選修3-4 13.6 光的偏振

光的幹涉和衍射現象說明光具有波動性，但不能由此確定光究竟是橫波還是縱波。

本節課討論光的偏振現象，說明光是橫波。

一、偏振現象

1. 橫波與縱波的不同與區分

通過上一章《機械波》的學習，我們了解到，在縱波中，各點的振動方向總與波的傳播方向在同一直線上，比如彈簧波。在橫波中，各點的振動方向總與波的傳播方向垂直，比如繩波。

不同的橫波，振動方向可能不同。

比如，一根軟繩，可以在空中上下抖動，也可以在水平地面上左右抖動，就可以使質點在豎直平面內沿著上下方向振動或者在水平面內沿著左右方向振動。

當然，對於一列確定的橫波，它的振動方向是確定的。

演示實驗1

（1）取一根軟繩，一端固定在牆上，手持另一端上下抖動，軟繩上形成一列橫波，質點在豎直平面內沿著上下方向振動。

（2）現在讓軟繩穿過一塊帶有狹縫的木板。如圖甲、乙所示分別將狹縫與振動方向平行放置及與振動方向垂直放置，觀察發生的現象。

可以看到，對於甲圖的情形，繩上的橫波能夠穿過狹縫，而對於乙圖的情形則不能。

設想，如果是在一條彈簧上傳播的縱波，無論狹縫取向如何，波都能穿過。

從上面的實驗可以看出：

橫波無法穿過與它振動方向垂直的「狹縫」繼續傳播。

而縱波的傳播不受任何方向的「狹縫」的影響。

因此，我們可以用這個方法來區分橫波與縱波。

對於光是橫波還是縱波，我們也可以用類似的辦法來確定。

只是，上述的「狹縫」，需要用偏振片來代替。

2. 光的偏振現象

偏振片由特定的材料製成，每個偏振片都有一個特定的方向，只有沿著這個方向振動的光波才能通過偏振片，這個方向叫做透振方向。

下面就利用偏振片來做實驗，判斷光波是橫波還是縱波。

（1）如圖甲所示，讓陽光或燈光通過偏振片P，在P的另一側觀察，可以看到偏振片是透明的。只是透射光暗了一些。以光的傳播方向為軸旋轉偏振片P，透射光的強度保持不變。

（2）在偏振片P的後面再放置另一個偏振片Q，如圖乙所示，以光的傳播方向為軸旋轉偏振片Q，如圖丙所示，觀察通過兩塊偏振片的透射光的強度變化。

演示實驗2

3. 對上述實驗現象的解釋

如圖所示，太陽、電燈等普通光源發出的光，包含著在垂直於傳播方向上沿一切方向振動的光，而且沿著各個方向振動的光波的強度都相同。這種光是「自然光」 。

自然光通過偏振片P（叫做起偏器）之後，只有振動方向與偏振片的透振方向一致的光波才能通過。通過偏振片P的光波，在垂直於傳播方向的平面上，只沿著某個特定的方向振動。這種光叫做偏振光。

通過偏振片P的偏振光再通過偏振片Q（叫做檢偏器）時，如果兩個偏振片的透振方向平行，那麼，通過P的偏振光的振動方向與偏振片Q的透振方向一致，可以透過Q；這種情況下，視頻中的小球看得最清楚。

如果兩個偏振片的透振方向垂直，那麼，偏振光的振動方向跟偏振片Q的透振方向垂直，不能透過Q。這種情況下，視頻中的小球就完全看不到了。

如果兩個偏振片的透振方向即不平行也不垂直，那麼，還會有一定強度的光透過Q。

實驗表明，光是一種橫波。

4. 結論

（1）振動方向對於傳播方向的不對稱性叫做偏振。

（2）偏振現象是橫波區別於縱波的一個最明顯的標誌，只有橫波才有偏振現象。

5. 如何獲得偏振光

光的偏振現象並不罕見。除了從太陽、電燈等光源直接發出的光以外，我們通常看到的絕大部分光，都是不同程度的偏振光。自然光在玻璃、水面、木質桌面等表面反射時，反射光和折射光都是偏振光。入射角變化時偏振的程度也有所變化。

（在反射光中，振動方向垂直於紙面的光較強。）

二、偏振現象的應用

1．照相機鏡頭前裝一片偏振濾光片，可以使水下和玻璃後的影像清晰。

2．電子表的液晶顯示也用到了偏振光。

3．立體電影也是應用了光的偏振現象。

【典題訓練】

1．下列關於偏振光的說法正確的是（  ）

A．自然光就是偏振光

B．沿著一個特定方向傳播的光叫偏振光

C．沿著一個特定方向振動的光叫偏振光

D．單色光就是偏振光

2．如圖所示，P是一偏振片，P的透光方向用帶箭頭的實線表示為豎直方向。下列四種入射光束中哪幾種照射P時能在P的另一側觀察到透射光（  ）

A．太陽光

B．沿豎直方向振動的光

C．沿水平方向振動的光

D．沿與豎直方向成45°角振動的光

3．在垂直於太陽光的傳播方向前後放置兩個偏振片P和Q。在Q的後邊放上光屏，以下說法正確的是（ ）

A．Q不動，旋轉偏振片P，屏上光的亮度不變

B．Q不動，旋轉偏振片P，屏上光的亮度時強時弱

C．P不動，旋轉偏振片Q，屏上光的亮度不變

D．P不動，旋轉偏振片Q，屏上光的亮度時強時弱

4．如圖所示，點燈S發出的光先後經過偏振片A和B，人眼在P處迎著入射光方向，看不到光亮。則（  ）

A．圖中a光為偏振光

B．圖中b光為偏振光

C．將B轉過180°後，在P處將看到光亮

D．將B轉過90°後，在P處將看到光亮

5．夜晚，汽車前燈發出的強光將迎面駛來的汽車司機照得睜不開眼，嚴重影響行車安全。若考慮將汽車前燈玻璃改用偏振玻璃，使射出的燈光變為偏振光；同時汽車前窗玻璃也採用偏振玻璃，其透振方向正好與燈光的振動方向垂直，但還要能看清自己車燈發出的光所照亮的物體。假設所有的汽車前窗玻璃和前燈玻璃均按同一要求設置，如下措施中可行的是（  ）

