第十三章 6 光的偏振

光的干涉和衍射现象说明光具有波动性，但不能由此确定光究竟是横波还是纵波。本节讨论光的偏振现象，可以说明光是横波。

偏振现象

在纵波中，各点的振动方向总与波的传播方向在同一直线上。在横波中，各点的振动方向总与波的传播方向垂直。不同的横波，振动方向可能不同。

演示

取一根软绳，一端固定在墙上，手持另一端上下抖动，软绳上形成一列横波，质点在竖直平面内沿着上下方向振动。

现在让软绳穿过一块带有狭缝的木板。分别将狭缝与振动方向平行放置及与振动方向垂直放置，观察发生的现象（图13.6-1甲、乙）。

如果将这根绳换成细软的弹簧，前后推动弹簧形成纵波，又会出现什么现象？

一列横波沿水平方向传播，质点可能沿着上下方向振动，也可能沿着左右方向振动，还可能沿着其他“斜”的方向振动。这是横波与纵波的区别。我们可以利用这种区别来判断某种波是横波，还是纵波。

某机械波是横波还是纵波，可以根据观察来判断，并不需要图13.6-1那样的专门实验。可是受这个实验的启发，我们可以利用类似的实验来判断光波是横波还是纵波。

现在利用“偏振片”代替上面实验中带有狭缝的木板，来做光学实验。偏振片由特定的材料制成，每个偏振片都有一个特定的方向，只有沿着这个方向振动的光波[1]才能通过偏振片，这个方向叫做“透振方向”。偏振片对光波的作用就像图13.6-1中的狭缝对于机械波的作用一样。我们来看下面的实验。

演示

如图13.6-2甲所示，让阳光或灯光通过偏振片P，在P的另一侧观察，可以看到偏振片是透明的。

以光的传播方向为轴旋转偏振片P，透射光的强度变化吗？

在偏振片P的后面再放置另一个偏振片Q，以光的传播方向为轴旋转偏振片Q，观察通过两块偏振片的透射光的强度变化。

怎样解释上面的实验呢？

如果光波是纵波，上面的现象是不会发生的。

实际上，太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同。这种光是“自然光”。

自然光通过偏振片P（叫做起偏器）之后，只有振动方向与偏振片的透振方向一致的光波才能通过。也就是说，通过偏振片P的光波，在垂直于传播方向的平面上，只沿着某个特定的方向振动。这种光叫做偏振光（polarized light）。只有横波才有偏振现象。

通过偏振片P的偏振光再通过偏振片Q（叫做检偏器）时，如果两个偏振片的透振方向平行，那么，通过P的偏振光的振动方向与偏振片Q的透振方向一致，可以透过Q；如果两个偏振片的透振方向垂直，那么，偏振光的振动方向跟偏振片Q的透振方向垂直，不能透过Q。这跟图13.6-1中机械波的情形类似。

上面的演示实验表明，光是一种横波。

光的偏振现象并不罕见。除了从太阳、电灯等光源直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光，都是不同程度的偏振光。自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面反射时，反射光和折射光都是偏振光（图13.6-4），入射角变化时偏振的程度也有所变化。

偏振现象的应用

光的偏振现象有很多应用。例如，摄影师在拍摄池中的游鱼、玻璃橱窗里的陈列物时，由于水面和玻璃表面的反射光的干扰，景像会不清楚。如果在照相机镜头前装一片偏振滤光片，让它的透振方向与反射光的偏振方向垂直，就可以减弱反射光而使景像清晰。

电子表的液晶显示也用到了偏振光。两块透振方向互相垂直的偏振片当中插进一个液晶盒，盒内液晶层的上下是透明的电极板，它们刻成了数字笔画的形状。外界的自然光通过第一块偏振片后，成了偏振光。这束光在通过液晶时，如果上下两极板间没有电压，光的偏振方向会被液晶旋转90°（这种性质叫做液晶的旋光性），于是它能通过第二块偏振片。第二块偏振片的下面是反射镜，光线被反射回来，这时液晶盒看起来是透明的。但在上下两个电极间有一定大小的电压时，液晶的性质改变了，旋光性消失，于是光线通不过第二块偏振片，这个电极下的区域变暗，如果电极刻成了数字的笔画的形状，用这种方法就可以显示数字。

做一做

偏振光的实验研究

实验前的准备：寻找几件带有液晶显示器的废旧物件，例如数字式电子表、空调遥控器、数字调谐收音机、计算器、数字多用表、带液晶显示的玩具等，小心取下其中液晶显示器最前面的一块塑料片，这就是一个偏振片。用这样的偏振片研究光的偏振，装置简单，效果好。

1．将一个偏振片放于眼睛的前方，观察通过窗户进入室内的自然光。转动偏振片，你感觉到的明暗有没有明显的变化？

2．通过偏振片观察玻璃表面、光滑桌面反射来的灯光或窗外的光，同时转动偏振片。你感觉到的明暗有没有明显的变化？玻璃表面、光滑桌面反射的光是偏振光吗？

3．将偏振片叠放在数字式电子表的液晶显示屏上，观察显示屏亮度的变化。为什么沿不同方向放置时会有不同的亮度？

科学漫步

立体电影的偏振光

你看过立体电影吗？你知道它的道理吗？它就是应用光的偏振现象的一个例子。在观看立体电影时，观众要戴上特制的眼镜，这副眼镜就是一对透振方向互相垂直的偏振片。如果不戴这副眼镜，银幕上的图像就模糊不清了。这是为什么？

这要从人眼看物的立体感说起。人的两只眼睛同时观察物体，不但能扩大视野，而且能判断物体的远近，产生立体感。这是由于人的两只眼睛同时观察物体时，在两眼的视网膜上形成的两个像并不完全相同，左眼看到物体的左侧面较多，右眼看到物体的右侧面较多，这两个像经过大脑综合以后就能区分物体的前后、远近，从而产生立体感。

拍摄立体电影时，用两个镜头如人眼那样从两个不同方向同步拍摄景物的像，制成电影胶片。放映时可以通过两台放映机，同步放映两组胶片，使略有差别的两幅图像重叠在银幕上。这时如果用眼睛直接观看，看到的画面好像是电视天线不好时出现的“重影”。

实际上，每架放映机前还要安装一块偏振片，两架放映机射出的光，通过偏振片后成了偏振光。左右两架放映机前的偏振片的透振方向互相垂直，因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直。这两束偏振光投射到银幕上再反射到观众那里，偏振方向不变。观众用上述的偏振眼镜观看，每只眼睛只看到相应的偏振光图像，即左眼只看到左机映出的画面，右眼只看到右机映出的画面，这样就会像直接观看物体那样产生立体感。

实际放映立体电影时只用一个镜头，两套图像交替地印在同一条电影胶片上，为了实现上述功能还需要一套复杂的装置，但原理就是上面所说的那些。

问题与练习

1．什么是光的偏振现象？光的偏振现象对认识光的本性有什么意义？

2．市场上有一种太阳镜，它的镜片是偏振片。查找资料或向有经验的人请教，回答以下问题。

为什么不用普通的带色玻璃而用偏振片？安装镜片时它的透振方向应该沿什么方向？利用偏振眼镜可以做哪些实验、做哪些检测？

发布时间：2017/1/30 下午8:22:40  阅读次数：5716