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有趣的偏振光實驗
周鑑恆
國立蘭陽技術學院
光 是 一 種 橫 波 ， 光 的 電 場 振 動 的 方 向 與 行 進 方 向 垂 直 ， 而 光 的 電 場 振 動 方 向 就 是 所 謂 的 偏 振 方 向 。 雖 然 陽 光 是 偏 振 方 向 凌 亂 無 序 的 非 偏 振 光 ， 但 經 過 散 射 或 反 射 後 ， 就 可 能 變 成 偏 振 方 向 一 定 的 偏 振 光 。 偏 振 光 在 日 常 生 活 中 隨 處 可 見 ， 只 是 肉 眼 無 法 直 接 分 辨 罷 了 。 例 如 ： 蔚 藍 的 蒼 穹 是 由 於 高 空 稀 薄 的 空 氣 分 子 散 射 造 成 的 ， 所 以 藍 天 其 實 是 近 似 偏 振 光 ， 拍 攝 風 景 時 ， 如 果 天 空 太 亮，攝 影 師 多 用 偏 極 板（ 註 1） 製 成 的 濾 光 片 濾 掉 部 分 藍 天 的 亮 度 。 又 例 如，釣 魚 時，水 面 的 浮 光 耀 金，靜 影 沈 碧 ， 也 是 近 似 偏 振 光 ， 也 可 用 偏 極 板 製 成 的 太 陽 眼 鏡 濾 掉 ， 而 見 水 中 的 游 魚 ； 同 樣 的 情 形 ， 專 事 窺 探 名 人 隱 私 的 狗 仔 隊 也 遭 遇 得 到 ， 豪 華 轎 車 裹 的 是 是 非 非 ， 總 因 擋 風 玻 璃 的 反 光 而 變 得 模 模 糊 糊 ， 只 要 在 相 機 或 攝 影 機 鏡 頭 前 加 裝 偏 極 板 ， 濾 掉 擋 風 玻 璃 的 反 光（ 玻 璃 反 光 也 是 偏 振 光 ），車 內 人 物 即 原 形 畢 露 了 。 偏 振 光 的 應 用 還 有 很 多 ， 液 晶 顯 示 幕 和 利 用 某 些 透 明 物 體 双 折 射 現 象 的 光 測 彈 性 學 ， 都 是 著 名 的 例 子 。 光 測 彈 性 學 在 工 業 上 可 用 來 分 析 物 體 所 受 的 應 力 ， 因 其 彩 色 繽 紛 ， 常 令 觀 眾 驚 嘆 ， 物 理 課 本 介 紹 偏 振 光 時 多 會 提 及 。 本 文 結 合 色 彩 和 科 學 ， 特 別 著 重 於 視 覺 效 果 和 臨 場 氣 氛 ， 以 嶄 新 的 方 法 演 示 双 折 射 改 變 偏 振 的 現 象 。 所 須 的 器 材 如 下 ： 1.一 塊 硬 質 塑膠 製 的 三 角 板 或 圓 規。 2.一 塊 方 解 石。 3.兩 片 剪 裁 成 15×15 cm2的 偏 極 板 （ 仲 典 公 司 有 售 ， 價 格 便 宜 ）。 4.一 架 投 影 機。 5. 一 幅 普 通 的 銀 幕 （ 學 校 教 室 裏 用 的 即 可 ）。 6.一 幅 特 製 的 銀 幕 （ 將 美 術 用 的 三 夾 板 裁 成 所 須 的 尺 寸 ， 此 三 夾 板 反 光 面 的 粗 糙 度 ， 與 一 般 圖 畫 紙 相 似 即 可 ， 用 ” 電 鍍 銀 ” ﹝ 編 號 144﹞ 的 噴 漆 ， 均 勻 地 將 三 夾 板 的 反 光 面 噴 塗 成 銀 白 色 即 成 。 若 不 惜 成 本 ， 任 何 具 金 屬 光 澤 而 可 漫 射 的 表 面 均 可 代 用 。 ） 首 先 ， 將 投 影 機 轉 亮 ， 用 方 解 石 壓 住 放 在 投 影 機 面 板 上 的 投 影 片 ， 方 解 石 四 周 可 用 黑 色 紙 遮 住 ， 調 妥 聚 焦 ， 方 解 石 底 下 投 影 片 的 字 跡 即 投 影 在 一 般 銀 幕 上 ， 方 解 石 由 於 其 組 成 原 子 在 不 同 方 向 的 鍵 結 強 度 同 ， 而 具 有 双 折 射 的 特 性 ， 投 影 機 的 非 偏 振 燈 光 依 其 偏 振 方 向 不 同 ， 會 有 兩 種 折 射 角 度 ， 在 銀 幕 上 於 是 會 看 到 兩 個 重 疊 在 一 起 的 巨 大 影 像 。 換 言 之 ， 銀 幕 上 互 相 重 疊 的 字 跡 影 像 是 由 兩 道 偏 振 方 向 不 同 的 偏 振 光 造 成 的 。 因 此 ， 把 一 塊 偏 極 板 放 在 投科學教育月刊 第 285 期 中華民國九十四年十二月 - 40 - 影 機 鏡 頭 前 方 ， 逐 漸 改 變 偏 極 板 的 方 位 ， 則 可 分 別 濾 掉 其 中 之 一 的 偏 振 光 ， 而 在 銀 幕 上 分 別 顯 露 出 重 疊 的 單 一 字 跡 影 象 ， 如 圖 一 所 示 。 