偏振万花筒

偏振万花筒

Polarization Kaleidoscope

万花筒是深受欢迎的光学玩具，给我们的童年带来无穷的快乐。正因为此，有些博物馆里把制作精美的万花筒当做美轮美奂的艺术作品来收藏。通常的万花筒利用镜面反射原理制成，而下面介绍的则是另一种偏振万花筒。

图1　偏振万花筒实验装置

实验装置

在图1装置中，前后是两片偏振片，中间为随意缠着透明胶条的胶片。将一片偏振片固定，另一偏振片和胶版固定在转轴上。

现象观察

摇动转轴手柄，适当地转动偏振片或胶片，就可以看到不断变化的五颜六色的图案。缠在胶片上的透明胶条越凌乱，得到的图案就越丰富，如图2所示。

现象解密

与传统万花筒利用光的反射原理不同，偏振万花筒利用的是光的另外两个重要性质——偏振和旋光。

图2　偏振万花筒中看到的图案

图3　光的振动方向与传播方向互相垂直

光是一种电磁波，电磁波是横波，即光波的振动方向与它的传播方向相互垂直，如图3所示。振动方向和光波前进方向构成的平面叫做振动面，光的振动面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振光或线偏振光。通常光源发出的光，它的振动面不只限于一个固定方向而是在各个方向上均匀分布的，这种光叫做自然光。事实上自然光包含各个方向的偏振光，从而不易显现光的偏振特性。但是当光通过某些特殊材料时，只有偏振方向沿某一特定方向的光才能够通过，其余的光则全部被吸收。上面实验中使用的偏振片就是用这种特殊材料制作而成的，它使得通过它的光的偏振方向都在同一方向上。

光还有另外一个特性叫做旋光性，它指当偏振光通过某些特殊材料时，光的偏振方向将发生一定程度的旋转，旋转的幅度随材料、光的频率等因素而不同。绝大部分有机材料都是旋光材料。

上面的实验中，自然光经过第一个偏振片后，变成了线偏振光；再通过缠了胶条的胶片后，因为胶条缠得比较零乱，并且不同区域胶条的厚度有所不同，偏振光中不同频率的光波其偏振方向转过的角度就有所不同；再经过另一个偏振片后，某些颜色的光就被滤掉了，所以就会在小孔中呈现出五颜六色的图案。

知识拓展

偏振和旋光在日常生活中有着很广泛的应用。人们经常戴的偏光眼镜就是应用偏振原理制作而成的，它的镜片实际上相当于两片偏振片，自然光经过这两片偏振片后，大部分光都被滤掉了，使得光的强度大幅减弱，起到保护眼睛的作用。

立体电影也是应用偏振原理制成的。在观看立体电影时，我们都要戴一副特殊的眼镜，这副眼镜的镜片由偏振方向互相垂直的两个偏振片构成。在同一套胶片上的两套图像以不同偏振方向的光通过镜片，就使得两只眼睛所接收到的图像产生差异，进而产生立体感。

平时，当我们拍摄一些光滑物体时，由于它们的表面会产生反光现象，就会影响拍摄效果，难以表现物体表面的细节特征。利用偏振镜能有效地消除或减淡反光现象，在物证照相中，偏振镜得到广泛的应用。

思考题

1.本实验中的万花筒是应用什么原理制作的？

2.偏振是横波所特有的还是纵波所特有的性质？

3.不同频率的光经过同种旋光材料时，偏振方向旋转的幅度相同吗？

4.本实验中为什么缠在胶片上的透明胶条越凌乱，得到的图案就越丰富？