大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教案課次授課方式（請(qǐng)打√）理論課□討論課□實(shí)驗(yàn)課習(xí)題課□其他□課時(shí)安排3授課題目（教學(xué)章、節(jié)或主題）：偏振光的觀測(cè)與研究教學(xué)目的、要求（分掌握、熟悉、了解三個(gè)層次）：觀察光的偏振現(xiàn)象，加深對(duì)偏振概念的理解．了解偏振光的產(chǎn)生和檢驗(yàn)方法．觀測(cè)布儒斯特角及測(cè)定玻璃折射率．學(xué)會(huì)區(qū)別自然光和圓偏振光、部分偏振光和橢圓偏振光.教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)：重點(diǎn)：了解偏振光的產(chǎn)生和檢驗(yàn)方法．難點(diǎn)：觀測(cè)布儒斯特角及測(cè)定玻璃折射率教學(xué)基本內(nèi)容方法及手段偏振光的基本概念獲得偏振光的常用方法偏振片、波片及其作用起偏與檢偏鑒別自然光與偏振光，驗(yàn)證馬呂斯定律觀測(cè)布儒斯特角及測(cè)定玻璃折射率觀察橢圓偏振光和圓偏振光考察平面偏振光通過(guò)1/2波片時(shí)的現(xiàn)象1.提問抽查學(xué)生預(yù)習(xí)情況2.講解實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容及注意事項(xiàng)3.實(shí)物講解介紹儀器設(shè)備及注意事項(xiàng)4.通過(guò)輔導(dǎo)或提示幫助學(xué)生解決實(shí)驗(yàn)中遇到的困難和障礙作業(yè)、討論題、思考題：什么是馬呂斯定律？本實(shí)驗(yàn)如何驗(yàn)證此定律？玻璃平板在布儒斯特角的位置上時(shí)，反射光束是什么偏振光？它的振動(dòng)是在平行于入射面內(nèi)還是在垂直于入射面內(nèi)？如何通過(guò)一個(gè)偏振片來(lái)判別自然光和線偏振光？如何區(qū)別自然光和圓偏振光？如何區(qū)別部分偏振光和橢圓偏振光？課后小結(jié)：指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)，既要面面俱到，事無(wú)俱細(xì)進(jìn)行引導(dǎo)，同時(shí)，又要注意切忌包辦代替。從實(shí)驗(yàn)材料的選擇、儀器的裝配到操作步驟和技巧，既要科學(xué)規(guī)范，又要密切結(jié)合具體實(shí)際，在尊重學(xué)生主體地位的同時(shí)，充分發(fā)揮教師的引導(dǎo)作用，以保證現(xiàn)象清晰，結(jié)果正確。學(xué)生的動(dòng)手能力個(gè)有不同，應(yīng)該因材施教，針對(duì)不同的學(xué)生，適當(dāng)加深實(shí)驗(yàn)的難度。偏振光的觀測(cè)與研究引入實(shí)驗(yàn)：目前偏振光的應(yīng)用已遍及工農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、國(guó)防等部門．利用偏振光的各種精密儀器，已為科研、工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)技術(shù)的檢驗(yàn)等提供了極有價(jià)值的方法．因此我們要了解掌握偏振光的特性，學(xué)會(huì)其應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)原理1．偏振光的基本概念按照光的電磁理論，光波就是電磁波，它的電矢量E和磁矢量H相互垂直．兩者均垂直于光的傳播方向．從視覺和感光材料的特性上看，引起視覺和化學(xué)反應(yīng)的是光的電矢量，通常用電矢量E代表光的振動(dòng)方向，并將電矢量E和光的傳播方向所構(gòu)成的平面稱為光振動(dòng)面．在傳播過(guò)程中，光的振動(dòng)方向始終在某一確定方位的光稱為平面偏振光或線偏振光，如圖1（a）．光源發(fā)射的光是由大量原子或分子輻射構(gòu)成的．由于熱運(yùn)動(dòng)和輻射的隨機(jī)性，大量原子或分子發(fā)射的光的振動(dòng)面出現(xiàn)在各個(gè)方向的幾率是相同的．