光的偏振教学设计

第一篇：光的偏振教学设计

“光的偏振”教学设计方案

授课：温树平

教学目标：

一．知识目标：

1．知道振动中的偏振现象，知道只有横波才有偏振现象 2．

知道偏振光和自然光的区别，知道光的偏振说明光是横波 二．能力目标：

1．学习科学研究的思维方法，体会科学发展的严密性。

2．培养学生为问题设计实验、通过实验现象总结结论的能力。三．情感目标：

1.培养良好的物理实验习惯，学会用理论指导实践，用实验来验证理论． 2.知道在学习物理的过程中，做好实验的重要性． 教学重难点

重点：

1.使学生了解偏振现象及运用光的偏振知识来解释一些常见的光学现象

2.知道只有横波才有偏振现象，知道光有偏振现象所以光是一种横波

难点：

通过两个演示实验让学生接受光有偏振现象，因为偏振是学生接触的一个新概念，所以做好两个演示实验并通过设疑如何引导学生思考，讨论,类比，推理，判断得到结论是本节教学的关键和突破口

教学方法：

教学是教师教学生学的双边活动，教师在课前必须对学生有一定了解。高二学生已经具有一定的抽象思维能力，但光的偏振现象对他们来说是完全陌生而又抽象的，而机械波的偏振现象相对形象些。故要本着由浅入深，新旧联系，全面系统的原则去讲课，先做好机械波模拟实验，使学生认识机械波的偏振，进而认识偏振是横波特有的现象作为知识铺垫后然后再做光的偏振实验，在分析光的偏振实验时，要引导学生理解实验的设计思路且与机械波实验相类比。由于光的偏振现象的抽象性及学生的抽象思维能力有限，所以在教学中主要采用教师设疑，学生探讨的教学模式，让学生观察、思考、讨论，充分发表意见，这样既有利于突出重点，化解难点，又充分发挥了学生的主体性。

教具：激光源、偏振片、powerpoint课件、flash课件 教学过程：

一．新课引入：

师：通过前面几节课的学习，我们对于光的本性的认识逐步加深，我们知道了光能够产生干涉和衍射现象，而这正好说明了光应该是一种波。而波有横波和纵波之分，由此，我们必然会想到光究竟是横波还是纵波？我们又该如何去判断和验证？ 一条竹竿横着进教室进不了，给学生设下悬念

（学生演示）

二、新课教学：

首先我们来回忆一下横波和纵波。

问题一：请同学回答一下横波和纵波有什么区别？ 生：质点的振动方向和传播方向如果平行则为纵波；振动方向和传播方向垂直的则是横波。

师：很好。我们从传播方向上可以区别它们。那如果有一列波，我们肉眼观察不到它的振动情况，问题二：比如说光波，我们该如何来判断它究竟属于横波还是纵波？（让学生思考，同桌讨论，并视情况决定是否提问。）

师：光我们是可以常见的，但是它属于横波还是纵波我们好象没有办法判断。现在我提供一种判断横波和纵波的方法，请同学们看看能不能在这个基础上也设计一个判断光是横波还是纵波的方法。

（课件1的演示，纵波能够通过，而横波必须在特定情况下才能够通过）

问题三：好，现在就请同学们帮我设计一个能够判断光是横波还是纵波的实验。

（让学生回答，筛选出合适的方案）

师：这个方案不错，不过我们还得再仔细考虑一个问题：那就是这个狭缝的宽度大概有多少？我们不难想象，如果缝很宽，那不管怎么转动光还是可以穿过来的，因此，缝的宽度要小于光波的振幅。好象很不容易做到。幸好科技发达，这个问题科学家已经问我们解决了。

取出偏振片给学生观察，并且说明该偏振片可以看成由很多细小的狭缝组成。演示1：让学生观察黑板上的字：将一个偏振片覆盖在上面，转动，看看字迹是否会消失。演示2：让一束电筒光束通过偏振片，让学生观察当偏振片转动时透过偏振片的光线是否会消失。

问题四：请同学们根据刚才的现象作出判断。

生：经过偏振片后的光线亮度不变，所以判断出光应该是纵波。

师：不错，这个实验现象很明白的告诉了我们，光应该是属于纵波。很长一段时间来，科学家们也认为光应该是纵波。但是无意中的一些实验发现了一些无法解释的现象。下面我们就来看究竟是什么现象。

我们来观察这样的现象：

1．让激光通过偏振片，看激光束亮度的变化。

2． 让两块偏振片相交转动，让学生观察黑板上的字有没有变化，让手电筒光束通过两块偏振片，转动偏振片，看透过的光束亮度有否变化？

师：如何解释这样的现象？光究竟是不是纵波？（设问）

总结：光如果是纵波，那这样的现象是无法解释的；那如果是横波，是怎样的横波呢？如何来解释看起来似乎前后矛盾的结果？ 经过科学家的不懈努力，终于解决了这个问题，并且确定了光应该是横波。也说明有些光有特定的振动方向，有些光各个方向的振动情况相同（向学生说明自然光、偏振光）定义：

偏振光：在垂直于传播方向的平面上只沿着一个特定的方向振动的光

自然光：与传播方向垂直的各个方向振动的光波强度都相同，这样的光称之为自然光。（太阳、电灯等直接发出的光）

偏

振：横波只沿着某一个特定的方向振动，称为波的偏振。

师：我们常见的光，除了太阳、灯泡等直接发出的光为自然光外，其他大多数反射光、折射光都属于偏振光。

下面就请同学们一起来看横波的解释。

（演示flash 课件2，）

下面我们小结一下刚才的实验和结论

光的偏振现象并不罕见．除了从光源（如太阳、电灯等）直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光，都是偏振光．自然光射到两种介质的界面上，如果光入射的方向合适，使反射光与折射光之间的夹角恰好是90°，这时，反射光和折射光就都是偏振的，并且偏振方向互相垂直．

