《光的偏振》講義

《光的偏振》講義光的偏振講義一、引入同學(xué)們，今天咱們要講一個(gè)特別有趣的光的現(xiàn)象——光的偏振。在講這個(gè)之前呢，我先給大家說個(gè)事兒。有一次我去看3D電影，戴上那副眼鏡的時(shí)候我就特別好奇，這眼鏡怎么就能讓畫面看起來那么立體呢？后來我一研究啊，發(fā)現(xiàn)這里面就用到了光的偏振的原理。那光的偏振到底是怎么回事呢？咱們這就來好好學(xué)學(xué)。二、光的偏振的概念1、什么是偏振咱們先想象一下，光是一種電磁波，就像水波一樣傳播。但是光的振動(dòng)方向可不是隨便的哦。普通的光呢，它的電場矢量（這是描述光的一個(gè)重要概念哦）在垂直于傳播方向的平面內(nèi)是各個(gè)方向都有的，就像一群人在一個(gè)廣場上，朝各個(gè)方向亂走一樣。這種光我們叫做自然光。而偏振光呢，就像是這群人都朝著一個(gè)方向整齊地走。偏振光就是光的電場矢量在垂直于傳播方向的平面內(nèi)只沿一個(gè)特定方向振動(dòng)的光。打個(gè)比方啊，自然光就像是沒有指揮的一群螞蟻，到處亂爬。偏振光就像是有了指揮，螞蟻們都朝著一個(gè)方向爬。2、偏振現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)這個(gè)偏振現(xiàn)象啊，是1809年的時(shí)候，馬呂斯發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)他在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，偶然發(fā)現(xiàn)光通過某些晶體后，它的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，而且這種變化還和晶體的方向有關(guān)。這就是光的偏振現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)。這就好比你在一個(gè)迷宮里，本來到處都是路，但是你發(fā)現(xiàn)經(jīng)過了一個(gè)特殊的門（晶體）之后，有些路就被堵住了，只剩下特定方向的路了（偏振光）。三、偏振片與起偏和檢偏1、偏振片的作用偏振片是一種神奇的東西。它就像是一個(gè)過濾器，只允許光沿著某一個(gè)特定方向振動(dòng)通過。這個(gè)特定的方向我們叫做偏振片的偏振化方向。咱們舉個(gè)例子啊。想象你有一個(gè)篩子，這個(gè)篩子的孔是有方向的。如果把一些形狀不規(guī)則的小物件（代表自然光中的各種振動(dòng)方向的光）往篩子上倒，只有那些形狀和篩子孔方向匹配的小物件（代表和偏振片偏振化方向相同的光）才能通過篩子。這就是偏振片的作用。2、起偏器和檢偏器起偏器呢，就是把自然光變成偏振光的裝置，其實(shí)就是一個(gè)偏振片啦。當(dāng)自然光通過起偏器的時(shí)候，只有沿著起偏器偏振化方向振動(dòng)的光才能通過，這樣就得到了偏振光。那檢偏器呢？它也是一個(gè)偏振片。它的作用是檢驗(yàn)光是不是偏振光。如果讓偏振光通過檢偏器，當(dāng)檢偏器的偏振化方向和偏振光的振動(dòng)方向相同的時(shí)候，光就能順利通過，而且強(qiáng)度最大；當(dāng)檢偏器的偏振化方向和偏振光的振動(dòng)方向垂直的時(shí)候，光就不能通過了。這就好比你用一個(gè)有方向的鑰匙（偏振光）去開一個(gè)鎖（檢偏器），鑰匙的方向?qū)α耍ǚ较蛳嗤┚湍艽蜷_（光通過），鑰匙方向不對（垂直）就打不開（光不能通過）。我們來做個(gè)小實(shí)驗(yàn)說明一下。我們有一個(gè)光源，先讓光通過一個(gè)起偏器變成偏振光，然后再讓這個(gè)偏振光通過一個(gè)檢偏器。我們慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器，就會(huì)發(fā)現(xiàn)透過的光的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)檢偏器轉(zhuǎn)了90度的時(shí)候，光就完全看不到了，再轉(zhuǎn)90度，光又最強(qiáng)了。這就很好地證明了偏振光和檢偏器之間的這種關(guān)系。四、光的偏振的應(yīng)用1、3D電影原理咱們再回到開頭說的3D電影。3D電影就是利用了光的偏振原理。電影放映的時(shí)候，是同時(shí)播放兩個(gè)稍有不同的畫面，這兩個(gè)畫面的光分別是偏振方向不同的偏振光。然后我們戴的3D眼鏡呢，兩個(gè)鏡片就是兩個(gè)偏振化方向不同的偏振片。左眼的鏡片只允許其中一個(gè)偏振方向的光通過，這個(gè)光就是給左眼看到的畫面；右眼的鏡片只允許另一個(gè)偏振方向的光通過，這就是給右眼看到的畫面。這樣我們的左右眼看到不同的畫面，大腦就會(huì)把它們組合成一個(gè)立體的畫面啦。就像我們的兩只眼睛看東西的時(shí)候，因?yàn)槲恢貌煌?