8第8节：光的偏振
高中物理-光教材分析和教学建议
教材分析和教学建议
一、新旧教材结构对比 二、新教材编写特点 三、教材分析和教学建议
一、新旧教材结构对比
新： 光
旧：光的传播 光的波动性
1、光的折射 2、光的干涉 3、实验：用双缝 干涉测量光的波长 4、光的颜色 色散 5、光的衍射
6、光的偏振
7、全反射 8、激 光
教材结构的比较
变更 增加
新
旧
电磁波与 电视 雷达 信息社会
电磁波谱
电磁场的物质性
第十五章 相对论简介
1、对于长度的相对性、时间间隔的相对性、相 对论速度变换公式、质能方程，教学中应该怎样 把握？
上述几个结论应该区别对待：质能关系E = mc2要牢记；
长度的相对性和时间间隔的相对性应该定性地知道，即 知道什么情况下“变长”，什么情况下“变短”；至于 速度变换公式，知道伽利略的速度变换公式在高速下不 成立也就行了。做到这些就可以达到课程标准的要求。
2、对于“广义相对论简介”的教学，应该怎样把握？
教科书从等效原理得出结论的简单分析过程，也不要求学生 复述。教师做了分析，学生体会到从原理到结论之间是有逻 辑关系的，而结论又被观测所证实，也就可以了。这里教学 的目的是让学生再次感受前面所述的科学认识的过程。
欢 迎 批 评 指 正!
色散 新: “含有多种颜色的光被分解为单色光的现象叫做
光 1、光的直线传播 的 2、光的折射 传 播 3、全反射
4、光的色散
1、光的干涉
光
的 2、光的衍射
波 动
3、光的电磁说
性 4、光的偏振
5、激 光
二、新教材编写特点：
➢从教材结构上看
几何光学和物理光学没有完全分开
劈尖劈尖干涉
光的干涉 n1 =1.20)污染了某 例3 一油轮漏出的油(折射率 海域, 在海水( n2 =1.30)表面形成一层薄薄的油污.
第一节
2n1d , k 1,2, (1) Δr 2dn1 k k k 1, 2n1d 1104 nm k 2, n1d 552nm 绿色
光的干涉
波阵面分割法
振幅分割法
s1
光源 *
s2
第一节
三 杨氏双缝干涉实验
光的干涉
B
s
s1
d o
r1
r
D
p
r2
x
o
s2
x r d sin d D D k d x
加强 k 0,1,2, (2k 1) 2 减弱 明纹 暗纹
k
D ( 2 k 1) d 2
第十一章 波动光学
教学基本要求
第十一章 波动光学
1. 了解光的相干性，掌握双缝干涉、洛埃镜实验和 薄膜干涉现象的产生条件和计算方法。
2. 理解惠更斯-菲涅耳原理，掌握单缝衍射、光栅衍 射和X射线衍射现象产生的条件和计算方法。 3. 了解光的偏振和物质的旋光现象，掌握马吕斯定 律的应用和物质旋光度的测量方法。
(2) 若入射光的波长为600nm,求相邻两明纹间的距离.
解
D x14 x4 x1 k 4 k1 d d x14 D 500nm（2） x 3.0 mm D k4 k1 d
D （1） x k , k 0 , 1, 2, k d
第一节
例1
光的干涉
有一玻璃劈尖 , 放在空气中 , 劈尖夹 5 角 8 10 rad , 用波长 589 nm 的单色光垂直 入射时 , 测得干涉条纹的宽度 b 2.4mm , 求 这玻 璃的 折射率. 解
自然光与偏振光
1.3.4 菲涅耳公式
1.0 |tp| 0.5 |ts| |rs| |rp| 0 0 30 60 90
i1/(o)
i1/(o)
图1.3-7 振幅反射比与振幅透射比曲线（n1=1，n2=1.5）
⑤ 线偏振光入射时，反射光和透射光仍为线偏振光，但振动面相对于原入射 光有一定偏转。
1 光波、光线与光子 1.3.5 斯托克斯倒易关系
1.3 自然光与偏振光
定义：外反射：自然光以入射角i1由介质1进入介质2时的反射
内反射：自然光以入射角i2由介质2进入介质1时的反射 取：振幅外反射比：rs、rp， 振幅外透射比：ts、tp 振幅内反射比：rs'、rp'，振幅内透射比：ts'、tp'
时间分布的均匀性表明各个光矢量的初相位取0到2p之间的任意值
1 光波、光线与光子 1.3 自然光与偏振光
1.3.2 自然光(完全非偏振光)
自然光：偏振面具有各种不同取向且相位随机分布的平面偏振光之集合
说明：自然光实际上可分解成两个强度相等、振动方向正交但相位各自
随机变化的线偏振光 注意：构成自然光的两个线偏振光分量的相位各自独立地随机变化，因
