有趣的偏振光实验

（原载：《科学教育月刊》，2005年12月，第285期）

光是一种横波，光的电场振动的方向与行进方向垂直，而光的电场振动方向就是所谓的偏振方向。虽然阳光是偏振方向凌乱无序的非偏振光，但经过散射或反射后，就可能变成偏振方向一定的偏振光。偏振光在日常生活中随处可见，只是肉眼无法直接分辨罢了。例如：蔚蓝的苍穹是由于高空稀薄的空气分子散射造成的，所以蓝天其实是近似偏振光，拍摄风景时，如果天空太亮，摄影师多用偏极板（注1）制成的滤光片滤掉部分蓝天的亮度。又例如，钓鱼时，水面的浮光耀金，静影沈碧，也是近似偏振光，也可用偏极板制成的太阳眼镜滤掉，而见水中的游鱼；同样的情形，专事窥探名人隐私的狗仔队也遭遇得到，豪华轿车里的是是非非，总因挡风玻璃的反光而变得模模糊糊，只要在相机或摄影机镜头前加装偏极板，滤掉挡风玻璃的反光（玻璃反光也是偏振光），车内人物即原形毕露了。

偏振光的应用还有很多，液晶显示幕和利用某些透明物体双折射现象的光测弹性学，都是著名的例子。光测弹性学在工业上可用来分析物体所受的应力，因其彩色缤纷，常令观众惊叹，物理课本介绍偏振光时多会提及。本文结合色彩和科学，特别着重于视觉效果和临场气氛，以崭新的方法演示双折射改变偏振的现象。

所须的器材如下：

1.一块硬质塑胶制的三角板或圆规。

2.一块方解石。

3.两片剪裁成15×15cm2的偏极板（仲典公司有售，价格便宜）。

4.一架投影机。

5.一幅普通的银幕（学校教室里用的即可）。

6.一幅特制的银幕（将美术用的三夹板裁成所须的尺寸，此三夹板反光面的粗糙度，与一般图画纸相似即可，用“电镀银”（编号144）的喷漆，均匀地将三夹板的反光面喷涂成银白色即成。若不惜成本，任何具金属光泽而可漫射的表面均可代用。）

注：原文为繁体，本站发布时未转译，但为方便读者阅读，直接将繁体转为简体。

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周鉴恒博士专栏

首先，将投影机转亮，用方解石压住放在投影机面板上的投影片，方解石四周可用黑色纸遮住，调妥聚焦，方解石底下投影片的字迹即投影在一般银幕上，方解石由于其组成原子在不同方向的键结强度不同，而具有双折射的特性，投影机的非偏振灯光依其偏振方向不同，会有两种折射角度，在银幕上于是会看到两个重叠在一起的巨大影像。换言之，银幕上互相重叠的字迹影像是由两道偏振方向不同的偏振光造成的。因此，把一块偏极板放在投影机镜头前方，逐渐改变偏极板的方位，则可分别滤掉其中之一的偏振光，而在银幕上分别显露出不重叠的单一字迹影像，如图一所示。这样的演示方式便于大批观众同时欣赏，免去围观小小一块方解石的拥挤。如果使用特殊银幕（见图二），泛着金属光泽的银幕反射的光，会依然保有原入射光的偏振状态（注2），则观众甚至可以人手一片偏极板，隔着偏极板看银幕的字迹图像，转动偏振片，自行分别滤掉其中之一的偏振光，而在银幕上分别显露出不重叠的单一字迹影像。

图一投影在银幕上的方解石，四周用黑纸遮住，因为在投影机镜头前已用偏极板滤掉双折射其中的一个影像，所以可见单一的“共振”两字。

图二投影在银白色幕上的方解石和方解石下方的字迹，因方解石具有双折射性质，字迹由于重叠而模糊。如果观众人手一片偏极板，隔着偏极板看银白色幕上的方解石下方的字迹，可滤掉其中之一。置于白板前方的银白色幕约50公分见方。

其次，先将一片偏极板置于投影机面板上，这一片偏极板上再放置一把硬质塑胶制的三角板，再在其上放另一偏极板，形成三明治结构。投影机发出的非偏振光，先经过最底层的偏极板而成为偏振光，三角板各区域因制作时的残留应力而具有复杂的双折射性质，使得经最底层偏极板片而变成的偏振光，透射三角板时，各种波长在各区域的偏振情形又有不同，再经最上方偏极板滤光，而在一般银幕上显现出色彩斑斓的巨大图案（注3）。改变两偏极板穿透轴的方向，使之互相垂直，令三角板之外的区域完全暗淡，景象尤其瑰丽（见图三）。若动用廉价自制特殊银幕，撤掉最上方的偏极板。改由观众自己转动偏极板，隔着偏极板看银幕的图像，因为特殊银幕能保留入射光的偏振，则可以观赏到不停变幻色彩的三角板投影（见图四）。值得注意的是，在此同时，不透过偏极板，肉眼见到特殊银幕上的三角板投影十分寻常，并非彩色，与原三角板无异。