王建中,黃 林,王伶俐,王應(yīng)輝

(華中師范大學(xué),湖北武漢 430079)

基于LabVIEW的“馬呂斯定律驗(yàn)證”實(shí)驗(yàn)

王建中,黃 林,王伶俐,王應(yīng)輝

(華中師范大學(xué),湖北武漢 430079)

對(duì)基于PASCO的“馬呂斯定律驗(yàn)證”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)。利用編寫的LabVIEW程序控制PASCO實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的ScienceWorkshop750數(shù)據(jù)采集器,同時(shí)結(jié)合光傳感器CI-6504驗(yàn)證馬呂斯定律,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用Origin軟件進(jìn)行處理,所得實(shí)驗(yàn)曲線與理論關(guān)系符合較好。

馬呂斯定律;LabVIEW;光的偏振

馬呂斯定律是定量描述光的偏振現(xiàn)象的重要定律。在大學(xué)本科階段的物理實(shí)驗(yàn)中,一般都以不同形式開設(shè)了有關(guān)偏振光性質(zhì)的演示、測(cè)量或探究類的實(shí)驗(yàn)選題[1],其中大多包含“馬呂斯定律驗(yàn)證”的內(nèi)容,目的是為了幫助學(xué)生加深對(duì)該定律的認(rèn)識(shí)以及對(duì)偏振光的了解[2]。

曾采用PASCO實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在我校本科生實(shí)驗(yàn)中開設(shè)過“馬呂斯定律驗(yàn)證”的內(nèi)容。但在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)現(xiàn),該實(shí)驗(yàn)需采用性能較高的光傳感器和偏振片,否則會(huì)造成實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與理論值差距較大。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)使用PASCO實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)自帶的DataStudio程序及相應(yīng)光學(xué)組件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),系統(tǒng)存在一些缺陷,主要有以下兩個(gè)方面:其一是系統(tǒng)只能以程序預(yù)設(shè)的功能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與實(shí)驗(yàn),同時(shí)程序自帶的某些功能在實(shí)驗(yàn)中并不一定需要;其二是利用DataStudio程序繪制偏振片透振方向夾角余弦的平方值與相對(duì)光強(qiáng)間的關(guān)系曲線時(shí),實(shí)驗(yàn)所得曲線與理論曲線相比誤差偏大。分析主要原因應(yīng)該是由于PASCO實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的DataStudio程序在繪制曲線時(shí),沒有將采集過程中誤差較大的點(diǎn)進(jìn)行剔除,因此需要做必要的改進(jìn)。

LabVIEW是美國NI公司開發(fā)的圖形化編程語言,因其編程簡單而得到廣泛應(yīng)用[3-4]。利用各硬件廠商在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)的驅(qū)動(dòng),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)硬件的控制從而進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和測(cè)量。PASCO實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已由生產(chǎn)商在Lab-VIEW環(huán)境下開發(fā)了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序,用其控制ScienceWorkshop750,同時(shí)結(jié)合光傳感器 CI-6504A及相應(yīng)光學(xué)組件進(jìn)行實(shí)驗(yàn),取得了較好的效果。

1 原理與裝置

當(dāng)一束自然光通過偏振片A和B,見圖1。

圖1 馬呂斯定律示意圖

設(shè)偏振片間的透振方向夾角為φ,經(jīng)過起偏器A形成的線偏振光強(qiáng)度為I0,則通過檢偏器B的透射光強(qiáng)(相對(duì)光強(qiáng))I將滿足如下關(guān)系(馬呂斯定律)[5]:

I=I0cos2φ(1)

可以讓學(xué)生用實(shí)驗(yàn)手段驗(yàn)證或者探究(驗(yàn)證)該定律。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)框圖

本實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置是“基于LabVIEW”開發(fā)的,其結(jié)構(gòu)示意框圖(各部件連接方法)如圖2所示。氦氖激光器作為實(shí)驗(yàn)光源,激光依次通過偏振片A和B后,透射光強(qiáng)(相對(duì)光強(qiáng))利用我們編寫的LabVIEW應(yīng)用程序控制ScienceWorkshop 750,并結(jié)合 CI-6504A進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量完畢之后,將采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過程序傳送至Origin軟件中進(jìn)行處理,即可得到偏振片透振方向夾角余弦的平方值與相對(duì)光強(qiáng)之間的關(guān)系曲線,同時(shí)也可得到透振方向的夾角與相對(duì)光強(qiáng)之間的關(guān)系曲線。

2 實(shí)驗(yàn)控制程序設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)的LabVIEW應(yīng)用程序按功能可劃分為四個(gè)模塊,分別是光強(qiáng)測(cè)量模塊、角度測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)傳遞模塊、數(shù)據(jù)清零模塊。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)程序結(jié)構(gòu)框圖

