xué)的趣味性，提高了學(xué)生的積極性。

（4）帶搖動(dòng)手柄的旋轉(zhuǎn)操縱裝置，方便操作。此儀器適合在中學(xué)選修及拓展教學(xué)中使用，能夠引導(dǎo)學(xué)生對(duì)顯色偏振產(chǎn)生興趣，并能夠自主地進(jìn)行探索與研究，發(fā)現(xiàn)其中蘊(yùn)藏的更多的科學(xué)知識(shí)。這樣能夠培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)，對(duì)教師的教學(xué)有著非常重要的作用。

3.2 ? ?缺點(diǎn)

（1）對(duì)現(xiàn)象的研究拘于表面，對(duì)各向異性的材料（如塑料）的其他特性了解不夠深入，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可能產(chǎn)生一定干擾。

（2）選擇的材料基本局限于塑料材質(zhì)，因?yàn)橛行┎牧希ㄈ鐚毷﹥r(jià)格過(guò)于昂貴，而冰塊則在實(shí)驗(yàn)時(shí)不易操作。

（3）選取材料時(shí)的厚度沒(méi)有精細(xì)地驗(yàn)證，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出現(xiàn)雜亂的彩色圖案。

（4）粘貼透明膠帶時(shí)會(huì)出現(xiàn)氣泡，對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生干擾，氣泡無(wú)法避免，但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中我們會(huì)忽略此現(xiàn)象對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

（5）在觀察相關(guān)的顏色時(shí)，對(duì)顏色的判斷存在一定的主觀性，因此所寫(xiě)的具體顏色有可能存在一定的誤差。

本文通過(guò)對(duì)不同實(shí)驗(yàn)條件下的顯色偏振的研究，探究影響顯色偏振的因素，使學(xué)生能夠更加深入地理解偏振光的相關(guān)知識(shí)，建立起更好的物理素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力以及獨(dú)立思考、勇于探究的品質(zhì)。

在當(dāng)今的社會(huì)中，偏振光的變色應(yīng)用在科技領(lǐng)域內(nèi)更是“大顯身手”，尤其是在光信息處理中得到廣泛的應(yīng)用。如磁光空間調(diào)制器，獲得干涉的亮暗場(chǎng)。相信在以后的科技領(lǐng)域中，顯色偏振一定會(huì)被更加深入地研究，它的應(yīng)用一定會(huì)更加廣泛。因此，在高中階段幫助學(xué)生在現(xiàn)有知識(shí)的基礎(chǔ)上，探索、發(fā)現(xiàn)關(guān)于課堂延伸的一部分知識(shí)，有利于他們進(jìn)一步提升自身的素質(zhì)，磨練自身的品質(zhì)。

編者注：因?yàn)楸疚牡母綀D均為彩色照片，而本刊只能展示黑白的圖片，故附圖只能略去。若需要觀察彩色圖片，可查參考文獻(xiàn)或者向作者詢(xún)問(wèn)。作者許士友的郵箱是2845646614@qq.com。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙凱華.新概念物理教程光學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004：117-361.

[2]張京，王琪，蘇衛(wèi)峰，等.透明膠帶紙中的色偏振現(xiàn)象[J].物理實(shí)驗(yàn)，2009，29（10）：39-40.

（欄目編輯 ? ?王柏廬）