光的衍射綜合演示儀的設(shè)計(jì)及制作*

宋 煒 凌 焜 楊正波

(湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 湖北 襄陽 441053)

光的衍射綜合演示儀的設(shè)計(jì)及制作*

宋 煒 凌 焜 楊正波

(湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 湖北 襄陽 441053)

介紹了一種光的衍射綜合演示儀的設(shè)計(jì)與制作方法，可在課堂教學(xué)中演示泊松亮斑、圓孔衍射、單線衍射、單縫衍射和光柵衍射等多種光的衍射現(xiàn)象．儀器設(shè)計(jì)巧妙，操作簡單，效果明顯，對幫助學(xué)生理解光的衍射規(guī)律非常有益．

光的衍射 演示儀 設(shè)計(jì)與制作

衍射現(xiàn)象是光的基本特性之一，由于受到衍射條件的限制，生活中很難觀察到光的衍射現(xiàn)象．參考文獻(xiàn)[1～3]分別設(shè)計(jì)制作或改進(jìn)了光的衍射演示儀，但演示現(xiàn)象單一．本文介紹一種利用廢舊光盤和激光筆，巧妙地將圓孔衍射、單線衍射、單縫衍射、光柵衍射和泊松亮斑等多種光的衍射現(xiàn)象綜合設(shè)計(jì)在一起．儀器設(shè)計(jì)巧妙，操作簡單，效果明顯．

1 實(shí)驗(yàn)儀器

如圖1所示，是光的衍射綜合演示儀的正視圖和側(cè)視圖，主要由激光筆、各種衍射障礙物、光屏3部分組成．障礙物是利用廢舊光盤鉆15個(gè)孔，內(nèi)嵌小孔、線、縫、光柵等制作而成，通過旋轉(zhuǎn)光盤選擇不同的障礙物演示不同的衍射現(xiàn)象．其中圓孔衍射、單線衍射、單縫衍射各設(shè)計(jì)了4種不同規(guī)格的障礙物，演示衍射現(xiàn)象與障礙物大小的關(guān)系，從而說明衍射條件；光柵衍射設(shè)計(jì)了平行光柵和正交光柵各1個(gè)；利用水珠的放大特性巧妙地設(shè)計(jì)了演示泊松亮斑的實(shí)驗(yàn)．

圖1 光的衍射綜合演示儀

2 儀器的設(shè)計(jì)與制作

(1)設(shè)計(jì)固定障礙物的圓盤.選取兩張半徑為60 mm的廢舊光盤，疊合在一起用透明膠將邊沿固定，以光盤中心為圓心，在半徑為45 mm的圓周上等間距地鉆出14個(gè)半徑為5 mm的孔和1個(gè)半徑為1 mm的小孔，然后將兩張光盤分開，選其中一張將半徑為1 mm的小孔鉆成半徑為5 mm的孔，如圖2所示．

圖2 固定障礙物圓盤的設(shè)計(jì)圖

(2)障礙物的選取和固定.選取鉆有直徑分別為0.10 mm，0.20 mm，0.30 mm，0.40 mm銅片作為圓孔衍射的障礙物；直徑分別為0.10 mm，0.20 mm，0.50 mm，1.00 mm的細(xì)銅絲為單線衍射的障礙物；將傳統(tǒng)刮胡刀片取段，用刀口相向構(gòu)成間距分別為0.10 mm，0.20 mm，0.30 mm，0.50 mm平行單縫作為單縫衍射的障礙物，并將這些障礙物用膠水依次固定在光盤上的圓孔中心，注意使線和縫的方向過光盤的中心．再分別將平行光柵和正交光柵固定在光盤上的圓孔中心，作為光柵衍射的障礙物．然后用熱熔膠將兩張光盤孔對孔粘在一起，使半徑為1 mm的小孔正好對著另一張沒有障礙物的孔．最后在對應(yīng)障礙物的小孔內(nèi)側(cè)標(biāo)注衍射類型和障礙物的線度，以方便演示．

(3)圓盤轉(zhuǎn)軸的制作.將阻尼轉(zhuǎn)軸插入光盤的中心孔，利用膨脹套使其與阻尼轉(zhuǎn)軸形成過盈配合(過盈配合：阻尼轉(zhuǎn)軸的直徑大于膨脹套的直徑，通過熱脹冷縮的方式將膨脹套加熱，趁孔徑擴(kuò)大，迅速套到軸上，形成一種軸大孔小的緊密配合關(guān)系，此時(shí)軸的公差帶在孔的公差帶之上)．阻尼轉(zhuǎn)軸的作用是使圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中對其有一個(gè)阻礙作用，防止圓盤多轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)，以保證演示時(shí)定位更加精準(zhǔn)．