师：光的偏振现象有很多应用：

1．如果要拍摄玻璃橱窗里的陈列物或者水面之下的物体，或者远处的建筑物天空等物体，由于光的反射或者空气的散射，不容易拍摄清楚；而如果在照相机镜头前装一片偏振滤光片，那就可以减弱反射而使拍摄的景物清晰。

2．立体电影就是应用偏振的原理来观察的。

《立体电影》的故事

两个人去看一部新的立体电影，电影一开始就是令人紧张的滑行轨道车场面。电影刚放映，其中的一个人的脸就变成了浅绿色。

“对不起，”他对他的同伴说，“我得离开这儿。我觉得恶心。” “你能不能坐下，别像一个小孩子！”同伴要求说，“这只是一部电影。” 一分钟后轨道车呼啸着滑下一个陡坡，第一个人呻吟着说：“我想呼吸一些新鲜空气。” “坐下，”他的朋友小声说，“你太使我难堪了，这是一部电影。” 几秒钟后那人脸色灰白站了起来。“我的上帝，”他说，“我不能呆在这儿了，我一定得离开。” “听着，”他的同伴吼叫着，“你能不能坐下，要不我们都得从这玩意儿里摔出去，去见上帝！”

这个故事无非就是告诉我们立体电影非常逼真，那它究竟是用的什么原理呢？立体电影是用两个镜头如人眼那样从两个不同方向同时拍摄下景物的像，制成电影胶片。在放映时，通过两个放映机，把用两个摄影机拍下的两组胶片同步放映，使这略有差别的两幅图像重叠在银幕上。这时如果用眼睛直接观看，看到的画面是模糊不清的，要看到立体电影，就要在每架电影机前装一块偏振片，它的作用相当于起偏器。从两架放映机射出的光，通过偏振片后，就成了偏振光。左右两架放映机前的偏振片的偏振化方向互相垂直，因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直。这两束偏振光投射到银幕上再反射到观众处，偏振光方向不改变。观众用上述的偏振眼镜观看，每只眼睛只看到相应的偏振光图象，即左眼只能看到左机映出的画面，右眼只能看到右机映出的画面，这样就会像直接观看那样产生立体感觉。这就是立体电影的原理。

当然，实际放映立体电影是用一个镜头，两套图象交替地印在同一电影胶片上，还需要一套复杂的装置，这里就不涉及了。

3、光的偏振其实是一个非常有趣的现象，我们用的计算器上的液晶显示屏也用到了光的偏振原理。光的偏振这部分内容如果深入下去其实还有很多值得研究的地方，但我们中学里不再要求深入，点到为止。如果有兴趣的同学将来可以再去搞研究。

4、汽车车灯和前窗挡风玻璃都是偏振片偏振方向相同，且与水平方向成450.5、据科学家研究，蜜蜂通过观察光的偏振来确定方向。

三、归纳小结：

一、光的偏振态

自然光、线偏振光、部分偏振光

二、线偏振光的获得

偏振片法、反射和折射法

三、偏振光的应用实例

照相、立体电影、汽车车灯、液晶显示、生物视觉等等

四、布置作业：

五、板书设计：

一、光的偏振态

自然光、线偏振光、部分偏振光

二、线偏振光的获得

偏振片法、反射和折射法

三、偏振光的应用实例

照相、立体电影、汽车车灯、液晶显示、生物视觉等等

本节课就上到这里。

教学反思：

第二篇：13.6 光的偏振教案

衡阳县一中高二物理组

全新课标理念，集体智慧结晶

第六节 光的偏振

教学目标：

（一）知识与技能

1、通过实验，认识振动中的偏振现象，知道只有横波有偏振现象。

2、了解偏振光和自然光的区别，从光的偏振现象知道光是横波。

3、了解日常见到的光多数是偏振光，了解偏振光在生产生活中的一些应用。

（二）过程与方法

1、通过机械波的偏振实验和光的偏振实验掌握类比研究物理问题的方法。

2、通过对光的偏振应用的学习，提高应用知识解决实际问题的能力。

（三）情感、态度与价值观

通过课外活动观察光的偏振现象培养学生联系实际学习物理的观念和习惯。教学重点：

光的偏振实验的观察和分析。教学难点：

光振动与自然光和偏振光的联系。教学方法：

通过实验现象使学生认清机械波中横波的偏振现象，再通过机械波与光波的类比，实现轻松过渡，形成概念明确规律，并在应用中深化知识的理解。教学用具：

柔软的长绳一根，带有狭缝的木板两块，细软的弹簧一根，电气石晶体薄片或人造偏振片两片，投影仪。教学过程：

（一）引入新课

（复习横波和纵波的概念）

教师：请同学们回忆一下机械波一节内容，举例说说什么是横波？什么是纵波？

学生：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在一条直线上的波叫纵波，像水平悬挂的弹簧一端振动时形成的沿弹簧传播的波。衡阳县一中高二物理组

全新课标理念，集体智慧结晶

教师：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？

这节课我们要学习的偏振现象，可以说明光是横波。

（二）新课教学

1、偏振现象

演示实验一：

介绍课本图13.6－1装置，教师演示，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。

现象：对绳上形成的横波，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一侧。

教师补充：在绳上横波传播过程中，当狭缝既不与振动方向平行也不与振动方向垂直时，有部分振动能通过狭缝。横波的这种现象称为偏振现象，大家看到，纵波不会发生偏振现象，根据是否能发生偏振，我们可以判断一个机械波是横波还是纵波。虽然这种方法对判断机械波并非必要，但我们可以借助这种方法来判断光波是横波还是纵波。