分量）的线偏振光，透射光变为椭圆偏振光。 ③ 线偏振光以布儒斯特角入射时，若其振动面与入射面垂直，则反射光
和透射光均为振动面垂直于入射面的线偏振光；若入射光振动面与入 射面平行，则反射光强度为0，即全部透射。
1 光波、光线与光子 1.3 自然光与偏振光
玻片堆特点：可对入射光的偏振态及振幅进行调制。
右旋 左旋
d=0
p/4
p/2
3p/4
偏振光
A
A2 A cosq A1 cos2 q B1 sin 2q 2 1 A sin q A sin 2q B sin 2 q B2 1 2 1
11
1 可知： g11 cos2 q , g12 sin 2q 2 1 g 21 sin 2q , g 22 sin 2 q 2
17
自然光通过光轴夹角为45度的线偏振 器后，又通过了1/4、1/2和1/8波片， 波片快轴沿Y轴方向，试用琼斯矩阵计 算透射光的偏振态。
18
解：自然光通过起偏器，成为线偏振光，其琼斯 矢量为：
A1 1 1 B 2 1 1
l/4波片,l/2 ， l/8波片的琼斯矩阵分别为
10
求透光轴(Transmission axis)与x轴成q 角的线偏振器的琼斯矩阵
解：光线的偏振状态为：
~ A1 ~ A2 设入射光 E1＝ ， 出射光E2＝ B1 B2 沿透光轴方向的分量： q B sin q A＝A1 cos 1
B1 B2 q A1 A2
线偏光
***** ？ 通过一个1/4波片
通过一快（慢）轴与椭 圆的长（短）轴一致的 ？ 1/4波片
圆偏光
*****
先通过一个1/4波片变为 线偏光，再通过一快（ ？ 慢）轴与线偏光成45度 的1/4波片
椭圆偏光
*****
24
（用实验方法来鉴别光的偏振性质） 2、偏振光的检验
复习：光的偏振性质
y轴
1 itg 2 cos 2q ,itg 2 sin 2q A1 ＝cos exp(i ) 2 2 B1 itg cos 2q ,1 itg cos 2q 2 2
偏振光分析
实验十九偏振光分析实验目的1、 观察光的偏振现象，加深对偏振光的了解2、 掌握产生和检验偏振光的原理和方法。
实验装置（图19-1）1： He-Ne 激光器 2:升降调节底座SZ-03 3:光栅转台SZ-10 4:升降调节底座SZ-03 5:平面镜M6： X 轴旋转二维架（SZ-06）7： X 轴旋转二维架（SZ-06） 8:偏振片9:升降调节底座（SZ-03） 10:白屏（SZ-13） 11:升降调节底座（SZ-03）实验原理能使自然光变成偏振光的装置或器件，称为起偏 器。
用来检验偏振光的装置或器件，称为检偏器。
实际 上，能产生偏振光的器件，同样可用作检偏器。
1、平面偏振光的产生（1）由二向色性晶体的选择吸收产生偏振：有些 晶体（如电气石、人造偏振片）对两个相互垂直振动的 电矢量具有不同的吸收本领，这种选择吸收性，称为二 向色性。
当自然光通过二向色性晶体时，其中一成分的 振动几乎被完合吸收，而另一成分的振动几乎没有损失 （图19-2），因此，透射光就成为平面偏振光。
利用偏 振片可以获得截面较宽的偏振光束，而且造价低廉，使图 19-2 用方便。
偏图 19-1非偏振光平面偏振光振片的缺点是有颜色，光透过率稍低。
（2）由晶体双折射产生偏振当自然光入射于某些各向异性晶体时，在晶体内折射后分解为两束平面偏振光，并以不同的速度在晶体内传播，可用某一方法使两束光分开，除去其中一束，剩余的一束就是平面偏振光。
尼科耳（Nicol）棱镜是这类元件之一（图19-3）。
它由两块经特殊切割的方解石晶体，用加拿大树胶合而成。
透过尼科耳棱镜的平面偏振光的偏振面平行于晶体的主截面，垂直于主截面的偏振光被除掉。
2、圆偏振光和椭圆偏振光的产生如图19-4所示，当振幅为A的平面偏振光垂直入射到表面平行于光轴的双折射晶片时，若振动方向与晶片光轴的夹角为：•，则在晶片表面上o光和e光的振幅分别为Asin〉和Acos 「，它们的相位相同。
椭圆偏振光
1-1 偏振光概述
2、偏振光（Polarized light）：
光矢量的方向和大小有规则变化的光
线偏振光（Linearly polarized light）：光矢量方向 不变，其大小随位相变化。
