大学物理——光的偏振.doc

大学物理——光的偏振
章节名称
第十九章 光的偏振
教师姓名
王晓勇
教学目的
（1） 了解光的几种偏振态以及椭圆偏振光的获得
（2） 掌握线偏振光获得和检验
（3） 掌握马吕斯定律
（4） 掌握折射光与反射光的偏振特点
教学内容
（1） 光的几种偏振态以及椭圆偏振光的获得
（2） 线偏振光的获得和检验
（3） 马吕斯定律
（4） 折射光与反射光的偏振特点
教学重点
（1） 光的起偏、检偏及其光强的变化规律
（2） 马吕斯定律
教学手段
口授、板书、插图、多媒体
教学方法
用插图结合动画，直观地介绍偏振光的几种偏振态及其特征，顺序引出几种偏振光的产生和检验。
教学内容
教学设计
光的干涉和衍射现象揭示了光的波动性，还不能确定光是横波还是纵波。
问题：光是横波还是纵波？
偏振现象是横波最有力的实验证据，横波的振动方向对传播方向没有对称性，振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于纵波的一个最明显的标志，只有横波才有偏振现象。光波是电磁波，电振动矢量和磁振动矢量都与传播速度垂直，因此，光波是横波，具有偏振性。在光和物质相互作用的过程中，主要起作用的光波的电场强度矢量，称为光波的光矢量。
★光的偏振的引入，如果在第十七章前面讲解，先应介绍光学的历史和光源的发光机理。

一、概念：
偏振态：光矢量的某一确定的振动状态称为光的一种偏振态
光矢量：电磁波中的电场E分量称为光矢量
偏振面：光矢量与光传播方向决定的平面，称为光的偏振面
★介绍基本概念，便于后面讲解
二、常见偏振态及特征

偏振光
完全偏振光
部分偏振光
线偏振光
椭圆偏振光
圆偏振光
自然光

★用插图、动画动态讲解光的几种偏振态
教学内容
教学设计
图19-1
(1).线偏振光(平面偏振光)
定义：光矢量在一固定平面内沿一固定方向振动的偏振光
图19-3
特征：偏振面为一固定平面
如图19-1所示
(2).自然光
图19-2
定义：大量原子随机发射的光波列的集合，每个光波列的频率、相位、
振动方向、波列长度均不同，振动方向具有以轴为中心对称、均匀分布且各方向光振动的振幅相等的光线 ，如图19-2所示
特征：振动方向、振幅轴对称且均匀分布各振动方向之间相位没有相互关系
如图19-3所示，用两个特殊方向表示自然光，每一方向光矢量的强度为总能量的一半。
（3）部分偏振光
光矢量的振动方向不具有轴对称分布，而是在某一方向占优势，实际光矢量和图示分别如图19-4和19-5所示。

图19-4

图19-5

★提示：插图、动画为本讲的重要教学手段，使概念形象化，便于学生理解和掌握。

★主要以教师讲授为主
教学内容
教学设计
(4).椭圆偏振光
定义：在垂直于光传播方向的平面内，光矢量沿椭圆轨道以确定角速度旋转(左或右旋转)的光线，称椭圆偏振光。图19-6所示
特征：光矢量旋转的角速度恒定，且其强度不同，光矢量可以看作为两个互相垂直、同频率、相位差确定的线偏振光的叠加。
图19-6

当时为椭圆偏振光
当，且振幅相等时为圆偏振光
图19-7
（5）圆偏振光
圆偏振光在旋转过程中强度相同，其它特征与椭圆偏振光相同。

图19-8

★椭圆和圆偏振光的理论解析，应提醒学生注意椭圆偏振光和圆偏振光的区别。
教学内容
教学设计
三、起偏、检偏与马吕斯定律
（1）相关概念
起偏：将自然光变为线偏振光的过程，称为起偏
起偏器：使自然光线变为线偏振光线的光学仪器，称起偏器
检偏：检验某束光是否为偏振光的过程，称为检偏
检偏器：用来检验光线是否为偏振光的仪器，称为检偏器
偏振片：只容许光线的某一特定振动方向通过的仪器，自然光通过偏振片后得到线偏振光。偏振片也可以作为检偏振器来使用。
偏振化方向：偏振片容许光线某一特定振动方向通过，称该方向为偏振片的偏振化方向。
（2）起偏与检偏
一般使用使自然光通过偏振片的办法来得到线偏振光。偏振片用具有二向色性的透明薄片制成，它能吸收某一方向的振动，而只让与这个方向正交的光振动通过。
用偏振片也可以判断偏振光的类别
自然光：偏振片旋转一周，透射光的光强不会发生任何变化，这束光是自然光。
部分偏振光：偏振片旋转一周，透射光的光强会发变化，但不出现消光现象，这束光是部分偏振光。
线偏振光：偏振片旋转一周，透射光出现两次最强光与两次消光现象，这束光是线偏振光。
(3)马吕斯定律
强度为的线偏振光，透过检偏器后，透射光的强度为 （19-1）
式中是线偏振光的光振动方向和检偏器偏振化方向之间的夹角，
图19-9
图19-9中为线偏振光的振动方向，为检偏器的偏振化方向，将线偏振光的振动方向分解为与检偏器的偏振化方向平行和与检偏器的偏振化方向垂直，只有平行与与检偏器的偏振化方向的分量才能通过检偏器，因此，透射光的振幅为，是入射线偏振光的振幅，透射光的光强为。从上式看出，当时，透射光强最大，等于入射光强。当时，透射光强最小，为0。

