雙縫干涉演示實(shí)驗(yàn)中的雙重現(xiàn)象

楊光喜

（四川省寧南中學(xué)，四川 涼山 615400）

在“光的干涉”一節(jié)的教學(xué)中，一般都要介紹歷史上的楊氏實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)來(lái)說(shuō)明光且有干涉現(xiàn)象，從而證明光是一種波.然后再通過(guò)理論分析屏幕上某個(gè)位置出現(xiàn)明、暗條紋的條件.教科版第78頁(yè)給我們提供了一幅圖片（如圖1所示），通過(guò)圖片來(lái)說(shuō)明單色光通過(guò)雙縫后在屏上產(chǎn)生了疊加，形成了明、暗相間的條紋，即發(fā)生了干涉現(xiàn)象.

然而，要將圖片中的情景展現(xiàn)出來(lái)讓學(xué)生看也不是一件容易的事.如果用實(shí)驗(yàn)室配備的實(shí)驗(yàn)儀器，即教科版教材第2節(jié)上的實(shí)驗(yàn)裝置（如圖2所示）來(lái)做實(shí)驗(yàn)的話，雖然效果好，但有很多不便的地方.首先，學(xué)生不能同時(shí)看到屏幕上的條紋，而只能一個(gè)一個(gè)地通過(guò)目鏡觀察，這樣花費(fèi)的時(shí)間太多，如果班上學(xué)生較多的話，差不多要花1節(jié)課的時(shí)間才能讓每個(gè)學(xué)生都看一次.其次，因要通過(guò)目鏡來(lái)觀看，所以會(huì)出現(xiàn)少數(shù)學(xué)生因自身眼睛的原因看不到圖案而帶來(lái)遺憾.再一個(gè)就是，有的學(xué)生在觀看時(shí)總是要雙手抱著目鏡，這樣很容易造成光源中心與單縫、雙縫和屏之間發(fā)生移位，使得后來(lái)的學(xué)生無(wú)法看到清晰的條紋.

圖1

圖2

隨著小型激光筆越來(lái)越普遍，很多教師在教學(xué)過(guò)程中對(duì)上面的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了有效的改進(jìn)，使得操作變得既簡(jiǎn)單，現(xiàn)象又明顯.具體做法是：用激光筆直接照射雙縫，并將干涉的光直接打到白色墻壁上.通過(guò)改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)避免了上面實(shí)驗(yàn)中的各種弊端，從而提高了教學(xué)效率.

筆者在教學(xué)過(guò)程中也是按上面改進(jìn)后的方法操作的.在做演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，筆者將雙縫調(diào)整為豎直方向，然后讓紅色激光束垂直于雙縫照射，結(jié)果在屏（白色的墻壁）上卻出現(xiàn)了一種奇怪的現(xiàn)象——如圖3所示的“雙重”現(xiàn)象（筆者用相機(jī)將其拍下，但因紅色激光太強(qiáng)，使得照下來(lái)的圖案正中部分看起來(lái)成了白色，正中的邊緣才看到紅色）.

筆者用相同的方法讓紅色激光束垂直照射單縫時(shí)，出現(xiàn)的情況如上面圖4所示（為了便于對(duì)比和說(shuō)明，筆者將兩張照片并排放在一起）.對(duì)圖3（或圖4）中的現(xiàn)象，我們首先要向?qū)W生解釋的是：每一個(gè)光斑實(shí)際是對(duì)應(yīng)著一條豎直的條紋，只是因?yàn)檎丈潆p縫（或單縫）的光不是線光源，是一個(gè)小圓點(diǎn)，因而不能將整個(gè)縫充滿，所以才出現(xiàn)這樣的情況；其次要向?qū)W生說(shuō)明縫是沿豎直方向的，不然學(xué)生會(huì)誤認(rèn)為縫是沿水平方向的，因?yàn)榭吹降膱D案整體是水平狀的.為了說(shuō)明這一點(diǎn)，筆者將圖3的現(xiàn)象畫(huà)成了圖5（a）所示的短條紋.為了證明這一點(diǎn)，我們用一個(gè)凹透鏡（或用所戴的近視眼鏡也可以）先將直徑很小的激光束擴(kuò)展為一個(gè)直徑稍大的激光束，使其光束的直徑差不多與雙縫的長(zhǎng)度相當(dāng)，再讓其垂直照射雙縫，這時(shí)我們就會(huì)看到條紋明顯的變長(zhǎng)了，如圖5（b）所示（只有條紋的亮度和清晰與擴(kuò)展前的要差一點(diǎn)）.

圖3

圖4

圖5

通過(guò)對(duì)比圖3、圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，在干涉現(xiàn)象中，從整個(gè)干涉圖案的明亮程度和布局來(lái)看，明顯的與單縫衍射時(shí)的圖案（即中央為最大最寬的亮條紋，兩邊是亮度和寬度都迅速減小的明、暗相間的條紋）相似.而單從條紋間的距離來(lái)看的話，又基本上是平行等距的，說(shuō)明是干涉所產(chǎn)生的結(jié)果.那么，為什么會(huì)出現(xiàn)圖3所示的現(xiàn)象呢？

原來(lái)，我們所用的雙縫一般都是從實(shí)驗(yàn)室中配套的干涉儀中取出來(lái)的，雙縫間的距離都比較?。ㄒ话愣荚?.25mm以下，有的甚至只有零點(diǎn)零幾毫米），這樣小的距離有時(shí)候我們用肉眼都很難分辨出它們，看起來(lái)覺(jué)得就是一條縫.如果我們把挨得這么近的兩條縫當(dāng)成一條縫來(lái)看，那么，圖3中的明、暗相間的條紋組就很容易解釋了.圖中從左到右都是間距相等的明暗條紋，這顯然是雙縫干涉所產(chǎn)生的；當(dāng)將雙縫當(dāng)成單縫，衍射所產(chǎn)生的亮條紋與干涉產(chǎn)生的亮紋疊加在一起，就出現(xiàn)了一組亮條紋，而產(chǎn)生的暗紋所處的位置就只有干涉的條紋，所以這個(gè)位置就相對(duì)要暗一些.這樣疊加之后就出現(xiàn)了圖3中所看到的“雙重”現(xiàn)象.

那么，為什么用雙縫干涉儀來(lái)做這個(gè)干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)又不會(huì)出現(xiàn)上面的現(xiàn)象呢？這是因?yàn)閮x器中的光屏太小，屏上只能顯示出圖3中的正中最亮的那一組干涉條紋，所以我們無(wú)法看到兩邊對(duì)稱(chēng)的那些亮條紋組.

在教學(xué)過(guò)程中，雖然我們對(duì)實(shí)驗(yàn)的演示方法進(jìn)行了改進(jìn)，但對(duì)改進(jìn)后出現(xiàn)的新現(xiàn)象我們一定要弄清原由，必要時(shí)才能給學(xué)生作出合理的解釋.