《光的偏振》讲义

《光的偏振》讲义光的偏振讲义一、引入同学们，今天咱们要讲一个特别有趣的光的现象——光的偏振。在讲这个之前呢，我先给大家说个事儿。有一次我去看3D电影，戴上那副眼镜的时候我就特别好奇，这眼镜怎么就能让画面看起来那么立体呢？后来我一研究啊，发现这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？咱们这就来好好学学。二、光的偏振的概念1、什么是偏振咱们先想象一下，光是一种电磁波，就像水波一样传播。但是光的振动方向可不是随便的哦。普通的光呢，它的电场矢量（这是描述光的一个重要概念哦）在垂直于传播方向的平面内是各个方向都有的，就像一群人在一个广场上，朝各个方向乱走一样。这种光我们叫做自然光。而偏振光呢，就像是这群人都朝着一个方向整齐地走。偏振光就是光的电场矢量在垂直于传播方向的平面内只沿一个特定方向振动的光。打个比方啊，自然光就像是没有指挥的一群蚂蚁，到处乱爬。偏振光就像是有了指挥，蚂蚁们都朝着一个方向爬。2、偏振现象的发现这个偏振现象啊，是1809年的时候，马吕斯发现的。当时他在做实验的时候，偶然发现光通过某些晶体后，它的强度会发生变化，而且这种变化还和晶体的方向有关。这就是光的偏振现象的首次发现。这就好比你在一个迷宫里，本来到处都是路，但是你发现经过了一个特殊的门（晶体）之后，有些路就被堵住了，只剩下特定方向的路了（偏振光）。三、偏振片与起偏和检偏1、偏振片的作用偏振片是一种神奇的东西。它就像是一个过滤器，只允许光沿着某一个特定方向振动通过。这个特定的方向我们叫做偏振片的偏振化方向。咱们举个例子啊。想象你有一个筛子，这个筛子的孔是有方向的。如果把一些形状不规则的小物件（代表自然光中的各种振动方向的光）往筛子上倒，只有那些形状和筛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）才能通过筛子。这就是偏振片的作用。2、起偏器和检偏器起偏器呢，就是把自然光变成偏振光的装置，其实就是一个偏振片啦。当自然光通过起偏器的时候，只有沿着起偏器偏振化方向振动的光才能通过，这样就得到了偏振光。那检偏器呢？它也是一个偏振片。它的作用是检验光是不是偏振光。如果让偏振光通过检偏器，当检偏器的偏振化方向和偏振光的振动方向相同的时候，光就能顺利通过，而且强度最大；当检偏器的偏振化方向和偏振光的振动方向垂直的时候，光就不能通过了。这就好比你用一个有方向的钥匙（偏振光）去开一个锁（检偏器），钥匙的方向对了（方向相同）就能打开（光通过），钥匙方向不对（垂直）就打不开（光不能通过）。我们来做个小实验说明一下。我们有一个光源，先让光通过一个起偏器变成偏振光，然后再让这个偏振光通过一个检偏器。我们慢慢转动检偏器，就会发现透过的光的强度会发生变化。当检偏器转了90度的时候，光就完全看不到了，再转90度，光又最强了。这就很好地证明了偏振光和检偏器之间的这种关系。四、光的偏振的应用1、3D电影原理咱们再回到开头说的3D电影。3D电影就是利用了光的偏振原理。电影放映的时候，是同时播放两个稍有不同的画面，这两个画面的光分别是偏振方向不同的偏振光。然后我们戴的3D眼镜呢，两个镜片就是两个偏振化方向不同的偏振片。左眼的镜片只允许其中一个偏振方向的光通过，这个光就是给左眼看到的画面；右眼的镜片只允许另一个偏振方向的光通过，这就是给右眼看到的画面。这样我们的左右眼看到不同的画面，大脑就会把它们组合成一个立体的画面啦。