演示实验二：

（教师介绍装置，强调起偏器P和检偏器Q的作用，演示同时引导学生认真观察随着检偏器Q的转动屏上光照强度的变化）

教师：请大家看这个薄片，它在我们这个演示实验中的作用与前面的带有狭缝的木板类似，它上面有一个特殊的方向称透振方向，只有振动方向与透振方向平行的光波才能透过偏振片，下面请大家认真观察。

现象1：用一个起偏器观察自然光，偏振片是透明的，以光的传播方向为轴旋转P时，透射光强度不变。［投影］

提问：同学们能由此得到什么结论吗？ 学生：光是纵波。

教师：怎么得到这个结论的呢？ 学生：与前面纵波实验类比得到的。衡阳县一中高二物理组

全新课标理念，集体智慧结晶

教师：大家有没有考虑过假如波是横波而且沿各个方向都有振动的情况呢？（学生默然，教师继续演示）

现象2：加上检偏器Q，当Q的透振方向与P的透振方向一致时，透射光强度最大。［投影］

现象3：以光传播方向为轴旋转时，透射光强度减弱。当Q与P透振方向垂直时，屏上最暗，光强几乎为零。［投影］

教师：现在大家能判断光是横波还是纵波了吗？ 学生：能，是横波。

教师：那现象1是怎么回事呢？原来，我们这里用的太阳光源包含了垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且各个方向振动的光波强度都相同，这种光叫自然光。通过起偏器后，这种光就只能沿着一个特定方向振动，这种光叫做偏振光。横波只沿着某一个特定方向振动，称为波的偏振。只有横波才有偏振现象。

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13.6－4，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。

引导学生阅读教材相关内容，了解光的偏振现象是一种常见现象，只是我们不能用肉眼直接察觉罢了。

2、偏振现象的应用

［投影］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）（4）拍摄水面景物（5）液晶显示

（引导学生分析这些应用的原理，鼓励学生从生产生活中查找偏振应用实例，条件许可还可教学生自制偏振片）。

（三）课堂小结

本节课我们通过实验演示，学习了波的偏振现象。了解了自然光、偏振光的概念，并知道只有横波才有偏振现象。还了解了偏振现象的一些应用。衡阳县一中高二物理组

全新课标理念，集体智慧结晶

（四）布置作业

1、完成“问题与练习”中的题目。

2、课后阅读“科学漫步”――立体电影和偏振光。

第三篇：高中物理人教版选修34《13.6光的偏振》教学设计

《光的偏振》教学设计

浙江省富阳市二中 方霞

一、新课引入

实验演示：教师将一块偏振片在笔记本电脑前转动，请学生观察屏幕的变化情况。

电脑屏幕随着偏振片的转动，发生明显的明暗的变化。如图1所示。学生观察到这一奇妙的现象时，都不由地发出惊叹声，不禁问道：为什么会发生这种现象呢？学生的学习兴趣和积极性被充分调动起来。

图1

教师告诉学生手中的这片圆形薄片叫偏振片，这种现象称为偏振现象。为什么会出现这样的现象呢，这是本堂课要解决的重要内容之一，希望大家在观察接下来的实验现象和现象分析后都能知道其中的原因。

二、实验过程、现象解释

波有横波和纵波之分，光是横波还是纵波，是否所有的波都有偏振现象，日常生活中有哪些常见的偏振现象，对我们的生活有些什么样的影响，我们一起来学习和探讨。

为了更好的理解和解释光的偏振现象，我们从直观、具体的机械波的分析入手。

（一）机械波的偏振实验演示

实验1：取一软绳和中间有一“狭缝”的硬纸板，使软绳从“狭缝”中穿过，请两位同学分别控制绳的两端，其中一端固定不动，另一端的同学上下抖动，形成一列绳波。调节狭缝的方向，第一次与绳波的振动方向相同，第二次与绳波的振动方向垂直，观察绳波经过狭缝后的现象。

现象：绳波的振动方向与狭缝的方向平行时，传播情况正常；振动方向与狭缝方向垂直时，绳波经过狭缝后消失。现象如图2所示。

图2

实验2：用一弹簧经过“狭缝”，轻拨弹簧，形成一列弹簧波。旋转狭缝方向，观察弹簧波的情况。

现象：无论“狭缝”如何，弹簧波均正常传播，如图3所示。

图3

结论：横波的振动方向与狭缝方向垂直时，波的传递受到影响，这种现象就是偏振现象，偏振是横波特有的现象。

光波是横波还是纵波，也可用类似的方法检验。

实验3：利用偏振片检验自然光是横波还是纵波。

偏振片介绍：偏振片由特定的材料制成，每个偏振片都有一个特定的方向，只有沿着这个方向振动的光波才能通过偏振片，这个方向叫做“透振方向”。偏振片对光波的作用就象“狭缝”对机械波的作用一样。

偏振光介绍：只沿着某个特定方向振动的光。

自然光介绍：太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同。如图4所示。

图4

重复实验1的演示实验，再次观察实验现象。

电脑屏幕本质上是一片偏振片，圆形薄片是另一片偏振片，当光束通过第一片偏振片P（起偏器）之后（如图5所示），旋转第二块偏振片Q（检偏器），可以看见光斑亮度周期性变化。当两个偏振片平行时，透光最强。当两个偏振片垂直时，透光最弱。如图5所示。

图5

通过分析，请学生尝试类比机械波的偏振来解释上面的实验现象。

当激光通过第一片偏振片P后，相当于被“狭缝”卡了一下，只有振动方向跟“狭缝”方向平行的光才能通过，激光通过偏振片P（起偏器）后虽然变成了偏振光，但由于沿各个方向的振动情况相同，无论偏振片透振方向如何，都会有相同强度的光透射过来，再通过第二块偏振片Q（检偏器）时就不同了。无论旋转哪块偏振片，当两块偏振片透振方向相同时，透射光最强，当两偏振片透振方向垂直时，透射光完全消失，最弱。

