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光学

光的偏振

相对起偏器旋转检偏器,通过读取多个角度下的透射强度和电场投影,验证线偏振光的马吕斯定律 I=I0cos⁡2θI=I_0\cos^2\theta。

大学

⚠ 偏振演示常用激光或高亮 LED;即使透过偏振片也绝不要直视光束。

器材

  • 带电场矢量显示的虚拟起偏器–检偏器对
  • “检偏角 θ”滑块
  • “初始强度 I₀”滑块
  • “重置参数”按钮;透射强度读数

实验步骤

  1. 扫描检偏角

    把 θ 滑块从 0° 缓慢拖到 180°,读取透射强度。θ=0° 时最大,θ=90° 时为零(正交偏振片),180° 恢复——这是电场投影到检偏器轴上的 cos⁡2θ\cos^2\theta 特征。

  2. 定量检验 cos²θ

    把 θ 分别设为 30°、45°、60° 并记录各 I。将比值 I/I0I/I_0 与 cos⁡2θ\cos^2\theta 对比:预期为 0.75、0.50、0.25。透射的电场为 Ecos⁡θE\cos\theta,而强度正比于 E2E^2,故遵循 cos⁡2θ\cos^2\theta。

  3. 改变初始强度

    移动 I₀ 滑块,确认 cos² 形状不变——只是标度变了。然后在新 I₀ 下先预测 θ=0° 与 θ=90° 的读数再测量,并解释真实偏振片为何还会吸收约一半的非偏振入射光。

模拟

实验历史

艾蒂安-路易·马吕斯1808年发现窗户反射的光是偏振的——名称源自牛顿微粒说的“极”——并由实验发现检偏器透过的强度正比于 cos⁡2θ\cos^2\theta。奥古斯坦·菲涅耳很快在1820年代用横波重新诠释了这一效应。 电磁学基础随麦克斯韦方程组(1865)到来,偏振成为横向电场的属性。埃德温·兰德1928年发明的 Polaroid 偏振片把这一效应变成日常技术——相机滤镜、太阳镜,以及依赖电压控制偏振的液晶显示器。

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