一般來(lái)說(shuō)，在10－6s內(nèi)各個(gè)方向電矢量的時(shí)間平均值相等，故出現(xiàn)如圖1（b）所示的所謂自然光．有些光的振動(dòng)面在某個(gè)特定方向出現(xiàn)的幾率大于其他方向，即在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)電矢量在某一方向較強(qiáng)，這就是如圖1（c）所示的部分偏振光．還有一些光，其振動(dòng)面的取向和電矢量的大小隨時(shí)間作有規(guī)則的變化，其電矢量末端在垂直于傳播方向的平面上的移動(dòng)軌跡呈橢圓（或圓形），這樣的光稱為橢圓偏振光（或圓偏振光），如圖1（d）所示．圖1光波按偏振的分類2．獲得偏振光的常用方法(1)非金屬鏡面的反射通常自然光在兩種媒質(zhì)的界面上反射和折射時(shí)，反射光和折射光都將成為部分偏振光．但當(dāng)入射角增大到某一特定值時(shí)，鏡面反射光成為完全偏振光，其振動(dòng)面垂直于入射面，如圖16-4-2所示，這時(shí)入射角稱為布儒斯特角，也稱為起偏角．圖圖2布儒斯特定律示意圖圖中“”、“－”均表示電矢量，反射光是振動(dòng)面與入射面垂直的完全偏振光，折射光是部分偏振光．由布儒斯特定律得：其中、分別為兩種介質(zhì)的折射率．如果自然光從空氣入射到玻璃表面而反射時(shí)，對(duì)于各種不同材料的玻璃，已知其折射率的變化范圍在1.50到1.77之間，則可得布儒斯特角約在560—600之間．此方法可用來(lái)測(cè)定物質(zhì)的折射率．(2)多層玻璃片的折射當(dāng)自然光以布儒斯特角入射到由多層平行玻璃片重疊在一起構(gòu)成的玻璃片堆上時(shí)，由于在各個(gè)界面上的反射光都是振動(dòng)面垂直入射面的線偏振光，故經(jīng)過(guò)多次反射后，透出來(lái)的透射光也就接近于振動(dòng)方向平行于入射面的線偏振光．(3)利用偏振片的二向色性起偏將非偏振光變成偏振光的過(guò)程稱為起偏．某些有機(jī)化合物晶體（如硫酸碘奎寧或硫酸奎寧堿）具有二向色性，它往往吸收某一振動(dòng)方向的入射光，而與此方向垂直振動(dòng)的光則能透過(guò)，從而可獲得線偏振光．利用這類材料制成的偏振片可獲得較大截面積的偏振光束，但由于吸收不完全，所得的偏振光只能達(dá)到一定的偏振度．(4)利用晶體的雙折射起偏自然光通過(guò)各向異性的晶體時(shí)將發(fā)生雙折射現(xiàn)象，雙折射產(chǎn)生的尋常光（o光）和非尋常光（e光）均為線偏振光．o光光矢量的振動(dòng)方向垂直于自己的主截面；e光光矢量的振動(dòng)方向在自己的主截面內(nèi)．方解石是典型的天然雙折射晶體，常用它制成特殊的棱鏡以產(chǎn)生線偏振光．利用方解石制成的沃拉斯頓棱鏡能產(chǎn)生振動(dòng)面互相垂直的兩束線偏振光；用方解石膠合成的尼科耳棱鏡能給出一個(gè)有固定振動(dòng)面的線偏振光．3．偏振片、波片及其作用(1)偏振片偏振片是利用某些有機(jī)化合物晶體的二向色性，將其滲入透明塑料薄膜中，經(jīng)定向拉制而成．它能吸收某一方向振動(dòng)的光，而透過(guò)與此垂直方向振動(dòng)的光，由于在應(yīng)用時(shí)起的作用不同，用來(lái)產(chǎn)生偏振光的偏振片叫做起偏器；用來(lái)檢驗(yàn)偏振光的偏振片，叫做檢偏器．按照馬呂斯定律，強(qiáng)度為I0的線偏振光通過(guò)檢偏器后，透射光的強(qiáng)度為：I=I0cos2式中為入射偏振光的偏振方向與檢偏器偏振方向之間的夾角，顯然當(dāng)以光線傳播方向?yàn)檩S轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器時(shí)，透射光強(qiáng)度I將發(fā)生周期性變化．當(dāng)=時(shí)，透射光強(qiáng)最大；當(dāng)=90時(shí)，透射光強(qiáng)為極小值（消光狀態(tài)），當(dāng)<<90時(shí)，透射光強(qiáng)介于最大和最小值之間，如圖3所示，自然光通過(guò)起偏器與檢偏器的變化．SHAPE圖3光的起偏和檢偏根據(jù)透射光強(qiáng)度變化的情況，可以區(qū)別線偏振光、自然光和部分偏振光．(2)波片波片是用單軸晶體切成的表面平行于光軸的薄片．