A．前窗玻璃的透振方向是豎直的，車燈玻璃的透振方向是水平的

B．前窗玻璃的透振方向是豎直的，車燈玻璃的透振方向是豎直的

C．前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°，車燈玻璃的透振方向是斜向左上45°

D．前窗玻璃和車燈玻璃的透振方向都是斜向右上45°

6．如圖所示，一玻璃柱體的橫截面為半圓形，讓太陽光或白熾燈光通過狹縫S形成細光束從空氣射向柱體的O點(半圓的圓心)，產生反射光束1和透射光束2。現保持入射光不變，將半圓柱繞通過O點垂直於紙面的軸線轉動，使反射光束1和透射光束2恰好垂直。在入射光線的方向上加偏振片P，偏振片與入射光線垂直，其透振方向在紙面內，這時看到的現象是（  ）

A．反射光束1消失

B．透射光束2消失

C．反射光束1和透射光束2都消失

D．偏振片P以入射光線為軸旋轉90°角，透射光束2消失

7．一段時間以來「假奶粉事件」鬧得沸沸揚揚，奶粉中的碳水化合物(糖)的含量是一個重要指標，可以用「旋光法」來測量糖溶液的濃度，從而鑑定含糖量。偏振光通過糖的水溶液後，偏振方向會相對於傳播方向向左或向右旋轉一個角度α，這一角度α稱為「旋光度」，α的值只與糖溶液的濃度有關，將α的測量值與標準值相比較，就能確定被測樣品的含糖量了。如圖所示，S是自然光源，A、B是偏振片，轉動B，使到達O處的光最強，然後將被測樣品P置於A、B之間，則下列說法中正確的是（  ）

A．到達O處光的強度會明顯減弱

B．到達O處光的強度不會明顯減弱

C．將偏振片B轉動一個角度，使得O處光強最大，偏振片B轉過的角度等於α

D．將偏振片A轉動一個角度，使得O處光強度最大，偏振片A轉過的角度等於α

8．光的偏振現象說明光是橫波。下列現象中不能反映光的偏振特性的是（  ）

A．一束自然光相繼通過兩個偏振片，以光束為軸旋轉其中一個偏振片，透射光的強度發生變化

B．一束自然光入射到兩種介質的分界面上，當反射光線與折射光線之間的夾角恰好是90°時，反射光是偏振光

C．日落時分，拍攝水面下的景物，在照相機鏡頭前裝上偏振濾光片可以使景象更清晰

D．通過手指間的縫隙觀察日光燈，可以看到彩色條紋

9．縱波不可能產生的現象是（  ）

A．幹涉現象     B．偏振現象     C．反射現象     D．衍射現象

10．兩個偏振片緊靠在一起，將它們放在一盞燈的前面以致沒有光通過．如果將其中的一片旋轉180°，在旋轉過程中，將會產生下述的哪一種現象（  ）

A．透過偏振片的光強先增強，然後又減小到零

B．透過的光強先增強，然後減小到非零的最小值

C．透過的光強在整個過程中都增強

D．透過的光強先增強，再減弱，然後又增強

11．關於光的偏振現象，下列說法中正確的是（  ）

A．偏振光沿各個方向振動的光波的強度都相同

B．自然光在水面反射時，反射光和折射光都是一定程度的偏振光

C．光的偏振現象說明光是一種縱波

D．照相機鏡頭表面的鍍膜是光的偏振現象的應用

12．能說明光是一種橫波的光學現象是（  ）

A．光的偏振現象     B．光的幹涉現象     C．光的衍射現象     D．光的色散現象

13．在拍攝日落時分水面下的景物時，應在照相機鏡頭前裝一個偏振片，其目的是（  ）

A．減少陽光在水面上的反射光

B．阻止陽光在水面的反射光進入照相機鏡頭

C．增強光由水面射入空氣中的折射光進入鏡頭的強度

D．減弱光由水面射入空氣中的折射光進入鏡頭的強度

14．關於偏振現象，下列說法中正確的是（  ）

A．偏振是波的特有現象

B．光的偏振現象證明了光具有波動性

C．只有振動方向和透振方向互相垂直的光才能通過偏振片

D．日光燈發出的是自然光，它包含著各個方向振動的光波

15．以下說法中正確的是（  ）

A．立體電影是應用了光的偏振現象

B．用光導纖維傳輸圖像和信息，這是利用了光的全反射原理

C．泊松亮斑是泊鬆通過實驗發現的，它屬於光的衍射現象

D．在給玻璃櫥窗裡的文物拍照時，在照相機鏡頭前安裝一偏振濾光片的目的是以減弱反射光使文物清晰

參考答案：

【典題訓練】

1．C   2．ABD   3．BD   4．BD   5．D   6．AD   7．ACD   8．D

9．B   10．A   11．B   12．A   13．B   14．BD   15．ABD

（上述題目源自「中學學科網」，供學習參考。）

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