实验走入課堂（3）自制教具“看”偏振光方向

自2022年10月起锐光凯奇推出了教学的看球理论，即实验走入课堂系列，基本理念是使用现代科技手段重构经典实验，希望能够通过一个教学的知识点，通过实例进一步地详细介绍，供授课老师参考。本期推送在偏振教学过程中如何自制教具“看”偏振光的方向。

一、传统的偏振教学

光的偏振是高中、本科物理教学部分的重要内容，目前的教学方法是观察光的偏振现象，先让自然光通过一个偏振片，转动偏振片，让学生观察透射光强度是否发生变化；然后当自然光通过第２个偏振片时，旋转其中任意１个偏振片，让学生观察透射光的强度是否会出现周期性变化。实验过程中，学生只能通过透射光强度的变化来判断偏振光的偏振方向与透振方向的关系，如视频1：

视频1 传统的偏娥·振演示实验

利用视频1可以看到偏振方向的改变，但是无法直接观察到偏振光的偏振方向改变了多少，这是教学的一个困难之处，也是授课老师很无奈的地方，例如，在偏振的方向都不能确定的情况下，怎么讲解左旋和右旋物质，这是偏振教学的难点。

二、什么是矢量偏振光

随着激光技术的发展，研究发现存在一种轴对称光束，其光矢量方向相对于光传播方向呈中心对称分布，在垂直于光传播方向的光束横截面内，其光矢量方向与矢径的夹角保持不变。近年来，矢量偏振光越来越引起科技人员的注意，而且有很多相关的的研究和应用的报道，现在也是研究的热点。矢量偏振光分为径向偏振光和角向偏振光二类，如图1：

图1 矢量偏振光，径向偏振光（左）、角向偏振光（右）

对于入射光强为I0的线偏振光，经过与其偏振方向夹角为α的偏振片（检偏器）后，按照马吕斯公式，光强度I为：I=I0cos2α，对于径向和角向偏振片而言，偏振是轴对称分布，如图1所示：偏振光无论通过径向偏振片还是角向偏振片，每一点的光强是不一样的，但是也遵循马吕斯公式，因此对于一个均匀分布的线偏振光经过径向偏振片后，任意一点P的光强是cos2α，通过角向偏振片的光强为sin2α（假设入射光强归化为1），把每一个点上的光强按照这个关系记录下来就得到图2的结果：

图2 线偏振光经过径向偏振片和角向偏振片后的光强分布

通过图1和图2不难理解，一个特定方向的线偏振光经过径向偏振片和角向偏振片后分别是亮区的中心连线或者是暗区中心连线。

三、径向偏振片的制作

《物理实验》2023年第二期中，河北南宫中学的孔志蕾老师和锐光凯奇（镇江）光电科技有限公司刘林工程师给大家介绍了如何自制径向偏振片教具演示光的偏振方向。详细步骤如下：

实验器材：线偏振片（20ｃｍ×20ｃｍ）1张、圆形透明亚克力板（直径为20cm）２块、剪刀１把、 量角器１个、Ａ４纸１张、透明胶若干。

径向偏振片的具体制作步骤为：

１）裁剪线偏振片：将线偏振片从中间剪开， 然后按照图３所示的虚线剪出36片顶角为10°的 三角形偏振片（可近似看作扇形偏振片），透振方向与其角平分线平行。

图3 线偏振片分割示意图

２）固定偏振片：画半径为10ｃｍ 的圆，每间隔１０°画１条直径，共18条直径，如图4所示：

图4 有１8条径向线的圆

3）将亚克力板平放在印有径向线的纸上：使亚克力板的边缘与纸上圆的边界重合；然后将裁好的扇形偏振片按照径向线逐片贴在亚克力板上；最后在贴好偏振片的亚克力板上覆盖另１块 亚克力板，并将边缘密封。

４）在密封后的亚克力板外侧贴上印有刻度的圆环，使圆环的刻度线沿着扇形偏振片的角平分线，制作完成径向偏振片，如图5所示：

图5 径向偏振片实物图

四、径向偏振片在教学上的应用

偏振无论是在中学还是本科教学中，都是教学的重点和难点。它的重要性不言而喻，难点在于偏振方向看不见，过于抽象。而且涉及到左旋物质和右旋物质就更是雪上加霜，学生很难理解。使用了径向偏振片可以“看”偏振片的方向。

在一般的教学过程中，老师给同学们讲解偏振时，都会使用二个偏振片作为起偏和检偏来看两个偏振片之间夹角不同时透过的光强分布，由此判断两个偏振片之间的偏振方向的关系，例如光全部透过，意味着起偏和检偏的方向一致；没有光强通过的情况下起偏和检偏方向互相垂直。使用了径向偏振片来代替检偏器就可以根据图2的原理，看到起偏的方向。下面通过二个实际的例子看如何在教学过程中使用径向偏振片：

观察显示器的偏振方向

视频2 显示器的偏振方向

通过视频2使用径向偏振片，我们可以“看到”显示器的偏振方向是垂直方向

B、观察旋光物质

视频3 旋光物质

众所周知，糖是旋光物质。视频2是观测普通的糖水，从视频3可以看到这种糖是右旋物质，即偏振光经过糖水后，偏振方向顺时针旋转了一个角度。

本期推送的内容是介绍如何自制径向偏振片，完成偏振教学的实验走入课堂，解决教学的重点和难点，使得学生更加容易理解和掌握偏振的教学内容。

来源: 中国仪器仪表学会

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