當(dāng)線偏振光垂直射到厚度為L(zhǎng)、表面平行于自身光軸的單軸晶片時(shí)，會(huì)產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，尋常光（o光）和非尋常光(e光)沿同一方向前進(jìn)，但傳播的速度不同．這兩種偏振光通過(guò)晶片后，它們的相位差為：其中，為入射偏振光在真空中的波長(zhǎng)，no和ne分別為晶片對(duì)o光和e光的折射率，L為晶片的厚度．我們知道，兩個(gè)互相垂直的、頻率相同且有固定相位差的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，可用下列方程表示：從兩式中消去t，經(jīng)三角運(yùn)算后得到合振動(dòng)的方程式為由此式可知，當(dāng)時(shí)，，為線偏振光．當(dāng)時(shí)，，為正橢圓偏振光．在=時(shí)，為圓偏振光．當(dāng)為其它值時(shí)，為橢圓偏振光．在某一波長(zhǎng)的線偏振光垂直入射到晶片的情況下，能使o光和e光產(chǎn)生相位差（相當(dāng)于光程差為的奇數(shù)倍）的晶片，稱為對(duì)應(yīng)于該單色光的二分之一波片（1/2波片）或波片；與此相似，能使o光和e光產(chǎn)生相位差（相當(dāng)于光程差為的奇數(shù)倍）的晶片，稱為四分之一波片（1/4波片）或波片．本實(shí)驗(yàn)中所用波片是對(duì)（激光）而言的．如圖4所示，當(dāng)振幅為A的線偏振光垂直入射到1/4波片上，振動(dòng)方向與波片光軸成角時(shí)，由于o光和e光的振幅分別為A和A，所以通過(guò)1/4波片合成的偏振狀態(tài)也隨角度的變化而不同．圖4線偏振光經(jīng)過(guò)1/4波片示意圖圖5線偏振光經(jīng)過(guò)1/2波片示意圖當(dāng)=時(shí)，獲得振動(dòng)方向平行于光軸的線偏振光（e光）．當(dāng)=/2時(shí)，獲得振動(dòng)方向垂直于光軸的線偏振光（o光）．當(dāng)=/4時(shí)，Ae=Ao獲得圓偏振光．當(dāng)為其它值時(shí)，經(jīng)過(guò)1/4波片后為橢圓偏振光．所以，可以用1/4波片獲得橢圓偏振光和圓偏振光．當(dāng)線偏振光經(jīng)過(guò)1/2波片后，Ae與Ao的位相差位，如圖5兩列光波合成后仍然為線偏振光，但振動(dòng)方向較原方向轉(zhuǎn)動(dòng)了2角度。實(shí)驗(yàn)儀器光具座，He-Ne激光器，偏振片（起偏器、檢偏器），1/4波片，1/2波片，硅光電池，偏振光實(shí)驗(yàn)儀，觀測(cè)布儒斯特角裝置．圖6實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)物圖實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1．起偏與檢偏鑒別自然光與偏振光，驗(yàn)證馬呂斯定律在光源至光屏的光路上插入起偏器P1，旋轉(zhuǎn)P1，觀察光屏上光斑強(qiáng)度的變化情況．在起偏器P1后面再插入檢偏器P2．固定P1的方位,將P2轉(zhuǎn)動(dòng)3600，觀察光屏上光斑強(qiáng)度的變化情況．有幾個(gè)消光方位？以硅光電池代替光屏接收P2出射的光束，旋轉(zhuǎn)P2，記錄相應(yīng)的光電流值，共轉(zhuǎn)900，在坐標(biāo)紙上作出I~cos2θ關(guān)系曲線．2．觀測(cè)布儒斯特角及測(cè)定玻璃折射率圖7圖7布儒斯特定律示意圖（入射光為線偏振光）在起偏器P1后，放入測(cè)布儒斯特角的裝置，然后調(diào)節(jié)起偏角度，使透射出來(lái)的偏振光的偏振方向水平（保證偏振方向在入射面內(nèi)）。旋轉(zhuǎn)載物玻璃平板，使反射的光束與入射光束重合（即觀察起偏器上的入射光點(diǎn)和反射光點(diǎn)重合），記下此時(shí)載物玻璃平板的初始角度．一面轉(zhuǎn)動(dòng)載物玻璃平板，一面手拿光屏，接收反射光．反復(fù)調(diào)節(jié)直到反射光消光為止，記下載物玻璃平板的角度，重復(fù)測(cè)量三次．根據(jù)表2所示，求出和平均值，最后根據(jù)（＝1為空氣的折射率）得出玻璃的折射率．3．