2013年2月12日

科學玩具-光學-偏振片中的秘密(上)


本文中的發現及操弄即將在花蓮東華大學承辦的2011物理教學與示範研討會有趣的偏振科學玩具魔法秀工作坊乙-1-2中發表,歡迎各位科教夥伴蒞臨指教。敬請期待下一篇更驚人的發現:科學玩具─光學─偏振片中的秘密(下)
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心血來潮把3D劇場的立體眼鏡放在水中浸泡,原因是因為當我們在剝除紙製鏡框上的偏振片時,總是會或多或少的殘留一些黏膠在偏振片的外圍,疊在一起收納時會黏在一起,所以總要想一些方法把不要的物質去除掉。

為了響應環保,曾經小心翼翼地剝除偏振片,把留下來的紙框當做紅藍立體眼鏡的現成鏡架,所以往往花了一段不算短的時間,完全看運氣的成果卻有限,無法大量產出,所以製作了十幾支紅藍眼鏡之後就宣告停產了。
將立體眼鏡的鏡片泡在水瓢內,接著劑的部分材質會溶析出來
透過水的幫助,鏡片與紙框就能以較省力的方式剝除,省時也省力

不過,像這一類的紙框眼鏡要與塑膠黏合時,以水溶性接著劑為最佳選擇,方便生產現場操作也不會造成難以收拾的狀況。因此想要解除結合狀況時,當然也是利用水的溶解最為簡便。
先拿出一支已經泡了一天的立體眼鏡,可以發現鏡架都因為毛細現象而濕透
另外可以發現鏡片上有出現深淺不一的分布狀態

將偏振片剝離後,令人訝異的事發生了!原本硬質的偏振片就像吸飽水份的紙張般彎曲了,不僅如此,還將裡面的構造一併展現了出來,原來偏振片的基本組成為兩片透明的塑膠片夾著一張塗滿偏振物質的薄膜,就像漢堡或三明治一樣,這可是書本上沒教的實務。
水填入夾層中,將黏合的接著劑溶析出來後,塑膠片便彎曲了
也因為沒有強大的作用力存在,所以塑膠片可以很輕易的分離出來

仔細一瞧,中間原本佈滿偏振物質的薄膜也因為泡水而變軟許多
而且接著劑的溶解順序與水的流動也改變了這些偏振物質的分佈

這是新的體驗,而且另一件可以動手檢證的事情在後頭。像三明治般包在外層的兩片塑膠片,透過完整的偏振眼鏡觀察時,並不會像光碟硬盒般出現了所謂的光彈性的現象(參考文章:科學玩具─光學─偏振中的雙折射與光彈性),而是讓光直接穿透過去,就像純粹的透明屏障一樣,其存在的目的就只是將偏振物質保護性地夾在中央的薄膜上。
乍看之下它們是再也普通不過的塑膠片,但是裡面的組成和應力分布狀況不同
所以再利用偏振片觀察,並不會因為光彈性而產生彩虹般色帶的分佈

拿另外一組鏡片來觀察,可以發現其實泡在水中時,三層就已經彼此剝離了,只不過因為膠框還在、束縛的力量也在,所以沒有辦法任意扭曲。而水在滲入夾層中時,裡面的偏振物質分子的分布也產生了不均勻的現象。
從水中拿出來靜置一段時間後,中間的薄膜因為水的存在而起了皺摺

原本排列整齊、方向一致的分子,在泡水之後完全變了一個樣。實作之後便會發現顏色比較深的部分和顏色比較淺的部份恍若兩個世界。分子的排列變得比較雜亂無章的區域,也就是深色的部份,即使是單層薄膜也不會讓光穿透,因為仍留在上面的分子間的偏振軸方向不同,所以幾經過濾之後可穿透的光便會減少,因此看起來比較暗。
將框剝除後,靜待其乾燥,外層的塑膠片乾燥後會彎曲並硬化

外層的塑膠片越翹越高,越來越硬,吃藥有沒有這麼厲害呀?

中間的薄膜乾掉之後,也會硬得跟大宗貨物的塑膠包裝一樣
若不經過其他處理,就會定型成上面那個樣子

底下的四張照片是透過不同偏振軸的鏡片觀察的,由於偏振方向不同,所以透光程度也不一樣。如果是裸眼觀察時已經呈現深黑色的部份,就是薄膜捲曲的部份,兩層以上的薄膜重疊在一起,所以無法透光。但是透過功能完整的偏振眼鏡觀察單層薄膜時,仍可在旋轉中發現有明暗的變化,只是有少部分的偏振物質分子已經隨著水份流失了,所以怎麼調整都不會出現不同的明暗現象。
透過偏振片來拍攝這些照片,左邊照片的透光程度和右邊的明顯不同
可以比較照片中左上角與正下方尖端的部份

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