雙縫干涉測波長實驗的改進

劉銀奎

(樂清市第二中學(xué),浙江 樂清 325600)

1801年，英國物理學(xué)家托馬斯·楊成功地觀察到了光的干涉現(xiàn)象，證明了光的波動性，楊氏干涉實驗是光學(xué)發(fā)展史上具有里程碑意義的實驗之一，被譽為“十大最美物理實驗”之一，也是高中學(xué)生必做的實驗，是學(xué)生了解光的干涉現(xiàn)象、掌握光的波動特性的重要實驗. 但是人教版教材中的實驗儀器相當(dāng)復(fù)雜，調(diào)節(jié)很困難，測量精確度不高，阻礙了學(xué)生對光的干涉的理解. 本文對該實驗裝置進行了改進，利用改進后的裝置對光的波動性進行一些有益的探究.

1 原實驗存在的不足

圖1為人教版教材中光的雙縫干涉實驗儀器，該實驗在操作中存在如下一些不足：

圖1 教材中的雙縫干涉裝置

1)實驗儀器復(fù)雜，有10多個部件組成；操作與調(diào)試繁瑣，各個部件要調(diào)成水平共軸、單縫和雙縫要相互平行，學(xué)生很可能經(jīng)過較長時間調(diào)試也難以觀察到干涉條紋.

2)實驗中光源發(fā)出的光先經(jīng)濾光片成為單色光，再照亮單縫，然后照亮雙縫，最后在光屏上出現(xiàn)干涉條紋，所以條紋亮度很低，需要在較暗的環(huán)境中觀察條紋(要在遮光筒中進行觀測)，現(xiàn)象不直觀明顯.

3)實驗需要通過測微目鏡測量條紋寬度，測量時，測量者需要眼睛緊貼測微目鏡才能觀察到干涉條紋，容易因視力疲勞引起較大的測量誤差.

所以，即使學(xué)生很認真、細心地做該實驗，也可能觀察不到干涉條紋或測量波長誤差很大(超過10%)，挫傷學(xué)生的積極性.

2 對原實驗裝置的改進

為了克服傳統(tǒng)實驗的不足，設(shè)計了雙縫干涉裝置，采用紅綠激筆直接照射雙縫展示雙縫干涉現(xiàn)象，實驗現(xiàn)象明顯，觀測方便，測量精度高.

2.1 實驗器材

改進后的雙縫干涉裝置如圖2所示. 采用的器材為：功率較大的激光筆(型號為Laser303)2只(紅光與綠光)，雙縫片3個(雙縫間距分別為：0.08 mm，0.20 mm，0.25 mm)，光具座(長度1 m)，自制帶測量頭(10分度的游標(biāo)卡尺)的光屏，擋光片.

圖2 改進后的雙縫干涉裝置

2.2 各部件的制作過程

1)激光筆支架. 如圖3(a)所示，固定片用金屬薄片制成，底端用螺母與金屬桿(與光具座配套)相連.

2)雙縫組件. 取3個光學(xué)實驗中常用的小透鏡，取下上面的小鏡片，用砂紙或刀片仔細打磨透鏡的內(nèi)邊框，使透鏡邊框的內(nèi)徑與雙縫片的外徑相匹配，然后用膠水粘合兩者，如圖3(b)所示，最后安裝光具座配套的金屬桿.

(a) (b) (c)圖3 各部分組件的制作

3)擋光片. 取實驗室現(xiàn)成的塑料光屏，用刀片切掉上半部分，并用砂紙把切口打磨平整，再安裝上金屬桿，如圖3(c)所示. 擋光片的作用是用來擋住照射在游標(biāo)尺上的激光，使觀測者容易把游標(biāo)零刻線對準(zhǔn)某一亮紋中央.

4)帶有測量頭的光屏. 取原實驗裝置中廢舊的測量頭(游標(biāo)卡尺型的)，拆除劃板、目鏡、手輪等，只保留小型的“游標(biāo)卡尺”，如圖4所示，再取廢舊的10分度的游標(biāo)卡尺，將10分度的游標(biāo)(19 mm分成10格)與測量頭上的50分度游標(biāo)對換. 最后用白色硬紙片做7 cm×6 cm的光屏，并用雙面膠粘在測量頭上方，最后安裝上金屬桿.