觀察橢圓偏振光和圓偏振光先使起偏器P1和檢偏器P2的偏振方向垂直（即檢偏器P2后的光屏上處于消光狀態(tài)），在起偏器P1和檢偏器P2之間插入1/4波片，轉(zhuǎn)動(dòng)波片使P2后的光屏上仍處于消光狀態(tài)（此時(shí)=）．從=的位置開始，使檢偏器P2轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)可以從屏上光強(qiáng)的變化看到經(jīng)過(guò)1/4波片后的光為線偏振光．取=900，使檢偏器P2轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)也可以從屏上光強(qiáng)的變化看到經(jīng)過(guò)1/4波片后的光為線偏振光．其振動(dòng)面與=時(shí)的振動(dòng)面垂直．取為除00和900外的其他值，觀察轉(zhuǎn)動(dòng)P2時(shí)屏上光強(qiáng)的變化，其結(jié)果與橢圓偏振光對(duì)應(yīng)．特別是當(dāng)=450時(shí)，P2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)屏上光強(qiáng)幾乎不變，這便是圓偏振光對(duì)應(yīng)的狀態(tài)．4．考察平面偏振光通過(guò)1/2波片時(shí)的現(xiàn)象（1）按圖8在光具座上依次放置各元件，使起偏器P1的振動(dòng)面為垂直，檢偏器P2的振動(dòng)面為水平（此時(shí)應(yīng)觀察到消光現(xiàn)象）．SPSP1CP2S光源P1起偏器P2檢偏器C1/2波片圖8線偏振光通過(guò)1/2波片光路圖（2）在P1、P2之間插入1/2波片（C），將C轉(zhuǎn)動(dòng)360o，能看到幾次消光？解釋這一現(xiàn)象．（3）將C轉(zhuǎn)任意角度，這時(shí)消光現(xiàn)象被破壞，把P2轉(zhuǎn)動(dòng)360o，觀察到什么現(xiàn)象？由此說(shuō)明通過(guò)1/2波片后，光變成怎樣的偏振狀態(tài)？（4）仍使P1、P2處于正交，插入C，使消光，再將C轉(zhuǎn)15o，破壞其消光．轉(zhuǎn)動(dòng)P2至消光位置，并記錄P2所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度．（5）繼續(xù)將C轉(zhuǎn)15o（即總轉(zhuǎn)動(dòng)角為30o，）記錄A達(dá)到消光所轉(zhuǎn)總角度，依次使C總轉(zhuǎn)角45o、60o、75o、90o．記錄P2消光時(shí)所轉(zhuǎn)總角度．從上面實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出什么規(guī)律？怎么解釋這一規(guī)律．【注意事項(xiàng)】1．實(shí)驗(yàn)中各元件不能用手摸，實(shí)驗(yàn)完畢后按規(guī)定位置放好．2．不要讓激光束直接照射或反射到眼睛內(nèi)．【數(shù)據(jù)記錄及處理】表1馬呂斯定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)P1與P2偏振化方向夾角光功率的讀數(shù)I（）實(shí)驗(yàn)I/I0=cos2理論I/I0=cos2000.801.001.003000.560.700.754500.260.320.506000.160.200.259000.200.030.00表2玻璃折射率的測(cè)定與計(jì)算次數(shù)載物玻璃平板的角位置布儒斯特角玻璃折射率=光垂直入射時(shí)反射光消光時(shí)１132.0o75.5o56.5o56.53o1.51２78.4o21.5o56.9o３20.6o-35.6o56.2o表3平面偏振光通過(guò)1/2波片時(shí)變化規(guī)律C轉(zhuǎn)動(dòng)角度P2初始角度P2末角度P2轉(zhuǎn)動(dòng)角度15o114.0o142.1o28.1o30o172.9o58.9o45o200.0o86.0o60o233.0o119.0o75o264.5o150.5o90o294.4o180.4o【思考題】1.區(qū)分自然光和圓偏振光：如果用偏振片進(jìn)行觀察時(shí)，光強(qiáng)隨偏振片的轉(zhuǎn)動(dòng)沒有變