，看到的東西也有一點(diǎn)差別，大腦把這兩個(gè)差別組合起來，我們就看到了立體的世界。2、汽車擋風(fēng)玻璃的應(yīng)用在汽車上也有光的偏振的應(yīng)用哦。有時(shí)候陽光照在汽車擋風(fēng)玻璃上，會(huì)有很強(qiáng)的反光，很刺眼，影響司機(jī)開車?，F(xiàn)在有些汽車擋風(fēng)玻璃就用到了偏振技術(shù)。在擋風(fēng)玻璃上貼一層偏振膜，這個(gè)偏振膜的偏振化方向可以調(diào)整，使得從外面射進(jìn)來的光經(jīng)過偏振膜后，大部分的眩光（也就是那些雜亂反射的光，就像自然光中那些亂走的“螞蟻”）被過濾掉了，司機(jī)就能更清楚地看到外面的道路了。3、攝影中的偏振鏡喜歡攝影的同學(xué)可能知道偏振鏡。在攝影的時(shí)候，有時(shí)候會(huì)遇到一些問題，比如水面或者玻璃表面的反光。這些反光會(huì)讓照片看起來不清晰或者顏色不好看。當(dāng)我們在鏡頭前面加上一個(gè)偏振鏡（其實(shí)就是一個(gè)偏振片），調(diào)整偏振鏡的偏振化方向，就可以把這些反光給消除掉。因?yàn)檫@些反光是偏振光，我們只要讓偏振鏡的偏振化方向和反光的偏振方向垂直，反光就不能進(jìn)入鏡頭了。這樣拍出來的照片，水面下的東西或者玻璃后面的東西就能更清楚地被拍出來了。五、光的偏振在科學(xué)研究中的應(yīng)用1、研究晶體結(jié)構(gòu)晶體的結(jié)構(gòu)是很復(fù)雜的，但是光的偏振可以幫助我們研究它。因?yàn)榫w對光的偏振有特殊的作用。不同結(jié)構(gòu)的晶體，對偏振光的傳播和影響是不一樣的。就像我們有不同形狀的鎖，不同結(jié)構(gòu)的晶體就像不同形狀的鎖，偏振光就像鑰匙。我們把偏振光這個(gè)“鑰匙”照射到晶體這個(gè)“鎖”上，通過觀察偏振光在晶體中的傳播情況，比如光的強(qiáng)度變化、偏振方向的改變等，就能推斷出晶體的結(jié)構(gòu)。這就好比我們通過鑰匙能不能插進(jìn)鎖里，以及插進(jìn)去之后轉(zhuǎn)動(dòng)的情況，來判斷鎖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一樣。2、天文學(xué)中的應(yīng)用在天文學(xué)里，光的偏振也很有用。宇宙中的很多天體都會(huì)發(fā)出光，這些光在傳播的過程中會(huì)受到星際物質(zhì)的影響。星際物質(zhì)會(huì)使光產(chǎn)生偏振現(xiàn)象?？茖W(xué)家們通過研究天體發(fā)出的光的偏振情況，可以了解星際物質(zhì)的分布、密度、磁場等信息。比如說，磁場可以改變光的偏振方向。所以當(dāng)我們觀察到光的偏振方向發(fā)生了變化，就可能推斷出那里存在磁場。這就像是我們通過觀察風(fēng)里的樹葉（光的偏振）的飄動(dòng)方向，來判斷風(fēng)（磁場）是從哪里吹來的一樣。六、光的偏振的數(shù)學(xué)描述（這里會(huì)用到一些簡單的數(shù)學(xué)知識(shí)哦）1、馬呂斯定律當(dāng)偏振光通過檢偏器的時(shí)候，透過檢偏器的光的強(qiáng)度是和偏振光的初始強(qiáng)度以及檢偏器和偏振光的振動(dòng)方向之間的夾角有關(guān)的。馬呂斯定律就描述了這種關(guān)系。馬呂斯定律說，透過檢偏器的光強(qiáng)I和入射偏振光的光強(qiáng)I?之間的關(guān)系是：I＝I?cos2θ，這里的θ就是檢偏器的偏振化方向和偏振光的振動(dòng)方向之間的夾角。咱們來舉個(gè)例子理解一下。假如我們有一束偏振光，它的初始光強(qiáng)I?是10單位，當(dāng)它通過一個(gè)檢偏器，檢偏器和偏振光振動(dòng)方向的夾角θ是30度。那么根據(jù)馬呂斯定律，透過檢偏器的光強(qiáng)I＝10cos230°＝10×（√3/2)2＝7.5單位。這就說明當(dāng)夾角是30度的時(shí)候，光強(qiáng)會(huì)按照這個(gè)公式的計(jì)算結(jié)果發(fā)生變化。七、總結(jié)1、重點(diǎn)回顧同學(xué)們，咱們今天學(xué)了光的偏振的概念，要記住自然光和偏振光的區(qū)別，就像記住亂走的螞蟻和整齊走的螞蟻一樣。還要記住偏振片的作用，起偏器和檢偏器是怎么回事，這就像記住篩子怎么過濾東西一樣。光的偏振的應(yīng)用可是很重要的哦，3D電影、汽車擋風(fēng)玻璃、攝影中的偏振鏡，還有在科學(xué)研究中的應(yīng)用，這些都是我們要掌握的重點(diǎn)。馬呂斯定律這個(gè)公式I＝I?cos2θ也要記住，它可以幫助我們計(jì)算偏振光通過檢偏器后的光強(qiáng)。2、難點(diǎn)理解對于一些同學(xué)來說，可能理解光的偏振的概念，尤其是電場矢量的振動(dòng)方向這些比較抽象的概念有點(diǎn)難。大家可以多想想我們舉的那些例子，