這 樣 的 演 示 方 式 便 於 大 批 觀 衆 同 時 欣 賞 ， 免 去 圍 觀 小 小 一 塊 方 解 石 的 擁 擠。如 果 使 用 特 殊 銀 幕（ 見 圖 二 ），泛 著 金 屬 光 澤 的 銀 幕 反 射 的 光 ， 會 依 然 保 有 原 入 射 光 的 偏 振 狀 態（ 註 2），則 觀眾 甚 至 可 以 人 手 一 片 偏 極 板 ， 隔 著 偏 極 板 看 銀 幕 的 字 跡 圖 像 ， 轉 動 偏 振 片 ， 自 行 分 別 濾 掉 其 中 之 一 的 偏 振 光 ， 而 在 銀 幕 上 分 別 顯 露 出 重 疊 的 單 一 字 跡 影 象 。 其 次 ， 先 將 一 片 偏 極 板 置 於 投 影 機 面 板 上 ， 這 一 片 偏 極 板 上 再 放 置 一 把 硬 質 塑 膠 製 的 三 角 板 ， 再 在 其 上 放 另 一 偏 極 板 ， 形 成 三 明 治 結 構 。 投 影 機 發 出 的 非 偏 振 光 ， 先 經 過 最 底 層 的 偏 極 板 而 成 為 偏 振 光 ， 三 角 板 各 區 域 因 製 作 時 的 殘 留 應 力 而 具 有 複 雜 的 双 折 射 性 質 ， 使 得 經 最 底 層 偏 極 板 片 而 變 成 的 偏 振 光 ， 透 射 三 角 板 時 ， 各 種 波 長 在 各 區 域 的 偏 振 情 形 又 有 同 ， 再 經 最 上 方 偏 極 板 濾 光 ， 而 在 一 般 銀 幕 上 顯 現 出 色 彩 斑 斕 的 巨 大 圖 案（ 註 3）。改 變 兩 偏 極 板 穿 透 軸 的 方 向 ， 使 之 互 相 垂 直 ， 令 三 角 板 之 外 的 區 域 完 全 暗 淡 ， 景 象 尤 其 瑰 麗 （ 見 圖 三 ）。 若 動 用 廉 價 自 製 特 殊 銀 幕 ， 撤 掉 最 上 方 的 偏 極 板 。 改 由 觀 衆 自 己 轉 動 偏 極 板 ， 隔 著 偏 極 板 看 銀 幕 的 圖 像 ， 因 為 特 殊 銀 幕 能 保 留 入 射 光 的 偏 振 ， 則 可 以 觀 賞 到 停 變 幻 色 彩 的 三 角 板 投 影 （ 見 圖 四 ）。值 得 注 意 的 是，在 此 同 時，不 透 過 偏 極 板 ， 肉 眼 見 到 特 殊 銀 幕 上 的 三 角 板 投 影 十 分 尋 常，並 非 彩 色，與 原 三 角 板 無 異。 偏 振 光 搭 配 双 折 射 現 象 ， 即 可 營 造 出 引 人 入 勝 的 視 覺 效 果 ， 寓 教 於 樂 ； 特 別 的 是 ， 用 銀 白 色 噴 漆 製 成 的 特 殊 銀 幕 ， 首 度 被 用 來 演 示 方 解 石 双 折 射 和 光 測 彈 性 學 ， 容 許 學 生 或 觀 衆 自 行 轉 動 偏 極 板 來 觀 察 ， 頗 有 助 於 偏 振 光 和 相 關 有 趣 的 物 理 現 象 之 教 學 。
註釋
1. 有 關 光 的 偏 振 （ polarization ）、 偏 極 板 （polariod）、透 射 軸（transmission axis） 的 詳 細 資 料 ， 請 參 考 書 通 物 理 教 科 書 。 例 如：D. Halliday, et. al. Fundamentals of Physics, 4th ed., pp. 1000, 1993. 2.周 鑑 恒 、 楊 安 中 、 邱 光 亮 、 陳 宛 琳 ， 教 室 裡 的 立 體 圖 片 ，1998 年 中 華 民國 物 理 教 育 學 術 研 討 會 。 3.周 鑑 恆 、 光 測 彈 性 學 之 演 示 ， 科 學 教 育 月 刋 ， 民 國 八 十 九 年 二 月 。 圖 一 投 影在 銀 幕 上 的 方 解 石 ， 四 周用 黑 紙 遮 住 ， 因 為 在 投 影 機 鏡 頭 前 已 用 偏 極 板 濾 掉 双 折 射 其 中 的 一 個 影 像，所 以 可 見 單 一 的『 共 振 』兩 字 。有趣的偏振光實驗 - 41 - 圖 二 投 影在 銀 白 色 幕 上 的 方 解 石 和方 解 石 下 方 的 字 跡 ， 因 方 解 石 具 有 双 折 射 性 質 ， 字 跡 由 於 重 疊 而 模 糊 。 如 果 觀 眾 人 手 一 片 偏 極 板 ， 隔 著 偏 極 板 看 銀 白 色 幕 上 的 方 解 石 下 方 的 字 跡 ， 可 濾 掉 其 中 之 一 。 置 於 白 板 前 方 的 銀 白 色 幕 約 50 公 分 見 方 。 圖 三 三 角板 夾 在 兩 片 偏 極 板 中 投 影在 普 通 幕 上 。 圖 四 一 名學 生 抬 起 特 殊 銀 幕 ， 透 過偏 極 板 可 以 看 到 投 影 在 特 殊 銀 幕 上 的 三 角 板 變 成 彩 色 。