上面的实验表明，光是一种横波。只有横波才有偏振现象。

三、偏振现象的应用

光的偏振现象并不罕见。除了从太阳、电灯等光源直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光都是不同程度的偏振光。自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面反射时，反射光和折射光都是偏振光，入射角发生变化时，偏振的程度也发生变化。因此当我们直接观察、拍摄橱窗、水中的物体时，有些时候会图象不清、非常含糊，这些都是“光的偏振”惹的祸，只有合理地利用偏振片，我们才能看到清晰的影象。

1．教师展示一组图片，同时告诉学生这组图片是用同一相机拍摄而得，区别在于拍摄后一图片时在镜头上多加偏振片。

2．计算器的屏幕

发给学生一些事先准备好的计算器上的显示膜，请学生旋转计算器的显示薄膜，观察窗外的景色，亲自体验光的偏振现象。

学生观察窗外的景色时，都露出了会心的微笑，很多同学不由地说道：“原来如此！”正如华盛顿国家图书馆墙壁上所写：“我听见了就忘了，我看见了就记住了，我做了就理解了”，体验是最好、最有效的学习。

3．偏振光眼镜（Polaris coPe）

钓具辅助具之一。指钓者在钓鱼时用于观察水面、浮漂时，可消除浮漂、水面反光的特种眼镜。该镜还可防止阳光刺眼。其镜片颜色有茶色、灰色和墨绿色。其原理是在光波中有自然光和偏振光两种。自然光的电磁波是向四面八方振动的，即所谓出现光线的漫反射。这样，钓者用肉眼和普通太阳镜观察水面上的浮原时会出现倒影，加上水面波纹闪动反光，很难看清浮漂。而偏振镜片中间的胶膜内含有无数细小的杆状晶体，均朝一个方向顺序均匀地排列，故通过偏振眼镜后的光线只能朝一个方向振动、影象清晰。

4．影院的“3D”眼镜

观看“3D”电影时观众佩带的“3D”眼镜是专门设计和制造了适合于观看柱面电影的柱面偏振光眼镜（即“立体眼镜”）。使观众看到的影片左眼和右眼的图像不同，这样反映到人脑中的影像就是3D影像，从而创造置身其中的立体视觉空间。

5．车灯玻璃和挡风玻璃

汽车在夜间行驶时必须打开车灯，但是车灯的强炫光会影响迎面来车的司机的视线，为了行车安全，而不得不使用小灯，这样势必会影响行车速度和能见度，带来不小的安全隐患。为了解决这个问题，有人设法在车灯和挡风玻璃上覆盖一片其透射轴方的挡风玻璃（偏振片），通过实践发现，汽车前灯覆盖的偏振片其透射轴为667，而挡风玻璃覆盖的偏振片其透射轴为567安装，效果最佳，这样既能消除车灯的强烈炫光，又能看见迎面开来的车辆。

四、课堂小结

1．光是一种横波。

2．偏振现象是横波特有的现象。

五、课外拓展

请学生到图书馆或上网查询偏振的相关知识，了解生活中更多的偏振现象，尝试写一篇物理小论文。

六、教学反思

1．本堂课教学设计很好的体现了的教学目标：

①观察振动中的偏振现象，知道只有横波才有偏振现象。

②知道偏振光和自然光的区别，能运用偏振知识来解释生活中的一些常见光学现象。

2．机械波的偏振现象和光的偏振现象的实验对比，符合中学生由具体到抽象、由表及里的思维特点，合理搭建了学生学习的平台，有利于学生理解光波是横波的本质。同时通过实验对比，培养学生的知识迁移能力。

3．演示实验与学生实验相结合、生活中常见偏振现象介绍，有利于扩大学生视野，提高学生的学习积极性和兴趣，培养学生良好的物理实验习惯，促使学生培养联系实际学习物理的观念和习惯。

4．绳波的偏振演示时绳子材质和长度的选择对绳波实验演示的可观赏性有一定的影响，可选择密度偏大，韧性较好、长度在2米左右的绳子。

5．课堂教学中还可进一步加强学生与教师的互动，给学生更多的讨论、自主学习和合作学习的机会，注重学生个性与共性的发展。

第四篇：偏振总结

《偏振成像技术的进展》

赵劲松

1.什么是偏振光？自然光是非偏振光，还是偏振光？

光波电矢量振动的空间分布相对于光的传播方向是对称的，这种光称为自然光。光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做光的偏振。因此，自然光与偏振光是两个相对的概念，自然光是完全非偏振光。

2.用什么参数描述偏振光？

Stokes向量：可以描述偏振光，部分偏振光和自然光。Jones矢量：[Ex,Ey]=[E0xe-i1

E0ye-i2]只能描述偏振光。邦加球：

3.光的传播方式（自发辐射、反射、散射、透射和衍射）如何影响光的偏振特性，如何定量描述？

4.Fresnel 公式、Jones 矩阵、Mueller 矩阵在光波偏振现象中有何应用？ 5.Rayleigh 散射和 Mie散射对光波的起偏作用及其异同点是什么？ 6.人造（目标）物体与自然（背景）物体的偏振特性有何差异？ 7.偏振成像的工作原理是什么？ 8.有哪些技术方案可以实现偏振成像？

9.在设计偏振成像系统时，空间和时间分辨率如何权衡？ 10.偏振信息如何进行图像融合处理,以及可视化显示？ 11.误偏振信息的来源是什么，如何校正之？ 12.偏振成像有什么用途？

