製作窩關於偏振光的科學小實驗 彩色花紋背後的祕密
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圖１：塑料刀叉上的美麗條紋
如果我把這樣的圖裝進畫框，掛在牆上，你會不會覺得這是後現代派的油畫？或者認為這些流離的彩色花紋是電腦pS出的“特效”？不，我要告訴你的是，這些色彩背後，都是如假包換的科學。
數學往往可以給出精確的結果，但是有很多時候，解析過程太過繁瑣，直觀的影象可以給你直接的答案。舉個例子想一想，你用兩隻手捏住一根直尺的兩端，然後輕輕折一下。請問，現在尺子內部的應力分佈是什麼樣子？（應力就是材料對外力作用的反應，通常表現為形變，單位和壓強一樣）。當然，可以套上力矩、彈性模量的公式來算，但是它只會給你一個極其複雜的表達方式。然而大家都會有種直觀的感覺，那就是肯定在彎曲的地方的應力最大，兩側最小。那麼如果不是一隻直尺，而是個更加複雜的物體呢？有沒有什麼東西可以跳過繁瑣的數學公式，給人以直觀的“感覺”呢？當然有。光彈性法就是一個很好的例子。
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很多介質都是各個方向都性質均一，但是也有一些介質，具有雙折射現象，也就是說光經過介質時會產生兩個方向的折射光。例如，方解石（碳酸鈣）是一種常見的礦物，鐘乳石、石灰岩中的主要成分，透明的方解石晶體就是一個雙折射晶體，如圖所示，經過方解石經常可以看到物體的“重影”。
圖2：方解石是雙折射晶體，透過方解石可以看到物體的雙重影像
光彈性指的是在外力的作用下，將各向同性的材料變成瞬時的雙折射材料，可表現出直觀的光學影象變化這樣一種特點。典型的光彈性實驗是利用具有這種雙折射效應的透明塑料製成模型，給模型加上載荷，然後射入線偏振光（光是一種電磁波，通常光源下（如太陽光），電場的振動方向是在各個方向上均勻分佈的。當電場振動方向只限於某一固定方向時，就變成為線偏振光），這種塑料在應力改變的時候會改變它兩個方向折射光的折射率。隨著塑料各處應力的不同，對應地方的光學性質也不相同。因此會在模型上顯示為干涉條紋。定性的觀測或者定量的測量干涉條紋，就可以推匯出結構模型在壓力外場下的應力狀態。回頭再來看圖1，是不是很容易從這些直觀的彩色條紋中看出塑料餐具稜角、拐彎處應力比其他地方更大？下圖顯示了量角器的光彈性條紋。
光彈性實驗最初是1930年左右由E.G.科克爾和L.N.G.菲倫提出的，那時他們用這種方法研究橋樑結構等的應力分佈。40年代，M.M.弗羅赫特對光彈性的基本原理、測量方法和模型製造等方面的問題，作了全面系統的總結，從而使光彈性法在工程上獲得廣泛的應用。現在的光彈性實驗已經很成熟：利用直觀的光彈性法可以研究物體在不同幾何形狀和各種複雜的外界壓力作用下的應力分佈，同時也可以跟蹤分析一些裂縫、缺陷的動態變化。對於很多力學研究和工業、製造業都有很重要的意義。
圖3：量角器的光彈性條紋
一把普通的手電筒，一幅偏振片的眼鏡（或者看3維電影的眼鏡），再取個透明塑料管或者透明量角器，塑料紙什麼的，就可以了。
圖4：左：筆者的“光彈性”實驗簡易裝備（手電筒、偏振眼鏡片、透明塑料管、量角器）；右：觀察到的塑料管上的干涉條紋（——透明的東西照相的時候實在太難對焦了……）
用偏振片眼鏡擋住手電筒，然後讓出來的光打在塑料管或者塑料紙上，擰或者拉一下塑料，彩色的條紋立馬就出來了。或者直接觀察透明的量角器或者塑料尺，在邊角應力較大的地方就可以看到彩色條紋了！
線偏振光：光是一種電磁波，通常光源下（如太陽光），電場的振動方向是在各個方向上均勻分佈的。當電場振動方向只限於某一固定方向時，就變成為線偏振光。
偏振片的獲取：如果沒有現成的偏振片眼鏡片，可以找一塊廢棄的液晶屏（比如手機的顯示屏），然後想法將螢幕正反各一片塑料片（偏振片）揭下代替。
改良後的觀看方法：本文作者提供的方法雖然能看見彩色條紋，但顏色較淡，很難看到文中圖片之中的豔麗色彩。其實最簡單的方法是把您家裡的透明塑料三角板或量角器夾在兩片偏振片之間，這時根本不需要藉助任何其它東西，只要對著光亮處您就能看見豔麗的花紋了。您還可以在中間夾玻璃紙（包裝香菸的那層透明紙或我們常用的透明膠帶等），並將玻璃紙隨意摺疊成幾層再看，相信會更豔麗多姿，看的時候您還可以轉動玻璃紙或偏振片看看效果有什麼不同。如果中間夾一張塑料紙（從普通透明塑料袋上剪一塊）則幾乎看不到彩色圖案，但一旦先把塑料紙拼命地拉伸一下再看，也能看到那彩色圖案。若要晚上進行觀察，則應該對著燈光看。如果您有興趣,不妨多找一些透明的材料來實驗,看哪些會產生豔麗的彩色花紋，哪些不會產生。
順便說一句，液晶顯示螢幕發出的是偏振光，因此可以在發光的液晶屏前放塑料三角板等材料，再用眼通過偏振片看三角板等材料就能看到豔麗的花紋了。這樣可以節約一片偏振片，效果也非常好。
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