光是一种波。光波会振动。振动的方向有很多种。有的光波上下振动。有的光波左右振动。有的光波斜着振动。光波振动的方向叫做偏振方向。不是所有的光都是偏振光。太阳光、电灯光不是偏振光。这种光朝各个方向振动。我们称它为自然光。自然光经过某些东西会变成偏振光。研究光的偏振特性很有用。我们的生活中很多地方用到偏振。

我们需要做实验研究偏振。实验需要一些工具。第一个工具是光源。我们用手电筒。手电筒发出自然光。第二个工具是偏振片。偏振片像一块黑色塑料片。偏振片有一个特殊的方向。这个方向叫做透振方向。只有振动方向和透振方向相同的光才能通过。振动方向不同的光被挡住。偏振片可以让自然光变成偏振光。

我们做第一个实验。我们准备两个偏振片。我们把两个偏振片叫做偏振片A和偏振片B。我们先让手电筒的光通过偏振片A。光通过偏振片A后变成了偏振光。我们记下这时光的强度。光很强。我们在偏振片A后面放上偏振片B。我们旋转偏振片B。我们发现了一个现象。当两个偏振片的透振方向平行时，光可以通过偏振片B。我们看到光很亮。当两个偏振片的透振方向垂直时，光不能通过偏振片B。我们看到光很暗。几乎看不见光。当透振方向既不平行也不垂直时，光有一部分通过。光变得有点暗。这个现象很重要。它说明光的偏振是有方向的。两个偏振片组合可以控制光的多少。这叫做马吕斯定律。

我们测量光在不同角度下的强度。我们用量光器测量。量光器可以告诉我们光有多强。偏振片A不动。我们转动偏振片B。我们每转动十五度记录一次光强。转动角度从零度到三百六十度。零度表示两个透振方向平行。九十度表示两个透振方向垂直。实验数据画成图。图是一条波浪线。角度是零度时，光强最大。角度是九十度时，光强最小。角度是一百八十度时，光强又最大。角度是二百七十度时，光强又最小。光强随着角度变化。变化规律是余弦函数的平方。这个实验验证了马吕斯定律。光通过第二个偏振片后的强度，等于进来时的强度乘以角度余弦的平方。

我们做第二个实验。我们研究反射光的偏振。光照射到玻璃上会反射。反射光可能是偏振光。我们用一个偏振片来检查。我们在暗室里做实验。我们用手电筒照一块平板玻璃。我们让光斜着照向玻璃。反射光射到墙上。我们在手电筒和玻璃之间放一个偏振片。这个偏振片可以改变入射光的偏振状态。我们先让自然光入射。我们拿另一个偏振片放在眼睛前面。我们通过这个偏振片看玻璃的反射光。我们旋转眼前的偏振片。我们发现反射光的亮度会变化。这说明反射光是部分偏振光。反射光中某个振动方向的光更多。

我们改变入射角。入射角是光线和玻璃表面法线的夹角。我们寻找一个特殊的角。当入射角是某个值时，旋转眼前的偏振片，我们发现有一个位置完全看不见反射光。这个角叫做布儒斯特角。在这个角下，反射光变成了完全偏振光。反射光的振动方向完全平行于玻璃表面。我们测量了这个角度。玻璃的布儒斯特角大约是五十六度。这个角和玻璃的折射率有关系。布儒斯特角的正切值等于玻璃的折射率。我们的测量结果接近理论值。这个实验说明反射可以产生偏振光。摄影师用这个原理。他们用偏振镜消除玻璃的反光。偏振镜就是一个偏振片。旋转偏振镜可以挡住反射的偏振光。这样照片里就没有反光了。

我们做第三个实验。我们研究折射光的偏振。光穿过玻璃时也会发生折射。折射光也是部分偏振光。我们让一束自然光以布儒斯特角入射玻璃。反射光是完全偏振光。那么折射光呢？我们用偏振片检查折射光。我们发现折射光也是偏振的。但折射光不是完全偏振光。折射光中包含了大部分另一方向的光。反射光和折射光的偏振方向是垂直的。如果我们用多片玻璃叠在一起。让光多次以布儒斯特角入射。每一次折射都会让光更偏振。最后折射光也接近完全偏振光。这个装置叫玻璃堆。它可以用来产生偏振光。

我们做第四个实验。我们研究偏振光通过某些物质的变化。有些物质是各向异性的。光通过它们时，偏振方向会发生旋转。糖溶液就有这个本领。我们配置一杯浓糖水。糖水放在一个透明杯子里。我们在杯子两边各放一个偏振片。两个偏振片的透振方向一开始垂直。没有光通过。我们把糖水杯子放在两个偏振片中间。我们看到了光。糖水改变了光的偏振方向。光可以通过第二个偏振片了。我们旋转第二个偏振片。我们可以找到一个最亮的位置。旋转的角度就是糖水使偏振光旋转的角度。这个现象叫旋光。旋光的角度和糖的浓度有关。浓度越大，旋转角度越大。旋光的角度和光通过的溶液长度有关。长度越长，旋转角度越大。这个原理可以用来测糖的浓度。仪器叫旋光仪。它在制糖工业很有用。

我们做第五个实验。我们观察日常生活中的偏振光。天空的光是偏振光。蓝天是阳光被空气分子散射形成的。散射光有偏振性。我们拿一个偏振片对着天空看。旋转偏振片，天空的亮度会变化。这证明天光是偏振的。液晶显示屏也发出偏振光。手机屏幕、计算器屏幕都是液晶的。我们拿偏振片看手机屏幕。旋转偏振片，屏幕会变暗甚至变黑。这说明屏幕光也是偏振光。太阳镜很多是偏振镜片。戴偏振太阳镜看水面，水面的反光变弱了。我们可以看见水下的东西。偏振镜片挡住了水面反射的偏振光。汽车的车灯也用到了偏振。有些汽车的挡风玻璃和车灯装了偏振片。这样对面车灯的光不会太刺眼。这些例子告诉我们偏振很有用。

我们总结实验的发现。光的偏振是光的振动方向特性。偏振片可以选择特定振动方向的光。两个偏振片组合可以控制光强。马吕斯定律描述了光强和角度的关系。反射和折射可以产生偏振光。布儒斯特角是一个特殊的角。反射光在布儒斯特角下是完全偏振光。某些物质可以使偏振光的振动面旋转。这叫旋光现象。日常生活中的许多光都是偏振光。天空光、液晶屏光、水面反光都是例子。

这些实验帮助我们理解光的波动性。光不是简单的射线。光是一种横波。横波的振动方向垂直于传播方向。偏振是横波独有的性质。声音是纵波。纵波没有偏振。光的偏振证明光是横波。光的电磁理论也说明了这一点。光波是电场和磁场的振动。电场振动的方向就是光的偏振方向。

我们做实验时要注意一些问题。光源要稳定。手电筒的电池要足。偏振片要对准光路。眼睛要正对光的方向观察。测量角度要准确。用量角器仔细读数。记录数据要及时。画图要仔细标注。实验环境要暗。这样更容易看清光的变化。小组同学要合作。一个人操作，一个人记录，一个人检查。实验做完要整理器材。偏振片要放回盒子，避免划伤。

光的偏振研究还在继续。科学家用偏振研究晶体结构。工程师用偏振设计光学仪器。医生用偏振光检查组织。偏振技术进入了许多领域。我们的实验是基础。我们看到了光的奇妙性质。我们理解了原理。我们学会了方法。我们知道了应用。这就是研究光的偏振特性的意义。