摘 ?要：文章根據(jù)顯色偏振原理，設(shè)計制作了應(yīng)用常見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，提升實驗探究能力及素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：顯色偏振;光偏振;晶體

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2020）2-0053-3

顯色偏振是基于光偏振原理而加以改進的一種光現(xiàn)象。如果光源使用包含各種色光的白光，對于一定的晶片，各種不同波長的光不可能同時滿足相同的干涉亮條紋，而是有些波長的光滿足干涉亮條紋條件，有些波長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)顯色偏振的實驗儀器操作復(fù)雜、圖像不夠明顯、調(diào)適復(fù)雜、對實驗者的操作要求較高，有許多弊端。高中階段的偏振現(xiàn)象也多為單色偏振，實驗器材昂貴，學(xué)生參與度低且對顯色偏振現(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)象用普通常見的實驗材料演示出來，并進行一定的展示探究，幫助學(xué)生填補知識空缺，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。

1 ? ?顯色偏振儀

在顯色偏振有關(guān)知識的基礎(chǔ)上，結(jié)合了生活中透明膠帶各向異性的特點，把透明膠帶作為簡易晶體使用，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LED面光源的大型展示平臺制作了本作品，使之操作簡單、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，搖動手柄的靈活性可以方便地改變偏振角，增強了本研究的可操作性。有利于課堂中對產(chǎn)生干涉的兩束光的振幅和相位與各個轉(zhuǎn)動角度、各層不同厚度的膠帶紙的關(guān)系的說明和講解。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不同的干擾，使演示效果更好。同時，演示的偏振片和可以自主設(shè)計的透明膠帶的組合，可以自定義展示的圖像，增加了教學(xué)的樂趣，提高了學(xué)生的積極性。（圖1）

2 ? ?運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)實生活中各種透明塑料（如聚丙烯、聚苯乙烯、有機玻璃、ABS塑料等）都可以用作廉價的晶片。本實驗主要選取了透明膠帶、聚丙烯、聚苯乙烯等來代替晶體，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，保持前后偏振片偏振角相同，觀察到透射光的顏色不同。這是因為不同材質(zhì)的晶體光軸方向不同，造成光和光的光程差也不同，所以透射光的強度也不同（見表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

本實驗通過不改變偏振角，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，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（見表2）。這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是發(fā)生k級干涉的某波長可與（k-1）級較長的另一波長在同一晶片厚度下得到加強，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，改變偏振角，透射光的顏色變化是非常明顯的。

由實驗現(xiàn)象可知，單單看透射光的強弱無法判斷干涉加強還是減弱，因為本組所用的是白光，白光包括了不同波長的光，當(dāng)一種光干涉相消時，另一種光干涉相長。但是，觀察到一種顏色的出現(xiàn)與消失，也可以知道對于不同波長的光，在偏振角、晶體的光軸、晶體的厚度等發(fā)生改變時，該顏色光的強弱是會改變的。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

本實驗通過不改變偏振角，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（見表3）。當(dāng)透明膠帶的粘貼方向改變180°時，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，這和光的波長有關(guān)。其實，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突變，變?yōu)榍耙环N顏色的互補色。換句話說，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，轉(zhuǎn)動手柄改變偏振角，透射光顏色變化豐富;當(dāng)用鈉黃光入射時，透射光顏色不發(fā)生改變，但透射光亮暗改變明顯，與沒有透明膠帶時相比，情況相似（見表4）。這主要是因為白光包括了多種波長的光，鈉黃光只包括一種波長的光，改變偏振角時，只有一種波長的光發(fā)生干涉相長或相消，而白光在不同偏振角下，不同波長的光發(fā)生干涉相長，顏色改變就多樣化了。

3 ? ? 顯色偏振儀的特點以及欠缺

3.1 ? ?特點

（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，有利于課堂中對產(chǎn)生干涉的兩束光的振幅和相位與各個轉(zhuǎn)動角度、各層不同厚度膠帶紙關(guān)系的說明和講解。

（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)生對顯色偏振產(chǎn)生興趣，并能夠自主地進行探索與研究，發(fā)現(xiàn)其中蘊藏的更多的科學(xué)知識。這樣能夠培養(yǎng)學(xué)生的實驗探究能力，提高學(xué)生的實驗素養(yǎng)，對教師的教學(xué)有著非常重要的作用。

3.2 ? ?缺點

（1）對現(xiàn)象的研究拘于表面，對各向異性的材料（如塑料）的其他特性了解不夠深入，對實驗現(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)，因為有些材料（如寶石）價格過于昂貴，而冰塊則在實驗時不易操作。

（3）選取材料時的厚度沒有精細地驗證，使實驗現(xiàn)象出現(xiàn)雜亂的彩色圖案。

（4）粘貼透明膠帶時會出現(xiàn)氣泡，對實驗產(chǎn)生干擾，氣泡無法避免，但在實驗過程中我們會忽略此現(xiàn)象對實驗結(jié)果的影響。

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

本文通過對不同實驗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，建立起更好的物理素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的實驗動手能力以及獨立思考、勇于探究的品質(zhì)。

在當(dāng)今的社會中，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。相信在以后的科技領(lǐng)域中，顯色偏振一定會被更加深入地研究，它的應(yīng)用一定會更加廣泛。因此，在高中階段幫助學(xué)生在現(xiàn)有知識的基礎(chǔ)上，探索、發(fā)現(xiàn)關(guān)于課堂延伸的一部分知識，有利于他們進一步提升自身的素質(zhì)，磨練自身的品質(zhì)。

編者注：因為本文的附圖均為彩色照片，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，可查參考文獻或者向作者詢問。作者許士友的郵箱是2845646614@qq.com。

參考文獻：

[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].物理實驗，2009，29（10）：39-40.

（欄目編輯 ? ?王柏廬）