2.1 光強(qiáng)測(cè)量模塊

本模塊在編寫過程中,利用了 PASCO公司提供的 PASCOSW750.llb和 SW750Bridge.dll兩個(gè)文件。在PASCOSW750.llb文件中包含一些可以對(duì)ScienceWorkshop 750進(jìn)行控制的vi,我們主要用到了其中的三個(gè):SW750_Config.vi、SW750_Start.vi和 SW750_Single_Scan.vi。通過對(duì)它們的調(diào)用,并結(jié)合光傳感器CI-6504A,即可實(shí)現(xiàn)相對(duì)光強(qiáng)的測(cè)量。

2.2 角度測(cè)量模塊

偏振片上的刻度是10度一格,實(shí)驗(yàn)時(shí)選取偏振片透振方向夾角為零時(shí)作為起始位置,在檢偏器每旋轉(zhuǎn)10度測(cè)量一次相對(duì)光強(qiáng)的同時(shí),偏振片透振方向夾角 φ的值由程序按10度(或20度……)的步進(jìn)自動(dòng)增加并存儲(chǔ)。

2.3 數(shù)據(jù)傳遞模塊

LabVIEW和Origin數(shù)據(jù)傳遞通過調(diào)用Origin程序提供的 OA-Connect ToOrigin.vi、OAFindworksheet.vi、OA-GetColumn.vi以及 OACol-SetData.vi(它們均包在Origin程序安裝路徑下的OriginApp_LV7.llb文件中)等四個(gè)vi來實(shí)現(xiàn)。通過它們可將偏振片間透振方向夾角的大小(或夾角余弦的平方值)以及所對(duì)應(yīng)的相對(duì)光強(qiáng)值傳送到Origin中進(jìn)行處理。

2.4 數(shù)據(jù)清零模塊

在實(shí)驗(yàn)完畢后,將采集到的所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)清空,方便下次測(cè)量。

本實(shí)驗(yàn)的LabVIEW應(yīng)用程序前面板圖和程序框圖分別見圖4、圖5。

圖4 實(shí)驗(yàn)程序的前面板

圖5 馬呂斯定律驗(yàn)證系統(tǒng)的程序框圖

前面板主要由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示區(qū)和程序控制區(qū)兩部分組成。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示區(qū)的主要作用是將偏振片間透振方向的夾角和與其對(duì)應(yīng)的相對(duì)光強(qiáng)一同顯示出來,方便學(xué)生觀察。而程序控制區(qū)的主要作用是在實(shí)驗(yàn)完成之后,由學(xué)生選擇利用Origin生成偏振片透振方向的夾角與相對(duì)光強(qiáng)關(guān)系曲線或者是夾角余弦的平方值與相對(duì)光強(qiáng)關(guān)系曲線。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

本文前面已提及,PASCO實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供的偏振片刻度是10度一格,實(shí)驗(yàn)時(shí)將偏振片間透振方向夾角為零時(shí)作為起始位置(此時(shí)相對(duì)光強(qiáng)值也最大),起偏器固定不動(dòng),只旋轉(zhuǎn)檢偏器,每旋轉(zhuǎn)10度測(cè)量一次相對(duì)光強(qiáng)。當(dāng)然也可以每旋轉(zhuǎn)20度、30度……測(cè)量一次,但這樣旋轉(zhuǎn)一周采集的點(diǎn)較少,描繪實(shí)驗(yàn)曲線時(shí)精確會(huì)下降。在實(shí)際測(cè)量中,偏振片透振方向夾角φ的值由程序按10度的步進(jìn)自動(dòng)增加并存儲(chǔ)。

相對(duì)光強(qiáng) I的測(cè)量則依靠光傳感器 CI-6504A,它能將光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)為電壓變化,且在量程范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。所以在測(cè)量相對(duì)光強(qiáng)時(shí),可直接將CI-6504A的輸出電壓大小作為相對(duì)光強(qiáng)的值。實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)得的所有數(shù)據(jù)(偏振片透振方向的夾角、夾角余弦的平方、相對(duì)光強(qiáng))在程序中均以數(shù)組形式存儲(chǔ)。表1是從中摘錄出的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

表1 在不同夾角下(起偏器A與檢偏器B透振方向的夾角)測(cè)得的相對(duì)光強(qiáng)

