神奇的偏振光
壹、活動目標 Goal
了解光的偏振特性,用偏振片觀察生活周遭的偏振光,以及觀察透明材料的雙折射特性
大概念 Big Idea
無
核心問題(探究問題) Essential Question
無
教學對象
國中生
教學時間
10分鐘
作者(服務單位)
曾賢德
通訊作者e-mail
sdtzeng@mail.ndhu.edu.tw
貳、課程綱要對照 Course Outline
無
參、活動原理 Theory
光是一種電磁波,也就是由交替的電場跟磁場所構成的波動。我們一般所稱的“光波”,常指肉眼可以看得到的可見光,波長約略為 400奈米到700奈米(1奈米 = 0.0000001公分)。如果我們把電磁波中的電場震盪,看成像是繩波的傳遞一般,那繩子上下震盪的方向就猶如電場的震盪方向,也就是這個電磁波的“偏振”方向。電磁波的電場和磁埸方向相互垂直,而電場和磁埸則又都垂直於波行進的方向。
第二頁上傳
全通過(僅少量被吸收)。
(ii) 如果第二偏振片與線偏振光的偏振方向互相垂直,則線偏振光會無法通過。
(iii) 如果第二偏振片與線偏振光的偏振方向有一個夾角θ,則通過的光強度正比於 cos2θ。
除了利用偏振片外,另一得到偏振光的方法為:利用不同偏振方向的光具有不相等的反射率。入射光從介質表面反射時,當入射光是以一個特定的角度入射時,稱為“布魯斯特角” (Brewster angle)θB,則光只有在偏振方向垂直於入射面時,才能反射回來;而偏振方向平行於入射面時,則完全穿透(如下圖所示)。因此,布魯斯特角θB 是指使反射光完全偏振的入射角,稱為偏振角。當入射角等於布魯斯特角θB 時,則反射光較弱,但為百分之百的偏振光;而穿透光較強,但只有部分有偏振。
當入射角為布魯斯特角時,反射線與入射線互相垂直。因此,入射角為θB 而折射角為θr,則 θB +θr = 900。根據折射定律n1sinθB =n2 sinθr ,可得
n1sinθB =n2 sin(900 −θB) =n2 cosθB ,因此tanθB =nn12 。當光源是由空氣照上玻璃或塑膠表面,n1 為空氣折射率(~1),n2 為玻璃或塑膠折射率(~1.5)。此時依公式得到的布魯斯特角約為 56 ~ 58 度角。
另外,許多透光材料具有所謂“雙折射性”,亦即光在這材料理面的折射率會有方向性,不同方向的偏振光在雙折射材料裡面走的速度會不一樣。這會造成不同光軸方向的光波彼此產生相位變化,進而改變光的偏振方向。本實驗也將觀察此一有趣現象。
另外,許多透光材料具有所謂“雙折射性”,亦即光在這材料理面的折射率會有方向性,不同方向的偏振光在雙折射材料裡面走的速度會不一樣。這會造成不同光軸方向的光波彼此產生相位變化,進而改變光的偏振方向。本實驗也將觀察此一有趣現象
肆、活動材料 Material
實驗器材
偏振片2片,透明塑膠(如透明膠帶等等)數種、剪刀、示範教材、解說圖卡。
實驗藥品
無。
伍、活動步驟 Step
第一部分
1. 學生就位後先向關主問候,並開始聽取關主講解及示範。
2. 關主可先講解電磁波的偏振,以及偏振片的工作原理(效果)。
3. 發給每名學生兩片偏振片以及一些透明塑膠片。
4. 示範重疊兩片偏振片,看出偏振片的工作原理。
(此部分預估花3-5分鐘)
第二部分
1. 取一片偏振片,對著桌面的反光,觀察偏振片旋轉時看到的反光強度變化。
2. 講解桌面反光會有比較多水平偏振光。
3. 教同學從觀察桌面的反光,來決定偏振片的偏振方向。
(此部分預估花2-3分鐘)
第三部分
1. 讓兩片偏振片方向互相垂直,此時看到幾乎不透光。然後兩偏振片中間插入一透明塑膠物,觀察透明塑膠物插入所造成的效果。
2. 解釋此現象的原理。(材料的雙折射性)
3. 可以在塑膠上產生折痕,或是貼出不同厚度的膠帶,觀察偏振光通過它們的變化。
4. 學生感謝關主指教,即完成此關。
(此部分預估花5-7分鐘)
教案學習單
(待調整)
舉例說明,生活中常見的酸鹼原理?
實作注意事項
實驗安全事項
(1)無
實驗廢棄物處理
(1) 無,可讓學生帶回偏振片。使用的透明塑膠應加以分類、回收。
教學心得
(1)此一實驗容易操作,可以用偏振片來觀察生活周遭許多以前沒注意到的光學現象及材料特性。
參考資料
1. https://zh.wikipedia.org/wiki/偏振片
闖關活動(十分鐘)
無
預算表
每人次/每組的材料及預算(*以一組為單位)
項目.材料 / 數量/金額 (元)
偏振片(約4cm x 5cm) / 每人2片/10
透明塑膠叉 / 每人1支/1
透明膠帶/數小段/0
其他透明塑膠(註)/0
(註1) 可準備數捲一般透明膠帶,及數把安全剪刀。
(註2) 可請學生自備或拿資源回收的透明塑膠,如寶特瓶、透明塑膠袋、透明膠片等等。
總計 / 每人次(或每組)/$4.5