13.不同波段的偏振成像有何差别？ 14.如何研制偏振光学元器件？ 15.如何研制偏振探测器？

16.偏振光学元件和偏振成像整机性能如何描述和检测？ 17.偏振成像如何建模和仿真？

18.在设计光学系统时，偏振光线如何追迹？

19.如何建立偏振点扩散函数（Polarization PSF），偏振传递函数（Polarization MTF）和噪声等效线偏振度（Noise Equivalent Degree of Linear Polarization）数学模型，如何测量之？

问题：

1.什么是线偏振度（DoLP）？

Exp(ix)＝cos x＋i sinx 1.1 Stokes向量

斯托克斯向量S=[S0,S1,S2,S3];S0=I=Ex2+Ey2；S1=I0°-I90°= Ex2-Ey2；S2=I45°-I-45°=2ExEycos；S3=Ir-Il=2ExEysin

1.2 偏振度(DoP)光束中偏振部分的光强度和整个光强度之比值。可表示为：

DoP=(S12+S22+S32)1/2/S0

DoP表达式原因：对于完全偏振光有S12+S22+S32=S02

1.3 偏振度测量：

测量原理（1）：根据Muller矩阵测量；

（1）示例：

令被讨论的光分别通过以下四块滤色片F1，F2，F3，F4：①每个滤色片对自然光的透过率为0.5；②每个滤色片的通过面均垂直于入射光；③F1各向同性，对任何入射光作用相同；F2透过轴沿x轴；F3透过轴与x轴夹角45°；F4对左旋圆偏振光不透过。测出通过滤色片后的光强I0，I1，I2，I3，则斯托克斯参量为

S0=2I0

S1=2I1-2I0 S2=2I2-2I0 S3=2I3-2I0 原理

a.光轴与x轴夹角为θ的线偏振片的Muller矩阵为

11cos2M2sin20cos2cos22sin2cos20sin2sin2cos2sin22000 00b.延迟量为，快轴为θ的理想线性相位延迟期的Muller矩阵为

10M000cos2cossin21cossin2cos2sinsin22201cossin2cos2coscos22sin22sincos2sinsin2 sincos2cos0C． 左旋圆偏振片：相当于光先经过一个45°线偏振片，再经过1/4玻片，其Muller矩阵可表示为：

110M20001010000110100000101000010102000010000 00001001测量光束的Stokes向量为S=[S0,S1,S2,S3]；

经过F1后，S(Null)=1/2[S0,S1,S2,S3]，因此I0=1/2 S0； 经过F2后，S(0°)=1/2[S0+S1,S0+S1,0,0]，因此I1=1/2(S0+S1)； 经过F3后，S(45°)= 1/2[S0+S2, 0, S0+S2,0]，因此I2=1/2(S0+S2)； 经过F4后，S(R)=1/2[S0+S3,0,0, S0+S3]，因此I3=1/2(S0+S3)；

∴ 得出 S0=2I0；S1=2I1-2I0；S2=2I2-2I0；S3=2I3-2I0；

（2）示例：

把待测光分为4束，光信号经过不同的光路:第1路直接进入探测器(I0)； 第2、3路经起偏器后进入探测器，两个起偏器透光轴的夹角为45°(I1,I2)；第4路先经1/4波片，然后经起偏器后进入探测器，该起偏器的透光轴与第3路相同(I3)。用4个光探测器同时完成对某一瞬时Stokes矢量的测量, 然后计算DoP。

原理：

快轴方向为0°的相位延迟器的Muller矩阵为

110M2000100 0cossin0sincos00光轴与x轴夹角为θ的线偏振片的Muller矩阵为

11cos2M2sin20cos2cos2sin2cos202sin2sin2cos2sin22000 00光经过相位延迟器，再经过线性偏振片后，光强可表示为：

I(θ,)=1/2[S0+S1cos2θ+S2sin2θcos+S3sin2θsin] 可以得出：

S0=2I0

S1=2I(0°, )-2I0

S2=2I(45°,0)-2I0 S3=2I(45°,π/2)-2I0

1.4 偏振片的方向怎么控制？

根据Stokes向量的推导过程，x、y轴是一个参考方向。

1.5 线偏振度(DoLP)光束中线偏振光的光强度和整个光强度之比值。可表示为：

DoP=(S12+S22+)1/2/S0 DoLP表达式原因：对于完全线偏振光有S12+S22=S02

2.Muller矩阵的推导 2.1 偏振器件的Muller矩阵

假设入射光的x、y方向的场强分别为Ex、Ey；通过器件后出射光x、y方向的场强分别为Ex=pxEx，Ey=pyEy。则： 入射光Stokes向量为： **SEEEExxyy ExEx*EyEy*ExEy*EyEx*iExEy*EyEx*11110000001i0ExEx**EE0yy*1ExEy*EEiyx

出射光Stokes向量为：

2*2*SpxExExpyEyEypx2ExEx*py2EyEy*ExEx*px22*EEyypxpxpyExEy*0*ipxpyEEyx000002pxpy0S0S010S22pxpyS30py2py200pxpyExEy*pxpyEyEx*00pxpyipxpy1111pxpy00ipxpy000000ipxpyExEy*EyEx*0011ii1px22px00py2py20000pxpyipxpyS0S1S2S3px2py2221px-py020px2-py2px2py200∴其Muller矩阵为

px2py2221px-py020px2-py2px2py200002pxpy00 02pxpy02.2 线偏振片的Muller矩阵

假设入射光的光强为E，在x、y轴分量分别为Ex、Ey。偏振片与x轴夹角为θ。出射光光强为E，在x、y轴分量分别为Ex、Ey。

yEyβEE'yxEβE'θE'xExx

则：Ex=Ecos

Ey=Esin

Ex = Ecosθ = Ecos(-θ)cosθ = Ecoscos2θ+Esinsinθcosθ = Excos2θ+Eysinθcosθ Ey = Esinθ = Ecos(-θ)sinθ = Exsinθcosθ+Eysin2θ 那么，入射光的Stokes向量可表示为