圆偏振光（Circularly polarized light）：光矢量大 小不变，其方向绕传播方向均匀转动， 且矢量末端轨迹为圆。 椭圆偏振光（Elliptically polarized light）：光矢量 大小和方向都在有规律地变化，且矢量 末端轨迹为椭圆。
y0 x0
1、线偏振光的归一化(Normalization)琼斯矢量 若光矢量沿x轴，Ex0=1 Ey0=0 =0 ，则： E 1
0
若光矢量沿y轴，Ex0=0 Ey0=1 =0 ，则：
0 E 1
若光矢量与x 轴成q 角，振幅为a的线偏振光，
E x E x 0 cos(t z ) E y E y 0 cos(t z )
在 Ex-Ey 平面上,电矢量的轨迹为一直线:
Ex E y Ex 0 E y 0 const
2) 圆偏振光(Circularly polarized light)
Ex0 Ey 0
迎着光的传播方向观察
第一章
光控器件的基础
第一节 光的偏振 第二节 晶体光学基础 第三节 电光控器件的物理基础
第四节 声光、磁光控制器件的物理基础
第五节 激光信号调制的基本理论
第一节 光的偏振
光的偏振（Polarization of light）现象的发现
Found by Etienne Louis Malus (1775-1812) who is French army officer and engineer ； One evening in 1808 while standing near a window in his home in Paris, Malus was looking through a crystal of Iceland spar(冰洲石）at the setting sun reflected in the windows across the street. As he turned the crystal about the line of sight, the two image of the sun seen through the crystal became alternately darker and brighter, changing every 90o of rotation. After this accidental observation Malus followed it up quickly by more solid experimental work and concluded that the light by reflection on the glass, became polarized. （polarize：偏振、极化）
偏振光相位差和偏振光形态
偏振光相位差和偏振光形态偏振光是指在特定方向上振动的光线，它在某一方向上的电场振动分量远大于其他方向上的分量。
而偏振光的相位差和形态则是与其振动方向和传播路径密切相关的。
让我们来了解一下偏振光的相位差。
相位差是指两束光线之间的光程差，也就是两束光线的振动波峰与波谷之间的间隔。
当两束光线的相位差为0时，它们的振动方向完全一致，我们称之为相干光。
而当相位差为π时，它们的振动方向完全相反，我们称之为相消光。
在介质中，偏振光的相位差可以通过材料的特性来调节，例如液晶材料可以通过电场的作用来改变其相位差。
接下来，我们来探讨一下偏振光的形态。
偏振光的形态可以分为线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光三种。
线偏振光是指振动方向固定的偏振光，它的电场振动方向可以是水平的、垂直的或者在两者之间的任意方向。
圆偏振光是指振动方向随时间变化的偏振光，它的电场振动方向在二维平面上沿着一个圆形轨迹旋转。
椭圆偏振光是指振动方向随时间变化的偏振光，它的电场振动方向在二维平面上沿着一个椭圆形轨迹旋转。
这些不同形态的偏振光可以通过适当的装置来产生和调节，例如偏振片和波片等。
偏振光的相位差和形态对于光学应用具有重要意义。
在光学显微镜中，通过调节偏振片的相对方向，我们可以观察到不同形态的偏振光对样品的影响，从而获得更多关于样品的信息。
在光通信中，通过调节偏振器的相位差和形态，我们可以实现光信号的调制和解调，以实现高速、高容量的光传输。
除了应用领域，偏振光的相位差和形态也对于光的本质研究具有重要意义。