就像我们的两只眼睛看东西的时候，因为位置不同，看到的东西也有一点差别，大脑把这两个差别组合起来，我们就看到了立体的世界。2、汽车挡风玻璃的应用在汽车上也有光的偏振的应用哦。有时候阳光照在汽车挡风玻璃上，会有很强的反光，很刺眼，影响司机开车。现在有些汽车挡风玻璃就用到了偏振技术。在挡风玻璃上贴一层偏振膜，这个偏振膜的偏振化方向可以调整，使得从外面射进来的光经过偏振膜后，大部分的眩光（也就是那些杂乱反射的光，就像自然光中那些乱走的“蚂蚁”）被过滤掉了，司机就能更清楚地看到外面的道路了。3、摄影中的偏振镜喜欢摄影的同学可能知道偏振镜。在摄影的时候，有时候会遇到一些问题，比如水面或者玻璃表面的反光。这些反光会让照片看起来不清晰或者颜色不好看。当我们在镜头前面加上一个偏振镜（其实就是一个偏振片），调整偏振镜的偏振化方向，就可以把这些反光给消除掉。因为这些反光是偏振光，我们只要让偏振镜的偏振化方向和反光的偏振方向垂直，反光就不能进入镜头了。这样拍出来的照片，水面下的东西或者玻璃后面的东西就能更清楚地被拍出来了。五、光的偏振在科学研究中的应用1、研究晶体结构晶体的结构是很复杂的，但是光的偏振可以帮助我们研究它。因为晶体对光的偏振有特殊的作用。不同结构的晶体，对偏振光的传播和影响是不一样的。就像我们有不同形状的锁，不同结构的晶体就像不同形状的锁，偏振光就像钥匙。我们把偏振光这个“钥匙”照射到晶体这个“锁”上，通过观察偏振光在晶体中的传播情况，比如光的强度变化、偏振方向的改变等，就能推断出晶体的结构。这就好比我们通过钥匙能不能插进锁里，以及插进去之后转动的情况，来判断锁的内部结构一样。2、天文学中的应用在天文学里，光的偏振也很有用。宇宙中的很多天体都会发出光，这些光在传播的过程中会受到星际物质的影响。星际物质会使光产生偏振现象。科学家们通过研究天体发出的光的偏振情况，可以了解星际物质的分布、密度、磁场等信息。比如说，磁场可以改变光的偏振方向。所以当我们观察到光的偏振方向发生了变化，就可能推断出那里存在磁场。这就像是我们通过观察风里的树叶（光的偏振）的飘动方向，来判断风（磁场）是从哪里吹来的一样。六、光的偏振的数学描述（这里会用到一些简单的数学知识哦）1、马吕斯定律当偏振光通过检偏器的时候，透过检偏器的光的强度是和偏振光的初始强度以及检偏器和偏振光的振动方向之间的夹角有关的。马吕斯定律就描述了这种关系。马吕斯定律说，透过检偏器的光强I和入射偏振光的光强I₀之间的关系是：I＝I₀cos²θ，这里的θ就是检偏器的偏振化方向和偏振光的振动方向之间的夹角。咱们来举个例子理解一下。假如我们有一束偏振光，它的初始光强I₀是10单位，当它通过一个检偏器，检偏器和偏振光振动方向的夹角θ是30度。那么根据马吕斯定律，透过检偏器的光强I＝10cos²30°＝10×（√3/2)²＝7.5单位。这就说明当夹角是30度的时候，光强会按照这个公式的计算结果发生变化。七、总结1、重点回顾同学们，咱们今天学了光的偏振的概念，要记住自然光和偏振光的区别，就像记住乱走的蚂蚁和整齐走的蚂蚁一样。还要记住偏振片的作用，起偏器和检偏器是怎么回事，这就像记住筛子怎么过滤东西一样。光的偏振的应用可是很重要的哦，3D电影、汽车挡风玻璃、摄影中的偏振镜，还有在科学研究中的应用，这些都是我们要掌握的重点。马吕斯定律这个公式I＝I₀cos²θ也要记住，它可以帮助我们计算偏振光通过检偏器后的光强。2、难点理解对于一些同学来说，可能理解光的偏振的概念，尤其是电场矢量的振动方向这些比较抽象的概念有点难。大家可以多想想我们举的那些例子，