**SEEEExxyy ExEx*EyEy*ExEy*EyEx*iExEy*EyEx*11110000001iExEx*0ExEx***EEEE0yyyyM**ExEy1ExEy**EEEEiyxyx

出射光的Stokes向量可表示为：

S0 =(Excos2θ+Eysinθcosθ)(Excos2θ+Eysinθcosθ)*+(Exsinθcosθ+Eysin2θ)(Exsinθcosθ+Eysin2θ)*

= ExE*xcos2θ + ExE*ysinθcosθ + EyE*xsinθcosθ + EyE*ysin2θ

S1 =(Excos2θ+Eysinθcosθ)(Excos2θ+Eysinθcosθ)*-(Exsinθcosθ+Eysin2θ)(Exsinθcosθ+Eysin2θ)*

= ExE*xcos2θcos2θ + ExE*ysinθcosθcos2θ + EyE*xsinθcosθcos2θ + EyE*ysin2θcos2θ

S2 =(Excos2θ+Eysinθcosθ)(Exsinθcosθ+Eysin2θ)* +(Excos2θ+Eysinθcosθ)*(Exsinθcosθ+Eysin2θ)

= 2ExE*xcos3θsinθ + 2ExE*ysin2θcos2θ + 2EyE*xsin2θcos2θ + 2EyE*ycos3θsinθ S3 =0 因此，有

cos22coscos2S2sincos30sin2sin2cos22sin3cos0sincossincoscos22sin2cos20ExEx*ExEx*sincos*EyEy*sincoscos2EyEyN *ExEy*2sin2cos2ExEy**EEEE0yxyx得到：

cos22coscos2-1SNMS2sincos30sin2sin2cos22sin3cos0sincossincoscos22sin2cos2011sincoscos2112sin2cos200000sincos0000S11ii01cos2sin2sincos2coscos2sin2cos2sincoscos22sincos32sin3cos2sin2cos2000cos2sin201cos22sin2cos201cos2S2sin202sin2sin2cos20000sincos11sincoscos21112sin2cos2200000000S1i1i 2.3 快轴方向为0的相位延迟器的Muller矩阵

假设相位延迟期在电场正交方向产生的相位延迟两为，x方向相位超前/2，y方向相位落后/2。则：Ex=Exe/2，Ey=Eye-/2。

S0ExEx*EyEy*S0S1ExEx*EyEy*S1S2eExEy*eEyEx*cosExEy*EyEx*sinExEy*EyEx*cosS2sinS3S3eiExEy*eiEyEx*icosExEy*EyEx*sinExEy*EyEx*sinS2cosS3

S01S10∴

S200S3010S00S1

0cossinS20sincosS3002.4 反射的偏振特性

（1）电介质(不考虑介质吸收)假设在介质1中，入射光的Stokes向量为：

S0EsEs*EpEp*S1EsEs*EpEp*S2EsEp*EpEs*S3iEsEp*iEpEs*

则反射光的Stokes向量为：

rs2EsEs*rp2EpEp*S0S1rs2EsEs*rp2EpEp*rsrpEsEp*rsrpEpEs*S2S3irsrpEsEp*iEpEs*

式中，rs和rp分别表示入射光s分量和p分量菲涅尔反射系数。可以求解出电介质的反射Muller矩阵为： r2sr2p221rsrpM200r2sr2pr2sr2p00002rsrp02rsrp000cos2ircos2ircos2ir-cos2ir0022222001tanircosir-cosircosircosir2sin00-2coscos0iririr000-2cosircosir

同理，可以求出电介质的透射Muller矩阵为：

t2st2p221tstpM200t2st2pt2st2p00002tstp02tstp000cosir1cosir1002200cosir1cosir1002cosir00002cosir22

sin2isin2r2cosirsinir2（2）具有复折射率的材质的Muller矩阵

——同时考虑材质的反射、吸收、折射，计算得到材质表面的反射Muller矩阵

一般材质，具有反射、折射、吸收特性。其复折射率为=n+ik，n表示折射率，k表示吸收因子。下式解出的为反射率和透射率。

反射Muller矩阵为：

2s2p221spM0202s2p2s2p00002sp0spsp1M2002sp000spsp00002sp00 02sp0（3）双向偏振反射

Collet从电介质和金属表面推出了第一表面反射的米勒矩阵。对电介质，米勒矩阵为：

这里。

金属的弥勒矩阵为：

（3.77）

其中。

分别表示垂直入射平面和平行入射平面偏振的相位变化。由于材质的折射率是个复数，这些相位变化可能会是非零的。结合（3.50），（3.51），（3.77），令=0，可以从式(3.77)得到式(3.76)。