在量子力学中，偏振光的相位差和形态可以用来研究光的量子特性，例如光的自旋和角动量等。
在光学实验中，通过调节偏振光的相位差和形态，我们可以探索光在不同介质中的传播规律和相互作用机制，从而深入理解光与物质的相互关系。
偏振光的相位差和形态在光学领域中起着重要作用。
通过调节偏振光的相位差和形态，我们可以实现光的调制和解调，观察样品的细节，研究光的量子特性，探索光与物质的相互关系。
有机化学第八章立体化学旋光异构
g.ml-1的待测物质溶液置于1分米长的盛液管中，在t℃下测 得的旋光度数值。比旋光度是旋光物质的一项物理常数。因 为溶剂对比旋光度也有影响，所以，记录比旋光度时，所用 溶剂也要注明。 例如，在20 ℃时以钠光灯为光源测得葡萄糖水溶液的 20 比旋光度为右旋52.5 。，应记为： D ＝＋ 52.5 。(水)。 通过比旋光度的计算，还可初步判断被测物质的种类。 例：20 ℃时，某物质浓度为0.05 g.ml-1的水溶液在1分米长 的盛液管内， 以钠光灯为光源测得旋光度为左旋4.64。 。计 算它的比旋光度。 解：
这里，符号D、L表示构型，(+)、(-)表示在旋光仪中 所测得的旋光方向。
有了甘油醛这个标准以后，就可以通过构型关联的方法来 标记其它手性化合物的构型。凡是可以由D-甘油醛通过化学反 应得到的化合物，或者能够通过化学反应得到D-甘油醛，只要 手性碳原子直接相连的4个键不发生断裂，不管它真正的旋光方 向如何，都认为是D构型。同理，L构型的规定也是一样。如：
旋光度和比旋光度
偏振面被旋光物质所旋转的角度叫做旋光度，一般 用α表示。旋转的方向有右旋和左旋的区别，通常右旋用 “＋”或“d”表示，左旋用“－”或“l”表示。 物质旋光度大小与溶液的浓度、盛液管的长度、温 度、光波的波长及溶剂的性质等因素有关。为了比较不 同物质的旋光性，化学家们规定了比旋光度：
例1：D-(-)-乳酸
OH> COOH> CH3>H 例2：L-(-)-甘油醛
D-(-)-乳酸为R构型
OH> CHO> CH2OH>H
L-(-)-甘油醛为S构型
例3：
Cl> C2H5> CH3>H 例4：
命名：(S)-2-氯丁烷
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高二物理教案 西北师大附中 白景曦
1
第八节 光的偏振
白景曦
（西北师范大学第一附属中学 甘肃 兰州 730070）
摘要
光波是一种电磁波，电磁波是横波，横波都有偏振现象，光波也肯定有偏振现象。
实验证实，光波确实有偏振现象。这就说明光波是横波。
关键词：横波的偏振现象 自然光 偏振片 偏振光
引言
复习提问：
（1）什么是横波？什么是纵波？
振动方向和传播方向垂直的波叫横波，抖动水平软绳时产生的波就是横波，振动方
向和传播方向一致的波叫纵波，像水平悬挂的弹簧一端振动时形成的沿弹簧传播的波。
引入：
通过前几节课的学习，我们知道光具有波动性，那么光波究竟是横波还是纵波呢？
本节课我们就来学习——第四节：光的偏振。
新课教学：
我们先通过一个实验来看看怎么判断一种波是横波还是纵波。
视频演示实验：引导学生仔细观察波传到狭缝时的情况，看波能否通过狭缝传到木
板的另一侧。
实验现象：绳上形成的横波，当狭缝与振动方向一致时，波不受阻碍，能通过狭缝，
而当狭缝与振动方向垂直时，波被狭缝挡住，不能通过狭缝传到木板另一端；对弹簧上
形成的纵波，无论狭缝怎样放置，弹簧上疏密相间的波均能顺利通过狭缝传播到木板另
高二物理教案 西北师大附中 白景曦
2
一侧。
思考与讨论：在横波传播过程中，当狭缝既不与振动方向平行也不与振动方向垂直
时，波能通过狭缝继续传播吗？
实验观察：有部分振动能通过狭缝。
一、横波的偏振：横波能够通过与波源振动方向不垂直的狭缝的现象称为偏振现象。
受这个实验的启示，我们可以利用类似的实验来判断光波是横波还是纵波。
二、光波的偏振
仪器介绍：
1．偏振片：由特殊的材料制成，它上面有一个特殊的方向（透振方向）。只有振动
方向与透振方向平行的光能够完全通过偏振片。振动方向与透振方向不垂直的光可以部
分通过，振动方向与透振方向垂直的光，完全不能通过。
实验1：让太阳光或灯光通过偏振片P，在P的另一侧进行观察透射光的强度。旋转
偏振片，观察透射光的强度是否变化。
现象：可以看到偏振片是透明的。以光的传播方向为轴旋转偏振片 P，透射光强度
