2013年2月12日

科學玩具-光學-偏振片中的秘密(下)



泡了一段時間的偏振片,下場會隨著浸泡的時間長短、溫度和溶劑而有不同的下場,甚至是有沒有更換溶劑、更換溶劑的方式也會影響最後的結果。以下面這兩張照片為例,這些殘留的塑膠片或塑膠膜上已經沒有任何偏振物質的殘留,所以也就沒有任何過濾的效果,任一電場振動方向的光線都可以穿透而過,跟普通的透明材質沒什麼兩樣。
泡久了,不但三明治般的偏振片會完全分離,連膜上的偏振物質分子也會流失
想要讓這些分子離開的方法其實很簡單

那要如何讓原本看得到的東西不見呢?也就是說,原本我們的肉眼可以看到的偏振物質脫離了原本的位置,使得原本可以將光線過濾將近一半的長鏈分子不復存在,那當然會使偏振片失去原本的功能。其實作法很簡單,「勤換水」就可以了,到底要多勤?我只是每天更換一次水盆中的水而已,原本的水就讓它慢慢從水盆中流掉,多做幾次就可以完全清除乾淨。
若只是換水一兩次,那就變成這個樣子
也剛好可以看到有無偏振物質分布的差異,完全透明的地方就沒有過濾的效果

這時我就想到了,若同樣是用水浸泡,讓水份可以少量侵入偏振片的夾層中,但又不至於到達使分子流失的地步,那又會是什麼情形?在這個偶然的想法的醞釀下,也趁著還有印象的時候,將想法付諸實現,也導致後來令我訝異非常的重大發現。
一如往常從水中取出浸泡不久的偏振眼鏡,使用了吸水布加速晾乾紙製的鏡框
一共做了四支,想看看不同乾燥時間下的差異

在這裡,有一個操弄因素要區分好,那就是時間!剛從水中取出的偏振片,其實跟水腫的皮膚沒什麼兩樣,什麼都看不到,但仔細觀察的話,還是可以分辨液體的水所在的位置。

不過隨著時間逐漸過去,水份也漸漸減少,神奇的事情就發生了!(第一次的發現是在學校辦公室的洗手臺上)透過LED手電筒的強光,可以看到原本半透明的鏡片上出現了一條條有規律的白色條紋,而且是往同一方向排列的規律。心中不免納悶,我又沒有讓任何東西刮到它,怎麼會出現「刮痕」?

思索了一下,才驚覺到我教具研發過程中的重大發現,那些條紋不就是「偏振物質分子的排列」嗎?太讓人驚奇了,沒想到用這麼簡單的方法竟可以重現分子的排列情形。
依照鏡架上的說明,右眼偏振軸的方向是右上延伸到左下
而偏振物質長鏈分子的排列是左上延伸至右下

觀察的時候,別讓光線垂直通過鏡片表面,因為這樣只會觀察到強光
可以稍微傾斜入射角,讓觀察更為明顯且容易

馬上來考考囉!上面照片中的偏振軸方向是……可以過濾的是什麼方向的光?
(參考答案:左上延伸至右下,可以過濾的是電場為右上-左下方向的光

國中常講到「電生磁、磁生電」,其實更精確的說法是:「流動的電(電流)附近有磁場產出,而改變中的磁場會產生感應電流。」在科學史中,可以發現原本電和磁是兩個不同的研究範圍,但厄斯特的發現、安培的歸納、法拉第的發明,到馬克士威的數學貢獻,在在都證明電與磁是密不可分的一體兩面。

變動的電場會產生磁場,而變化的磁場也對應地產生電場,兩著之間互相產生改變也交互影響,而所謂的「偏振方向」,指的是電磁波「電場的振動方向」。以水平偏振軸為例,當電場的振動方向與偏振物質分子的排列同向時,水平電場的能量就會被水平排列的分子所吸收,因此只有電場為垂直方向的電磁波可以通過。另一種垂直偏振的情形亦是如此。
當水份逐漸乾燥,條紋也慢慢隱形了
最後只剩下含有水份的凸起部份還勉強觀察得到白色條紋

在有陽光的環境下觀察更是明顯,不用手電筒也觀察得到
不過我還是用閃光燈拍了下來,不縮小的圖片更是將所要傳達的資訊表露無遺

從以前到現在,我們的學習方法常常是被動的接受,活了大半輩子,有些理論、物質或儀器還真的只有在書本上看過,要遇到的機會可說是少之又少,只能靠自己去努力爭取。教師如果是這樣,又怎麼去期待學生的主動出擊呢?

所以若能帶著學生一起發現學到的東西在生活上的應用、從簡單的事物中發現例證,而不是教給他們死記了一輩子但卻用不著的構念知識,那對他們探究能力的培養才是有用的,對自然科學的興趣與熱情才是帶著走一輩子的能力,也才能期望下一代有更突破的發展。

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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,歡迎各位科教界夥伴或同好蒞臨指教。

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