3d立体电影99
教育版
■文/张艺彤　李丰果
内容摘要：以常见的液晶显示器作为偏振光源，利用智
能手机的环境光传感器和方向传感器结合3D 眼镜片设计马吕斯定律验证装置，探讨不同光源、光源的不同照度和不同颜的光源对验证结果的影响。结果表明：当光源为台式电脑的液晶显示器、笔记本电脑屏幕、手机屏幕和半导体激光器时，相对光强与角度余弦值的平方成正比，且与理论值吻合。而当光源是平板电脑屏幕时，小角度与理论值符合较好，大角度偏离大。此外，光源照度和光源颜对测量结果的影响小。本装置取材方便、结构简单且易于操作。
关键词：偏振光　马吕斯定律　智能手机　3D 眼镜片自然光通过媒介的反射、折射、吸收和散射后，光波的电矢量的振动在某一方向具有相对的优势而使其分布对传播方向不再对称。具有这种取向特征的光，统称为偏振光。光的偏振现象在技术上有很多应用，例如在摄像镜头前加上偏振镜消除反光，使用偏振镜看立体电影，消除车灯眩光等。马吕斯定律作为描述光偏振现象的一个经验定律，是证实电磁波横向性质和光学与电磁学内在联系的关键定律。在普通物理实验中，常使用偏振光实验仪来验证马吕斯定律。作者利用智能手机的环境光传感器和方向传感器结合3D 眼镜片搭建了简易的马吕斯定律的验证器材，以笔记本电脑等的显示器作为偏振光源验证马吕斯定律，探讨不同光源和光源的不同照度对验证结果的影响并与理论值进行对比。这一研究不仅可以帮助学生更好地理解偏振光和马吕斯定律，还可以
方便学生在课外进行相关探究而不受实验室和实验室设备的限制。
一、测量原理：根据马吕斯定律，强度为I0的平面偏振光通过检偏器后的光强I 为 (1)其中为平面偏振光偏振面和检偏器主截面的夹角。
二、测量器材及过程：1.测量器材：马吕斯定律验证的器材为智能手机1部，3D 电影眼镜片1片。验证光源为台式电脑的液晶显示器、笔记本电脑显示屏、平板电脑和手机的屏幕。智能手机的作用是利用其内置的环境光传感器和方向传感器分别测量光照度和角度，而3D 眼镜片则是用作为检偏器。目前电影院使用的3D 眼镜一般为被动式圆偏光眼镜，其镜片主要由1/4波片和线偏振片组成，即为1/4λ圆偏光片，
因此镜片的正反面使用效果并不相同，也就是说，为了正常进行马吕斯定律的验证必须要令线偏振光先通过线偏振片再通过1/4波片。若将镜片反过来，则线偏振光将先入射至1/4波片而转化为椭圆偏振光，然后再经过偏振片成为线偏振光，但是随着入射光线偏振光的振动方向与波片快轴的夹角的不同，形成的椭圆偏振的状态也将发生变化，从而导致从后面偏振片出射的光强也将发生变化。将3D 眼镜片的起偏器靠近手机的环境光传感器，测量结果如图1所示，图中箭头表示光照度随手机旋转的变化趋势。从图1可以看出，将3D 眼镜片旋转一周，透射光强交替出现了极大值和极小值且两者相隔约90度。对这一现象可以从理论上进行分析：（公式略）测量软件为Physics Toolbox，可同时记录光照度和角度。
图2所示为测量器材的实物照片。（图略）；2.测量过程：(1)测量器材的安装。①确定镜片方向。透过3D 镜片看电脑屏幕，边旋转镜片边观察亮度的变化。若有出现消光，则靠近电脑屏幕一侧的镜面为偏振片，另一面为1/4波片。若无消光现象，则靠近电脑屏幕一侧的镜面为1/4波片，另一面为偏振片。②固定镜片位置。使用透明纸带将3D 镜片覆盖在手机的环境光传感器上，注意3D 镜片靠近手机的一面应为1/4波片，而且纸带不能遮挡环境光传感器否则将影响测量结果；(2)测量器材的调节。①软件的设置。在应用程序Physics Toolbox 的一个名为“多种报告”的选项中，可以选择要使用的传感器。该手机应用在本实验中用于同时记录光照度和角度，因此，勾选光传感器和方向传感器的方框。②智能手机的仰角与偏振光和偏振器之间角度一致性的设置。为了做到这样，需要在实验开始把手机垂直放在在屏幕前，使仰角为-90°。然后，在保持智能手机为垂直状态的情况下，旋转偏振器即3D 眼镜片以寻光强度
的最小值。在光强最小的这个角度，用胶带将偏振片固定在光传感器上。在该角度，偏振片的轴线垂直于屏幕上的光的偏振方向。③距离的选择。手机与偏振光源的距离过远会影响测量结果，因此手机与偏振光源之间的距离应尽量小，但要注意避免手机和偏振光源的直接接触以免损伤镜片。(3)测量。使用手机应用程序Physics Toolbox 收集数据。测量开始前首先使智能手机在屏幕前为垂直状态，然后点击软件的开始按键，并缓慢地旋转手机，使其至少转过四分之一周。旋转过程中需要注意：①由于马吕斯定律的
对称性，旋转更大范围将产生重复的数据。②测量过程中要保持距离和光强度都不变。(4)数据处理。应用程序Physics Toolbox 可将记录的数据保存为一个可以下载到手机端或电脑端的CSV 文件。该类文件可以用Excel 对数据进行进一步处理。
三、测量结果与分析：1 测量有效性的验证（略）；2.以智能手机和常见偏振光源验证马吕斯定律（略）；3.不同光照度对验证结果的影响（略）；4.不同颜的光源对验证结果的影响（略）。
四、总结：作者用智能手机和3D 眼镜片搭建了马吕斯定律的验证器材，并以半导体激光和偏振片作为偏振光源，对器材的测量有效性进行了验证。还以笔记本电脑等的显示器作为偏振光源进行测量，探讨了不同光源和光源的不同光照度和不同颜对验证结果的影响并与理论值进行对比。从总体来看，文中所采取的验证马吕斯定律的方法是可行的。另外，验证时需注意：①由于制作工艺等原因，并不是所有
液晶屏显示器发出的光是线偏振光，因此选用验证光源时，应该先使3D 眼镜片在光源前旋转，观察投射光的明暗变化，并根据观察选择出现明显消光现象的显示器作为偏振光源。②为获得较连续的数据点，应选择亮度足够大的偏振光源。本装置利用普及率非常高的智能手机和3D 眼镜进行实验，使学生在课外也能方便地进行探究，有助于激发学生学习物理的兴趣和培养探究物理实验的兴趣。这一研究将帮助学生更好地理解偏振光和马吕斯定律，并为学生验证马吕斯定律实验提供参考和拓展思路。（单位：广东省广州市番禺区洛浦沙滘中学）
利用智能手机和3D 眼镜片验证马吕斯定律