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光 的 偏 振

簡 介

你 應 該 見 過 放 在 櫥 窗 的 太 陽 眼 鏡 。 其 實 我 們 可 用 一 個 很 快 的 方 法 去 測 試 鏡 片 是 否 濾 光 , 就 是 將 兩 對 太 陽 眼 鏡 的 鏡 片 重 疊 , 並 將 其 中 一 對 轉 動 90° 。 如 兩 對 太 陽 眼 鏡 都 能 濾 光 , 鏡 片 看 上 去 會 轉 為 黑 色 。 你 知 道 是 什 麼 原 因 嗎?

要 解 釋 為 何 鏡 片 會 轉 暗 , 我 們 可 將 光 想 像 成 電 磁 波 , 而 電 磁 波 中 是 有 一 與 波 動 方 向 垂 直 的 電 磁 場 的 。 這 個 實 驗 集 中 於 以 向 量 代 表 的 電 場 的 變 化 。 由 一 般 光 源 產 生 出 的 光 , 如 電 筒 等 都 是 無 規 偏 振 , 這 表 示 當 中 的 電 向 量 是 向 著 不 同 的 方 向 的 。

一 個 理 想 的 偏 振 濾 波 器 會 將 所 有 不 是 與 濾 波 器 的 軸 平 行 的 電 場 移 走 , 餘 下 來 的 光 被 稱 為 偏 振 光 。 第 二 個 濾 波 器 才 是 用 來 偵 測 偏 振 的 , 在 此 可 稱 為 儉 偏 振 器 。 能 透 射 過 第 二 個 濾 波 器 的 光 是 與 兩 個 濾 波 器 的 軸 之 間 所 形 成 的 角 度 有 關 的 。 在 這 個 實 驗 中 , 我 們 會 研 究 穿 過 兩 個 偏 振 濾 波 器 的 光 強 度 與 濾 波 器 的 軸 之 間 的 角 度 的 關 係 。

 


學 習 目 標

觀 察 當 光 線 穿 過 偏 振 濾 波 器 時 , 光 強 度 的 轉 變 。
量 度 穿 過 偏 振 濾 波 器 的 光 線 與 濾 波 器 兩 軸 夾 角 的 關 係 。 將 結 果 與 Malus' Law 比 較 。

實 驗 儀 器

已 接 駁 電 腦 之 數 據 收 集 器
數 據 收 集 器 軟 件
光 度 感 應 器
光 源
有 標 示 軸 的 偏 振 濾 波 器 2 個
量 角 器

步 驟

1. 將 光 源 、 偏 振 濾 波 器 及 光 度 感 應 器 設 置 好 。 讓 光 源 經 過 偏 振 濾 波 器 再 被 光 度 感 應 器 接 收 。 我 們 只 會 轉 動 其 中 一 個 濾 波 器 , 而 光 源 、 光 度 感 應 器 和 另 一 個 濾 波 器 在 實 驗 中 是 固 定 的 。 可 先 開 啟 光 源 。

2. 將 光 度 感 應 器 與 數 據 收 集 器 連 接 好 。 將 光 度 感 應 器 的 量 度 範 圍 設 定 在 600-Lux 。

3. 開 啟 實 驗 工 作 紙 及 數 據 收 集 器 軟 件 , 預 備 一 個 光 強 度 對 儉 偏 振 器 夾 角 的 圖 線 。

4. 轉 動 儉 偏 振 器 直 至 光 度 感 應 器 的 讀 數 達 到 最 大 值 , 如 讀 數 大 於 600-Lux , 便 需 將 光 源 的 強 度 降 低 。 再 次 轉 動 儉 偏 振 器 ,並 得 出 感 應 器 的 最 大 讀 數 。 這 時 兩 個 偏 振 濾 波 器 的 軸 應 是 平 行 的 , 而 現 在 濾 波 器 軸 的 夾 角 設 定 為 零 。

5. 設 定 濾 波 器 間 的 夾 角 到 直 角 , 這 時 應 該 只 得 最 少 的 光 線 能 穿 過 兩 個 濾 波 器 , 我 們 設 定 這 時 的 光 強 度 為 零 。

6. 將 儉 偏 振 器 回 復 至 與 另 一 濾 波 器 軸 成 水平 位 置 。 啟 動 數 據 收 集 器 軟 件 , 並 開 始 收 集 數 據 。

7. 將 儉 偏 振 器 轉 動 15° , 記 錄 夾 角 為 15° 時 的 光 強 度 。 重 複 步 驟 直 至 儉 偏 振 器 完 成 一 週 的 旋 轉 , 即 360° 。
 

分 析

1. 將 一 個 偏 振 濾 波 器 放 在 另 一 個 偏 振 濾 波 器 之 前 , 試 透 過 兩 個 濾 波 器 觀 看 , 當 轉 動 其 中 一 個 濾 波 器 至 兩 軸 成 為 直 角 , 你 觀 察 到 哪 些 現 象 呢 ?
2. 轉 動 其 中 一 個 濾 波 器 至 兩 軸 平 行 。 再 慢 慢 將 其 中 一 個 濾 波 器 轉 動 180° 。 將 你 所 得 到 的 光 度 數 據 繪 成 圖 線 , 並 得 出 與 濾 波 器 兩 軸 夾 角 的 關 係 。
3. 試 描 述 一下 你 的 光 強 度 對 角 度 的 圖 線 。
4.

約 1800 年 時 Malus 建 議

去 預 測 穿 過 兩 個 偏 振 濾 波 器 的 光 線 。 代 表 當 偏 振 濾 波 器 軸 之 間 的 夾 角 等 於 零 時 的 光 強 度 , 是 兩 個 偏 振 濾 波 器 軸 之 間 的 夾 角 。

5. 比 較 一 下 你 得 出 的 結 果 是 否 與 Malus' Law 合 ?

 

 
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