實驗走入課堂（3）自制教具“看”偏振光方向

自2022年10月起銳光凱奇推出了教學(xué)的看球理論，即實驗走入課堂系列，基本理念是使用現(xiàn)代科技手段重構(gòu)經(jīng)典實驗，希望能夠通過一個教學(xué)的知識點(diǎn)，通過實例進(jìn)一步地詳細(xì)介紹，供授課老師參考。本期推送在偏振教學(xué)過程中如何自制教具“看”偏振光的方向。

一、傳統(tǒng)的偏振教學(xué)

光的偏振是高中、本科物理教學(xué)部分的重要內(nèi)容，目前的教學(xué)方法是觀察光的偏振現(xiàn)象，先讓自然光通過一個偏振片，轉(zhuǎn)動偏振片，讓學(xué)生觀察透射光強(qiáng)度是否發(fā)生變化；然后當(dāng)自然光通過第２個偏振片時，旋轉(zhuǎn)其中任意１個偏振片，讓學(xué)生觀察透射光的強(qiáng)度是否會出現(xiàn)周期性變化。實驗過程中，學(xué)生只能通過透射光強(qiáng)度的變化來判斷偏振光的偏振方向與透振方向的關(guān)系，如視頻1：

視頻1 傳統(tǒng)的偏娥·振演示實驗

利用視頻1可以看到偏振方向的改變，但是無法直接觀察到偏振光的偏振方向改變了多少，這是教學(xué)的一個困難之處，也是授課老師很無奈的地方，例如，在偏振的方向都不能確定的情況下，怎么講解左旋和右旋物質(zhì)，這是偏振教學(xué)的難點(diǎn)。

二、什么是矢量偏振光

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，研究發(fā)現(xiàn)存在一種軸對稱光束，其光矢量方向相對于光傳播方向呈中心對稱分布，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。近年來，矢量偏振光越來越引起科技人員的注意，而且有很多相關(guān)的的研究和應(yīng)用的報道，現(xiàn)在也是研究的熱點(diǎn)。矢量偏振光分為徑向偏振光和角向偏振光二類，如圖1：

圖1 矢量偏振光，徑向偏振光（左）、角向偏振光（右）

對于入射光強(qiáng)為I0的線偏振光，經(jīng)過與其偏振方向夾角為α的偏振片（檢偏器）后，按照馬呂斯公式，光強(qiáng)度I為：I=I0cos2α，對于徑向和角向偏振片而言，偏振是軸對稱分布，如圖1所示：偏振光無論通過徑向偏振片還是角向偏振片，每一點(diǎn)的光強(qiáng)是不一樣的，但是也遵循馬呂斯公式，因此對于一個均勻分布的線偏振光經(jīng)過徑向偏振片后，任意一點(diǎn)P的光強(qiáng)是cos2α，通過角向偏振片的光強(qiáng)為sin2α（假設(shè)入射光強(qiáng)歸化為1），把每一個點(diǎn)上的光強(qiáng)按照這個關(guān)系記錄下來就得到圖2的結(jié)果：

圖2 線偏振光經(jīng)過徑向偏振片和角向偏振片后的光強(qiáng)分布

通過圖1和圖2不難理解，一個特定方向的線偏振光經(jīng)過徑向偏振片和角向偏振片后分別是亮區(qū)的中心連線或者是暗區(qū)中心連線。

三、徑向偏振片的制作

《物理實驗》2023年第二期中，河北南宮中學(xué)的孔志蕾老師和銳光凱奇（鎮(zhèn)江）光電科技有限公司劉林工程師給大家介紹了如何自制徑向偏振片教具演示光的偏振方向。詳細(xì)步驟如下：

實驗器材：線偏振片（20ｃｍ×20ｃｍ）1張、圓形透明亞克力板（直徑為20cm）２塊、剪刀１把、 量角器１個、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， 然后按照圖３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10ｃｍ 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 徑向偏振片實物圖

四、徑向偏振片在教學(xué)上的應(yīng)用

偏振無論是在中學(xué)還是本科教學(xué)中，都是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。它的重要性不言而喻，難點(diǎn)在于偏振方向看不見，過于抽象。而且涉及到左旋物質(zhì)和右旋物質(zhì)就更是雪上加霜，學(xué)生很難理解。使用了徑向偏振片可以“看”偏振片的方向。

在一般的教學(xué)過程中，老師給同學(xué)們講解偏振時，都會使用二個偏振片作為起偏和檢偏來看兩個偏振片之間夾角不同時透過的光強(qiáng)分布，由此判斷兩個偏振片之間的偏振方向的關(guān)系，例如光全部透過，意味著起偏和檢偏的方向一致；沒有光強(qiáng)通過的情況下起偏和檢偏方向互相垂直。使用了徑向偏振片來代替檢偏器就可以根據(jù)圖2的原理，看到起偏的方向。下面通過二個實際的例子看如何在教學(xué)過程中使用徑向偏振片：

觀察顯示器的偏振方向

視頻2 顯示器的偏振方向

通過視頻2使用徑向偏振片，我們可以“看到”顯示器的偏振方向是垂直方向

B、觀察旋光物質(zhì)

視頻3 旋光物質(zhì)

眾所周知，糖是旋光物質(zhì)。視頻2是觀測普通的糖水，從視頻3可以看到這種糖是右旋物質(zhì)，即偏振光經(jīng)過糖水后，偏振方向順時針旋轉(zhuǎn)了一個角度。

本期推送的內(nèi)容是介紹如何自制徑向偏振片，完成偏振教學(xué)的實驗走入課堂，解決教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，使得學(xué)生更加容易理解和掌握偏振的教學(xué)內(nèi)容。