9.高中物理實驗教案設計

光偏振自動化實驗

• 實驗目標

  • 觀察光穿過偏振片所產生光強度的變化，瞭解光偏振片的偏振性質

• 架設原理

  • 利用 Arduino 操控步進馬達旋轉偏振片，使雷射光通過第一片固定的偏振片之後，射入第二片旋轉的偏振片。之後透過 Arduino 配合光敏電阻讀取光強度的變化數據進行分析，得到兩片偏振片之間的夾角與光強度之關係圖。

• 什麼是Malus' Law ?

  • 光屬於電磁波的一種，而電磁波的偏振方向，定義為電磁波電場的震盪方向，在真空中或者在均勻的介質當中，與電磁波的行進方向互相垂直。

  • 偏振片是經常運用來獲得線性偏振光的工具之一，它可以對入射光束的電場進行選擇，僅讓特定偏振方向的光束通過。

  • 一道非偏振光依序通過兩片偏振片，兩片偏振片可通過的電場方向形成的夾角為 α。若通過第一片偏振片後的電場振幅為 E0，通過第二片偏振片之後的電場振幅為 E0cos(α)。

  • 光束的強度 I 在通過第一片偏振片後為𝐼0 = (𝑐(𝜀0 )^2)*(𝐸0^2)/2，而通過第二片偏振片後的強度則為𝐼(𝛼) = (𝑐(𝜀0 )^2)*((𝐸0𝑐𝑜𝑠𝛼)^2)/2

• 實驗設備架設

  • 裁出一片圓形紙片(小於偏振片大小，越小越好)貼於偏振片中心，再將紙片黏至步進馬達上。

  • 使用三用電表量測步進馬達的線兩兩之間的電阻，將會產生電阻的兩條線視為一組(若有三條線則取兩兩間電阻最大的兩條)，同一組的線接入驅動器的A+A-和B+B-。

  • 步進馬達驅動器另一邊為控制區，其中PUL+連至arduino D7，PUL-連至arduino GND。

  • 使用電線接頭將火線與地線分別鎖在電源供應器上提供交流電使其轉換為直流電後供應步進馬達運作所需之電力。（註：在接上整個實驗架設前，需先通電測試是否能正常運作，且將其插在延長線上，以確保實驗安全。)

  • 將電源供應器上的 V+接到步進馬達驅動器的 Vcc，COM 接到 GND。

  • 將雷射、需固定之偏振片、步進馬達上的偏振片、麵包板平行排列，利用紙板及紙片使雷射光在穿過第一片固定的偏振片之後，可以完整通過第二片步進馬 達上需旋轉的偏振片設置後方麵包板上的光敏電阻。
    （註：麵包板上接線如下圖二所示）

  • 按圖二所示接好麵包板上的線，麵包板為左右各兩排依畫線方向縱向相通，中間有標字母的區域橫向相通，可以需求更改配線位置。

  • arduino程式範例如下圖三所示。

• 實驗步驟

  1. 按上述接好實驗架設後(電阻大小可自行選擇 )，開啟電源供應器之電源並運行arduino程式

  2. 開啟序列阜監控視窗，將讀取到一份的數據(1.8~360)複製至Excel
     （註：在步進馬達運作的過程中，如果長時間使用出現發燙情形為正常現象，先將電源供應器關閉使其降溫後再繼續使用。）

  3. 將Excel另存為csv檔帶入python擬合程式進行擬合

  4. 改變電阻值重複上述步驟

  5. 比較不同電阻值量測出的區間差異

• 實驗設計

1. 利用Autodesk Fusion 360繪製所需的零件

2. 使用3D列印機印出零件並對其做細微修正

3. 將物件依序黏至長形木板上方組合成最終實驗裝置

4. 3D列印零件與成品圖如下圖八~圖?所示

• 實驗操作

  1. 將雷射、偏振片、光敏電阻、反射玻璃放至指定位置

  2. 找出兩片偏振片之間最亮/最暗的角度，將其黏至指定位置

  3. 雷射與光敏電阻的接法如同上個實驗所示

  4. 固定入射角度旋轉光敏電阻前方的偏振片至讀取到的光強度最弱，並記錄此時偏振片的角度

  5. 旋轉反射玻璃改變入射角度重複步驟4，找出紀錄中光強度最弱時的入射光角度，即為布魯斯特角

  6. 透過公式計算可得該玻璃的反射係數