不变；
实验2：偏振片P的后面再放一个偏振片Q，观察通过两个偏振片的透射光。什么时
候最亮？什么时候最暗？
现象：当Q和P的透振方向平行时，透射光强度最大，但是，比通过一块偏振片时
要弱。当Q和P的透振方向垂直时，透射光强度最弱，几乎为零。
实验现象分析：
由于偏振片具有这样的性质：由特殊的材料制成，它上面有一个特殊的方向（透振
方向）。只有振动方向与透振方向平行的光能够完全通过偏振片。振动方向与透振方向不
高二物理教案 西北师大附中 白景曦
3
垂直的光可以部分通过，振动方向与透振方向垂直的光，完全不能通过。
实验1中，为什么透射光的强度不变呢？这可能与哪些因素有关？
猜想与解释：与光源有关。由太阳或电灯发出的光波，包含着在垂直于传播方向上
沿一切方向振动的光，沿着一切方向振动的光强度都相同。
实验2中，为什么两个偏振片的透振方向平行时，透射光最强？为什么两个偏振片
的透振方向垂直时，透射光最弱？
猜想与解释：光波是横波。太阳光或普通光源发出的光，经P变成沿特定方向振动
的光，当两个偏振片的透振方向相同时，通过第一个偏振片的光波也能通过第二个偏振
片，所以透射光强度大；当两个偏振片的透振方向垂直时，通过第一个偏振片的光波完
全不能通过第二个偏振片，透射光的强度最弱，几乎为零。当两个偏振片的透振方向不
垂直也不平行时，透射光的强度介于最强和最弱之间。由此说明，光波就是横波，有偏
振现象。做实验时，我们常把第一个偏振片叫做起偏器，第二个偏振片叫做检偏器。
2．自然光：在沿着光的传播方向上有沿一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动
的光的强度都相同。这种光叫做自然光。
3．偏振光：自然光通过偏振片后，出现只沿着某一特定方向振动的光，这种光称为
偏振光。
4．光的偏振：偏振光只能通过透振方向与其振动方向不垂直的偏振片，不能通过透
振方向与其振动方向垂直的偏振片，这种现象称为光波的偏振现象。
5．光是一种横波。光波的电场强度矢量E称为光振动。光波的感光作用和生理作用
主要是由电场强度E所引起的。
高二物理教案 西北师大附中 白景曦
4
光是电磁波，从上图我们看到电场强度E和磁感应强度B的振动方向都与电磁波的
传播方向垂直。实验指出：光波的感光作用和生理作用，主要是由电场强度E引起的，E
的振动称为光振动。光振动沿各个方向是均匀分布的光叫做自然光。经过起偏器后光振
动就只能沿透振方向振动而成为偏振光。
三、光的偏振现象的应用
其实，除了从太阳、电灯这样一些从光源直接发出的光外，通常看到的绝大部分光
都是偏振光，请大家看课本图20—20，在这里反射光和折射光都是偏振光，且两者偏振
方向相互垂直。
光的偏振现象的应用：
1．偏振滤光片；
2．车灯玻璃和挡风玻璃；
3．偏光眼镜（观看立体电影或立体电视）。
本节优化训练设计：
1．下列说法正确的是（ ）
A．机械波都能产生偏振现象
B．光的偏振现象说明光是横波
图20—23
高二物理教案 西北师大附中 白景曦
5
C．自然光不能产生偏振，说明自然光是纵波
D．光波的感光作用和生理作用等主要是由磁感应强度B的振动引起的
2．如图20—24所示，将上一偏振片慢慢顺时针旋转，屏上的光的亮度开始逐渐
________，当它转到90°时，屏上光亮度将最________（填“暗”“亮”），继续转到180°
时光由最________变为最________.如此每转90°，交替变化一次（设开始时上、下两偏
振片平行且透振方向完全一致）
参考答案：1．B 2．变暗，暗，暗，亮
结论
本节课收获如下：
1.知识：（1）自然光与偏振光；（2）光的偏振。
2.方法：实验法、归纳法与演绎法
参考文献：
[1] 人民教育出版社物理室编著．物理第二册教师教学用书．北京：人民教育出版
社，2003.
[2] 人民教育出版社物理室编著．物理第二册（必修加选修）．北京：人民教育出版
图20—24
高二物理教案 西北师大附中 白景曦
6
社，2006.
[3] 人民教育出版社．延边教育出版社编著．物理第二册（必修加选修）教案．吉
林：延边教育出版社，2008.
[4] 马兰刚著．物理第二册（必修加选修）教案．甘肃：未来教育出版社，待版．
[5] 杜鸿宝著．高二物理教案．甘肃：未来教育出版社，（等待出版）．