2.5 散射的偏振特性

（1）Mie 散射

主要描述气溶胶分子的散射（0.1<<50,其中=2πr/）。（2）Rayleigh散射

主要描述大气分子的散射（<0.1,其中=2πr/）。

（3）大气Muller矩阵

①

Modtran计算大气透过率计算Muller矩阵。难点：如果确定s、p分量的透过率？ ②

2.6 自发辐射的偏振特性

黑体是理想的发射体，可以看作不具有偏振特性。（1）镜面辐射

材质表面反射率可表示为：

其中，ψ表示发射角：观测方向与目标表面法线的夹角。由此可以推导出s、p分量的发射率

目标表面辐射的偏振态可以表示为：

式中，||E||2=||Ex||2+||Ey||2=(x+y)Lb(,T)目标表面辐射Stokes向量可以表示为：

(2)粗糙表面的Stokes向量

式中，θ表示观察方向与目标表面法线的夹角。、表示微面元法线与目标表面法线的夹角、微面元法线在xy平面投影与x轴夹角，它们描述了微面元法线的分布。

表示粗糙度，单位μm。2.7 DIRSIG中的传感器Muller矩阵

S表示偏振灵敏度

2.8 偏振成像原理

目标辐射（偏振态S'）入射光(偏振态S)大气Muller矩阵M1M1S+M2M1S+S'目标反射（Muller矩阵M2）大气M3(M2M1S+S')（Muller矩阵M3）M5M4M3(M2M1S+S')+S''探测器响应和电路系统效应产生Muller矩阵M5和额外Stokes向量S''M4M3(M2M1S+S')光学系统（Muller矩阵M4）偏振图像输出

3.Jones向量与Jones矩阵

Ex=E0xcos(t-kz+x)

Ey= E0ycos(t-kz+y)Jones向量表示为：

Exeix EiyEye

Jones矩阵为

jJ11j21j12 j22E=JE 3.1 偏振器件Jones矩阵

假设入射光的x、y方向的场强分别为Ex、Ey；通过器件后出射光x、y方向的场强分别为Ex=pxEx，Ey=pyEy。则：

ExeixpxExeixpxEiyiy0eEypyEyei0Exexiy pyEye3.2 线偏振片的Jones矩阵

假设入射光的光强为E，在x、y轴分量分别为Ex、Ey。偏振片与x轴夹角为θ。出射光光强为E，在x、y轴分量分别为Ex、Ey。Ex=Ecos

Ey=Esin

Ex = Ecosθ = Ecos(-θ)cosθ = Ecoscos2θ+Esinsinθcosθ = Excos2θ+Eysinθcosθ Ey = Esinθ = Ecos(-θ)sinθ = Exsinθcosθ+Eysin2θ

i2ExeixExcosEysincosexcos2∴ Eiyiy2sincosEyeExsincosEysineisincosExex iy2sinEye4.红外系统偏振特性分析

4.1 系统信号响应特性对偏振测量的影响

（1）传统测量方法

把待测光分为4束，光信号经过不同的光路:第1路直接进入探测器(I0)； 第2、3路经起偏器后进入探测器，两个起偏器透光轴的夹角为45°(I1,I2)；第4路先经1/4波片，然后经起偏器后进入探测器，该起偏器的透光轴与第3路相同(I3)。用4个光探测器同时完成对某一瞬时Stokes矢量的测量, 然后计算DoP。

快轴方向为0°的相位延迟器的Muller矩阵为

110M2000100 0cossin0sincos00光轴与x轴夹角为θ的线偏振片的Muller矩阵为

11cos2M2sin20cos2cos22sin2cos20sin2sin2cos2sin22000 00光经过相位延迟器，再经过线性偏振片后，光强可表示为：

I(θ,)=1/2[S0+S1cos2θ+S2sin2θcos+S3sin2θsin] 可以得出：

S0=2I0

S1=2I(0°,0)-2I0

S2=2I(45°,0)-2I0 S3=2I(45°,π/2)-2I0

（2）系统信号响应特性对偏振测量的影响

从传统的Stokes测量方法可以看出，入射光的Stokes测量主要与通过偏振器件后光能量有关。但是，利用成像系统测量通过偏振器件后光能量时，成像系统输出的电信号/图像灰度信号，而不是光能量。然而成像系统输出的电信号/图像灰度信号不仅包含了响应光能量产生的电信号/图像灰度信号，而且包含了系统噪声，并且系统的光学器件也会对这部分光能量产生衰减。因此，成像系统的信号响应特性会对偏振测量产生影响。上述偏振测量过程，可以表示为：

成像系统信号响应过程入射光L(L0,L1,L2,L3)偏振器件光学透过探测器响应前置放大器转换灰度量化① 入射光：辐射亮度为L0，偏振态用Stokes向量可表示为L(L0,L1,L2,L3)。

② 偏振器件：入射光通过偏振器件后，其Stokes向量可表示为L(1)(L0(1),L1(1),L2(1),L3(1))

L(1)(L0(1),L1(1),L2(1),L3(1))=M(θ,)L(L0,L1,L2,L3)③ 成像系统信号响应：Vi,GiRi12A/D2图像显示Gray L0(1),Ai4F1Moptics2opticsdDi

Gri,255Vi,VminVmaxVmin2255GiVmaxVminR4Fi1L0(1),Ai21Moptics255Vmin255dDopticsi2VmaxVminVmaxVmin

④ 测量得到的Stokes向量可表示为

S0=2Gri S1=2Gri(0°,0)-2Gri

S2=2Gri(45°,0)-2Gri S3=2Gri(45°,π/2)-2Gri 对上式展开可以得到：

500GiS02GriVmaxVmin21RiL0Ai4F21Moptics2d2optics500Vmin500 DiVmaxVminVmaxVmin500GiS12Gri0,02S0VmaxVmin500GiS22Gri45,02S0VmaxVminRi1L0(1)0,0L0Ai4F1Moptics22opticsd

2Ri1L0(1)45,0L0Ai4F1Moptics22opticsd

500GiS32Gri45,2S02VmaxVmin21RiL0(1)45,L0Ai24F1Moptics22opticsd

而入射光的实际Stokes向量为：

S0=L0

S1=2L(1)(0°,0)-2L0

S2=2 L(1)(45°,0)-2L0 S3=2 L(1)(45°,π/2)-2L0

⑤ 测量得到的偏振度 S12S22S32DoPS02222(1)(1)2L0,0LAL45,0LA00i00iGiRiopticsdGiRiopticsd22224F1M4F1M11opticsoptics2(1)2L045,L0Ai222LA0iGRGiRidDiVminopticsdii22optics224F1Moptics4F1Moptics11