圖4 帶有測量頭的光屏

3 改進后的裝置實驗功能展示

將裝有激光筆的支架安裝在光具座上最左邊的固定插孔內(nèi)，將帶測量頭的光屏安裝在光具座最右邊的可移動的滑座上，在光具座最左邊的可移動滑座上安裝雙縫，在光屏與雙縫間滑座上安裝擋光片，如圖2所示. 打開激光筆開關(guān)，調(diào)節(jié)各個部件的高度，使激光、雙縫、光屏的中心在同一水平高度，即讓激光束通過雙縫片中心到達光屏中央.

3.1 觀察雙縫干涉現(xiàn)象

調(diào)節(jié)激光筆前端的聚焦旋鈕，使激光由光點變成小光斑，直接照射兩縫，光屏上立即呈現(xiàn)明暗相間的干涉條紋，用肉眼直接觀察，現(xiàn)象直觀明顯，如圖5所示.

(a)紅光與綠光條紋對比

(b)不同寬度的紅光條紋對比圖5 雙縫干涉圖樣

3.2 定性探究相鄰亮條紋的間距Δx與光波波長λ、雙縫間距d、光源到屏的距離L間的關(guān)系

放上紅色激光筆，雙縫間距d=0.08 mm，左右移動光屏的滑座，改變雙縫到屏的距離L，可以明顯觀察到相鄰亮條紋的間距Δx隨著光源到屏幕的距離變大而變大.

放上紅色激光筆，保持光屏位置、雙縫位置不變，只更換雙縫間距d，可以明顯觀察到相鄰亮條紋的間距Δx隨縫寬d變窄而變大.

保持光屏和雙縫位置不變，雙縫間距d=0.08 mm. 把紅光換成綠光(即波長變小) ，可以明顯觀察到相鄰亮條紋的間距Δx隨著波長變小而變小.

3.3 方便準(zhǔn)確地測量紅光與綠光的波長

圖6 游標(biāo)卡尺測條紋間距

d/mmL/mmΔx紅/mmλ紅/nmΔx綠/mmλ綠/nm0.08400.03.24648.002.62524.000.08500.04.11656.803.27522.400.08600.04.82642.003.92522.000.08700.05.61640.574.57521.710.08800.06.42641.505.19519.00

3.4 定量探究相鄰亮條紋的間距Δx與光波波長λ、雙縫間距d、雙縫到屏的距離L間的關(guān)系

雙縫間距d可取0.08,0.20,0.25 mm，激光波長可取綠光λ=532 nm和紅光λ=650 nm，L(雙縫到屏的距離)可取到400～800 mm的5組數(shù)據(jù)，Δx(相鄰亮條紋的間距)可以在測量頭上測出. 測量數(shù)據(jù)如表2所示，根據(jù)控制變量法并利用Excel探究各個物理量之間的關(guān)系，如圖7～9所示.

表2 定量探究關(guān)系實驗數(shù)據(jù)

圖7 當(dāng)d=0.08 mm,Δx與L的關(guān)系

圖8 當(dāng)d=0.08 mm,Δx與λ的關(guān)系

圖9 當(dāng)L=800.0 mm,Δx與d-1的關(guān)系

4 實驗功能拓展

4.1 演示泊松亮斑

打開激光筆開關(guān)，調(diào)節(jié)激光筆前端的聚焦旋鈕，使激光由小光點變成較大光斑，再把4個磁性小鋼球(直徑依次為3，4，5，6 mm)豎直疊放在金屬桿的頂端，如圖10(a)所示，安裝在光屏與激光筆當(dāng)中的滑座上，適當(dāng)調(diào)節(jié)激光光斑大小和小鋼球位置，在光屏上的黑色圓斑中央出現(xiàn)清晰明亮的點——泊松亮斑，同時也可以上下移動金屬桿，使不同的直徑的小球依次能觀察到泊松亮斑，如圖10(b)所示. 實現(xiàn)短距離、高清晰的泊松亮斑衍射圖樣.

(a) (b) 圖10 泊松亮斑演示

4.2 演示單縫衍射

可演示不同縫寬的單縫衍射圖樣，也可演示不同波長對同一單縫的衍射圖樣. 如圖11所示.

4.3 小孔衍射演示

在光屏上可以方便地觀察到各種形狀小孔的衍射圖樣，如圖12所示.

(a) (b) (c)圖12 小孔衍射現(xiàn)象