★强调本讲教学重点，引导学生推导马吕斯定律，加深理解。
教学内容
教学设计
例题1.一束光是自然光和线偏振光的混合光，当它垂直通过一偏振片后，随着偏振片的偏振化方向取向不同，出射光强度可以变化5倍。问：入射光中自然光与线偏振光的强度各占入射光强度的百分比为多少？
解：由马吕斯定律
式中I0、I1分别为入射光中自然光与线偏振光的强度
由题意可知
解得：
自然光所占的百分比：，线偏振光所占的百分比：
例题2.强度相等的自然光与线偏振光混合在一起，透射几个叠加在一起的偏振片求：（1）欲使最后出射光振动方向垂直于原入射光线中的线偏振光的振动方向，且入射光中两种成分的光在出射光线中强度相等，至少需要几个偏振片？它们的偏振化方向如何？
(2)这种情况下最后出射光强与入射光强的比值是多少？
解：(1)自然光透射偏振片后的光强

线偏振光透射偏振片后的光强

如果两种成分光线透射后的光强相等，则在之后所通过的所有偏振片后的光强都相等，于是
其中，q为线偏振光与偏振片偏振化方向的夹角。欲使最后的出射光线与入射光中的线偏振光偏振方向垂直，则还需要一偏振片，其偏振方向与第一偏振片的出射光夹角为450。
（2）

★选取一道典型例题，加深对所讲课程的理解。
教学内容
教学设计
四、光、折射光的偏振
（1）实验现象
a.反射光与入射光都是部分偏振光，图19-10所示。
b.在一般情况下
反射光：垂直于入射面的光振动多于平行于入射面的光振动
折射光：平行于入射面的光振动多于垂直于入射面的光振动
c.反射光与折射光的偏振化程度与入射角有关
（2）布儒斯特定理
图19-10
a. 布儒斯特定理：当入射角等于某一特定值i0时，反射光是光振动垂直于入射面的线偏振光
其中，i0称布儒斯特角或偏振角
b.布儒斯特角与折射角的关系

布儒斯特角满足入射光线与折射光线相互垂直
c.布儒斯特定理的应用
自然光以布儒斯特角入射时，反射是线偏振光，这样我们能通过反射得到线偏振光，当光以布儒斯特角入射到一片透明介质是，在没有吸收的情况下，透射光中电矢量的平行分量全部透射，根据这一性质，我们可以用使自然光以布儒斯特角透过玻璃片堆的办法，获得线偏振光。
偏振分光计：利用玻璃堆或多层介质薄膜(减少光的吸收)获得两束相互垂直偏振光的装置
激光器的布儒斯特窗：使激光器的反射腔轴线与反射镜法线成布儒斯特角，激光器只输出平行于入射面偏振方向的激光
偏振滤光片：只让某一偏振方向的偏振光通过的偏振片装置

★主要讲解概念，结合图，动画演示讲解。使现象形象化，便于学生理解和掌握。

★重点讲解部分，引导学生思考它的应用。
例：已知釉质材料在空气中的布儒斯特角i0=580
求：(1).釉质材料的折射率。
　　(2).将其放入水中(水的折射率n=1.33)，求其布儒斯特角，及其相对于水的折射率？
.解：（1）
（2）解：（1）
（2）

★选取一道典型例题，加深对所讲课程的理解。
★作业
要求学生把有关马吕斯定律和反射光和折射光的偏振方面的习题各做一道，以巩固课堂教学成果，提高学生应用所掌握的基本原理来解决实际问题的能力。

★课后思考题
1.两块性质完全相同的偏振片平行放置，其通光方向P1，P2间夹角为/6。光强为I0的自然光垂直入射，经过第一块偏振片后的光强为0.32I0，求经过第二块偏振片后的出射光强（有吸收情况）？
2.光在两种介质的表面折射时，是否都遵守折射定律？

程守洙等主编的《普通物理学》第十九章课后作业选做两题

布置课后思考题，下次课提问学生

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