而入射光的实际偏振度为： S12S22S32DoPS02L0,0LL45,0L(1)2(1)000022(1) L045,L02L024.2 成像系统MTF对偏振测量的影响

入射光偏振器件成像系统输出图像

① 入射光：辐射亮度为L0，偏振态用Stokes向量可表示为L(L0,L1,L2,L3)。

② 偏振器件：入射光通过偏振器件后，其Stokes向量可表示为L(1)(L0(1),L1(1),L2(1),L3(1))

L(1)(L0(1),L1(1),L2(1),L3(1))=M(θ,)L(L0,L1,L2,L3)③ 成像系统信号响应：Vi,GiRi12L0(1),Ai4F1Moptics22opticsdDi

Gri,255Vi,VminVmaxVmin2255GiVmaxVminR4Fi1L0(1),Ai21Moptics255Vmin255dDi2opticsVmaxVminVmaxVmin

④ MTF

第五篇：光教学设计

《光是怎样传播的》教学设计

教学内容: 教科版五年级上册第二单元第3课，书上第28-29页。教学目标：

认知目标：

1.光是直线传播的。

2.光的速度为30万千米每秒。

过程与方法：

1.有依据地推测光的传播路径。2.验证光是直线传播的实验。

3.通过实验中的现象分析推理得出光是直线传播的。4.利用光的传播规律解释为什么会有影子。5..会画光传播的路线图。

情感、态度、价值观：

1.培养学生爱思考的习惯，以及善于思考的能力，知道推测要有理有据。

2.在实验中能认真观察、勤于思考，根据实验结果实事求是地进行分析、推理，得出结论的能力。教学重点、难点：

教学重点: 通过有理有据的推测和实验认识到光是沿直线传播的。

教学难点： 会用多种方法验证光的传播路径。教学方法：

实验法、演示法、提问法、讨论法、小组合作。教学准备：

教具：有关光是直线传播的图片和课件。

学具：手电筒、3张在同一位置打孔的长方形卡纸、剪刀、夹子、屏、空心弯管和直管。教学过程： 回顾前情:

上一节课，我们学习了《阳光下的影子》，你能对大家说说：一天当中，物体的影子是如何变化的吗？ 引入新课：

影子是由光照射到物体上被遮挡住，在屏上产生的。提问：那么光是怎样到达物体的呢？ 教学新课：

一、让学生提出光是怎样传播的猜想。

舞台上五光十色的霓虹灯很美，当我们被它吸引时是否想过光是从哪里来的？又是怎样照到物体上的？说说你又是凭什么猜测的呢？

学生1：光是沿直线向外传播的，如果桌子遮挡了光，桌子下就没有光。

学生2：光是一圈圈地向外传播的，并且光一圈一圈地变暗 淡。的确，很多儿童书、动画片中就是这样呈现烛光等光现象。学生3：光是沿着直线传播的，有时也会拐弯。

学生4：光是像波浪一样向外传播。……

二、教师出示实验材料，学生小组讨论如何利用材料进行实验证实猜想。

1.学生小组讨论

2.各个小组交流讨论结果。

3.学生动手进行实验验证猜想并填写实验记录表。学生反复验证，发现必须把纸屏对齐，手电筒的光才能达到白屏。大部分学生同意——光是沿着直线传播的。

一部分学生认为光恰好拐着弯穿过纸屏，正好到达白屏。4.讨论：怎样改进实验来说服呢？

5.实验改进方法。a.增加带孔纸屏。

b.任意调整两个带孔纸屏之间的距离。6.继续进行实验。

手电筒的光能到达白屏，并形成一个光斑。7.最终建构科学概念：光沿着直线传播。

三、了解其它验证光是以直线传播的例子。1.说说生活中其它验证光是以直线传播的例子。2.深入探索。

教师提供小组实验材料:空心弯管和直管。学生小组自由探索、求证。

3.你有什么有待于解决的疑问吗？

4.学生用画图形式表达光是以直线传播的例子。

四、解释影子是怎样产生的？

1．光是以怎样的形式照射到物体上的？

2．光在沿直线传播的过程中，遇到不透明的物体，在物体的背光面，形成了一个黑暗的区域，便形成了影子。

五、了解光的小知识。

来自太阳的光在空气中以每秒约30万千米的速度传播，没有任何东西比光线传播得更快了。太阳离地球的距离为1.5亿千米,从太阳发出的光到达地球约需要8分钟。

六、学习总结。

今天，有哪些收获？又有什么新的疑惑呢？

七、拓展思考和实践。光能在水里传播吗? 如果能，是直线传播吗？和空气中的传播速度一样吗？ 板书设计：

2.3.光是怎样传播的

光在空气中是以直线形式传播的 每秒约30万千米的速度

从太阳发出的光到达地球约需要8分钟 教学反思：

1.这节课，教师首先提前提出一个科学问题，从而引起学生的好奇心。好奇心是学生开展学习的原始动力，培养学生的好奇心，有利于促进他们对身边事物的观察，并能进而引导学生发现问题提出问题，从而促进学生学习探究技能的形成。

2.教师适时的鼓励学生们提问，能够发展学生思维求异性，同时培养学生的创造个性。

3.绘图是以直观的形式，把头脑中的构思设计描绘出来，他比语言表达更形象、生动、准确、可靠。所以，教师引导学生用画图的形式表达出光是以直线传播的。

4.小学生思维的灵感，需要在教师的指导下让他们自己亲身经历去探索实践。最后，教师安排了课后拓展思考和实践，使学生在科学探究的时间和空间上都得到了延伸。