利用實(shí)驗(yàn)程序,得到偏振片間透振方向夾角φ與相對(duì)光強(qiáng)的關(guān)系曲線,以及透振方向夾角 φ的余弦平方值與相對(duì)光強(qiáng)的關(guān)系曲線(如圖5和6所示)。需要指出的是,在獲得圖6所示曲線過程中,為了減少偏振片和環(huán)境光造成的誤差,提高繪制曲線的準(zhǔn)確程度,我們僅利用了 φ在0°～90°(當(dāng)然也可以取90°～180°……等)范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來繪制該曲線。從兩條關(guān)系曲線可知與馬呂斯定律符合較好。

圖6 相對(duì)光強(qiáng)與夾角的關(guān)系

圖7 夾角余弦的平方與相對(duì)光強(qiáng)的關(guān)系

4 分析與討論

從以上實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果可知,實(shí)驗(yàn)整體效果較好,對(duì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)是有效的。在學(xué)生與教師對(duì)實(shí)驗(yàn)的共同探討過程中,也發(fā)現(xiàn)了一些值得進(jìn)一步探討的問題。

首先從圖5以及表1可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)偏振片透振方向的夾角 φ在0°～360°范圍內(nèi)變化時(shí),相對(duì)光強(qiáng)的大小與夾角間的關(guān)系并不嚴(yán)格滿足I=I0·cos2φ的函數(shù)關(guān)系。由表達(dá)式(1)以及三角函數(shù)的周期性可知,當(dāng)夾角 φ分別取0°和180°(或10°和190°……等)時(shí),相對(duì)光強(qiáng)的大小應(yīng)該一樣,但實(shí)際上它們之間存在一個(gè)微小的差異。其次從圖6可以看出,其函數(shù)關(guān)系并非嚴(yán)格的線性關(guān)系(即一條直線),只在0°～80°范圍內(nèi)呈線性關(guān)系,在這個(gè)范圍之外,直線的上端和下端都略有彎曲。

我們認(rèn)為造成如圖5圖6所示曲線與理論曲線略有偏差的可能原因有三。其一是受目前制造工藝制約[6],偏振膜染色的均勻性還無法做到嚴(yán)格一致,每個(gè)地方都略有不同,而這會(huì)直接影響到偏振片的偏振度和透過率。如果激光束沒有照射到偏振片的圓心上,隨著檢偏器的旋轉(zhuǎn),激光束會(huì)依次照射到其不同部位,并且受制造工藝制約,在偏振片的透振方向?yàn)闀r(shí)依然有光通過。其二是受環(huán)境光的影響,實(shí)驗(yàn)所測(cè)量的相對(duì)光強(qiáng)僅僅指透過檢偏器的“激光光強(qiáng)”,但在測(cè)量過程中,由于環(huán)境光的影響,“相對(duì)光強(qiáng)”值中有一部分是環(huán)境光,在偏振片透振方向的夾角較小時(shí),其影響可以忽略,但當(dāng)透振方向的夾角較大時(shí),影響就不能忽視。其三是由于受光傳感器熱噪聲的影響(其大小有一定的隨機(jī)性),即使在入射光光強(qiáng)為零時(shí),依然有讀數(shù)顯示。綜上所述,受以上三種因素的共同影響,造成圖5圖6所示曲線與理論曲線相比略有不同。

最后需要特別指出的是,偏振片經(jīng)過長期使用(或性能本身較差),還必須額外考慮其退偏效應(yīng),否則也會(huì)給實(shí)驗(yàn)帶來一定誤差。

[1]謝行恕,康士秀,霍劍青.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn):第二冊(cè)[M].北京:高等教育出版社,2001.

[2]路峻嶺.物理演示實(shí)驗(yàn)教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[3]龍華偉.LabVIEW 8.2.1與DAQ數(shù)據(jù)采集[M].北京:清華大學(xué)出版社 ,2008.

[4]陸綺榮.基于虛擬儀器技術(shù)個(gè)人實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[5]姚啟鈞.光學(xué)教程[M].北京:高等教育出版社,2006.

[6]龔建勛.偏振片研究進(jìn)展[J],液晶與顯示,2004,19(4):259-264.

Based on LabVIEW’s Malus’Law Experiment

WANGJian-zhong,HUANG Lin,WANG Ling-li,WANG Ying-hui

(Huazhong Nomal University,Wuhan 430079)

In this paper,the author makes an improvement in based on Pasco’s the“Malus Law”experiment.The researcher has taken the experiment with the LabVIEW program control PASCOsystem Science Work shop 750 data acquisition in conjunction with the application of the optical sensor CI-6504tOverify the Malus law.The experimental data has been processed by the Origin software.As the result,the experimental curve is in good agreement with the theoretical relationship.

Malus law;LabVIEW;polarization

O4-33

A

1007-2934(2011)04-0066-04

2010-12-10