(4)底板和支架的制作.找兩根長約130 mm兩端有螺紋的金屬棒作為圓盤和激光筆的支架．截取250 mm×140 mm×20 mm的PVC板作為底板，并沿中線鉆兩個(gè)相隔200 mm圓孔，將兩支架通過螺母固定在兩孔中．用螺母將圓盤轉(zhuǎn)軸安裝在其中一個(gè)支架上，另一個(gè)支架固定激光筆．注意調(diào)整激光筆支架的高度，使激光正射到圓盤上端半徑為1 mm的小孔中心．

3 實(shí)驗(yàn)過程

(1)泊松亮斑的演示.在半徑為1mm的小孔內(nèi)用注射器滴一滴水珠，打開激光筆的開關(guān)，調(diào)節(jié)支架使激光正對小孔的中心．水珠相當(dāng)于凸透鏡，具有放大功能，水珠中的雜質(zhì)相當(dāng)于球形障礙物，激光照射到雜質(zhì)經(jīng)過放大之后在光屏上形成許多中心是亮斑的同心圓環(huán)光斑，這就是泊松亮斑；

(2)圓孔衍射的演示.轉(zhuǎn)動(dòng)光盤讓激光依次照射到直徑分別為0.10 mm，0.20 mm，0.30 mm，0.40 mm的圓孔，在光屏上形成同心圓環(huán)光斑，這就是圓孔衍射現(xiàn)象，注意觀察衍射現(xiàn)象的明顯程度與圓孔大小之間的關(guān)系；

(3)單線衍射的演示.轉(zhuǎn)動(dòng)光盤讓激光依次照射到直徑分別為0.10 mm，0.20 mm，0.50 mm，1.00 mm的細(xì)銅絲，在光屏上形成明暗相間的一條直線，這就是單線衍射現(xiàn)象，注意觀察衍射現(xiàn)象的明顯程度與銅絲粗細(xì)之間的關(guān)系；

(4)單縫衍射的演示.轉(zhuǎn)動(dòng)光盤讓激光依次照射到縫寬分別為0.10 mm，0.20 mm，0.30 mm，0.50 mm的單縫，在光屏上形成明暗相間的一條直線，這就是單縫衍射現(xiàn)象，注意觀察衍射現(xiàn)象的明顯程度與縫寬之間的關(guān)系．

通過觀察(2)、(3)、(4)中衍射現(xiàn)象的明顯程度與障礙物線度間的關(guān)系，可以總結(jié)出衍射條件；

(5)光柵衍射的演示.轉(zhuǎn)動(dòng)光盤讓激光依次照射到平行光柵和正交光柵上，演示光柵衍射現(xiàn)象，展示光學(xué)的魅力；

(6)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉激光筆開光，整理好儀器．

4 小結(jié)

演示儀綜合演示了泊松亮斑、圓孔衍射、單線衍射、單縫衍射、光柵衍射等各種光的衍射現(xiàn)象．通過觀察衍射現(xiàn)象的明顯程度與障礙物的線度的關(guān)系，很容易總結(jié)出衍射的條件；同時(shí)通過演示光柵衍射和泊松亮斑，衍射圖案絢麗，再現(xiàn)了古老的難以實(shí)現(xiàn)的泊松亮斑實(shí)驗(yàn)，極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣．

1 林珠，王格，彭保進(jìn)，等.一種光的衍射教學(xué)演示儀.物理教師，2014(8)：64

2 陳浮視.“光的衍射”實(shí)驗(yàn)改進(jìn).物理通報(bào)，2013(7)：129

3 李汀萍.光的全反射、衍射、干涉演示儀的制作.教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2005(9)：38～39

2017-03-31)

*湖北省教育科學(xué)規(guī)劃課題“信息化條件下《大學(xué)物理》教學(xué)評(píng)方式變革研究”，編號(hào)：2015GB109；湖北文理學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目“MOOC時(shí)代地方高校大學(xué)物理‘翻轉(zhuǎn)課堂’教學(xué)模式的研究與實(shí)踐”；編號(hào)：JY2016046