光干涉现象的演示

赵春红,牛孔贞

(南开大学物理科学学院,天津300071)

光干涉现象的演示

赵春红,牛孔贞

(南开大学物理科学学院,天津300071)

采用传统方法演示孔(双孔、三孔)和缝(双缝、三缝)的干涉图像,与由传感器采集图像信息后由计算机得出干涉光强分布曲线进行比较,两种方法获得的实验图像符合较好.

干涉;演示实验;多样化教学

1 引 言

近年来,随着教育教学改革的不断深入发展,演示实验已经成为物理教学中不可缺少的重要教学手段和有效的教学形式,是物理教学中的重要组成部分.它不仅能激发学生的学习兴趣和爱好,活跃课堂气氛,而且还能培养学生的观察能力、思维能力、创新能力、探索精神和科学素质.

本文通过2种方法演示了孔(双孔、三孔)、缝(双缝、三缝)的干涉现象,使学生养成细致观察的习惯,进而培养学生分析判断能力和创新精神.

2 简单直观的演示方法

2.1 实验原理

2束相干光(或多束光)叠加,能够引起光强的再分布的现象叫做光的干涉.干涉是光波的振幅叠加引起的,因而在干涉区产生明暗相间的干涉条纹.理论上:N条狭缝的光强分布为

缝间干涉因子的作用:

1)干涉主极大.β=kπ,k=0,±1,±2,…,即dsinθ=kλ时,光强取得极大值I=N2I0.由于衍射角的绝对值|θ|≤90°,因而对主极强的数目有了限制,最大级次|k|≤d/λ.

3)干涉次极大.2个极小之间有1个次极大,所以次极强的数目应为N-2个.

单缝衍射因子的作用:单缝衍射因子并不改变主极强的位置和半角宽度,只改变各级主极强的强度,特别是刚好遇到单缝衍射因子零点的几级主极强消失了,即为缺级现象.

2.2 双缝、三缝的干涉现象

本实验采用激光作为光源来照射双缝和三缝,在远处的接收屏上看到双缝的干涉现象为一系列等间距、明暗相间的条纹(见图1～2);三缝的接收屏上能清晰看到干涉主极大、干涉次极大等现象,此现象明显、直观.同时由于衍射因子的作用,出现缺级现象,并由图像上可数出第几级缺级.

图1 双缝干涉现象图

图2 三缝干涉现象图

2.3 双孔、三孔的干涉现象

双孔、三孔的干涉衍射现象类似于双缝、三缝,不同的是它们在二维平面内分布.如图3和图4所示,单孔的衍射斑为明暗相间的同心圆,而双孔、三孔的干涉现象却并非完全是连续的同心圆,某种意义上讲类似于多缝的干涉现象.其中三孔干涉图像中可清晰看出干涉主极大、干涉次级大以及缺级现象.

图3 双孔的干涉图像

图4 三孔的干涉图像

3 半定性的演示方法

本实验使用上述相同的孔和缝,同时采用计算机接口技术实时采集实验数据,在计算机上可迅速描绘出各种干涉花样曲线,并可观察孔、缝等的干涉动态变化过程,准确地确定主极大数目及缺级位置,从而可直观地显示干涉因子的特点、衍射因子的作用和缺级现象等多种衍射干涉特征.

3.1 双缝、三缝干涉花样动态演示

图5是计算机采集实验数据的原理示意图,其中传感器上的接收器中央圆孔为感光孔,当探测到光信号照射到上面时,该感光孔就将光信号输入到传感器,传感器将衍射图样中的光强值以一定的比例转换成与之对应的电压值输入接口电路.传感器用丝杠带动,通过转动丝杠可使传感器在垂直于光轴的水平方向上平移.丝杠又通过齿轮与扫描驱动器连接,转动齿轮带动丝杠使传感器从一端平移到另一端,扫描驱动器将平移量X转换成与之对应的电压值也输入到接口电路,接口电路同时将传感器输入量(对应光强值)和扫描驱动器输入值(对应的X值)送入计算机,计算机描绘出I-X曲线图样.图6为电脑采集的双缝干涉图样,图7为三缝的干涉图样,与2.2相对应,说明2种方法得出的结论吻合.

图5 计算机采集实验数据原理图

图6 双缝干涉图样

图7 三缝干涉图样

3.2 双孔、三孔干涉花样动态演示

图8为双孔、三孔的实验光路图,距光源约20 cm处加凸透镜(f=15 mm)对激光进行扩束,以便得到近似匀强的球面波.图9为双孔干涉的动态演示花样,图10为三孔的动态演示花样.结果也与2.3相互吻合,只是光强相对弱些.

图8 双孔、三孔实验光路图

图9 双孔干涉动态演示花样

图10 三孔动态演示花样

4 结束语

演示实验的最终目的是要通过观察启发思维,使学生更好地认识客观规律,培养兴趣.而多样化的教学方法更能够通过多方式多渠道的学习途径提高学生学习的自主性,全方位培养学生观察、分析、归纳、总结等能力,进而提高学生的创新能力和科学素质.

[1] 李训谱.关于开设“物理演示实验”公选课的教学探讨[J].物理实验,2003,23(6):22.

[2] 曾浩.磁阻尼多功能演示仪(Ⅱ型)[J].物理实验, 2007,27(10):14.

Demonstration of interference phenomenon

ZHAO Chun-hong,NIU Kong-zhen
(Institute of Physics,Nankai University,Tianjin 300071,China)

The interference images of double holes,three holes,double slits and three slits are demonstrated by traditional method.The distribution curves of interference intensity are acquired by sensor.The experimental images acquired by the two methods are in coincidence with each other.

interfere;demonstration experiment;various teaching

O436.1

A

1005-4642(2010)12-0031-03

[责任编辑:郭 伟]

“第6届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文

2010-06-01

赵春红(1978-),女,河北承德人,南开大学物理科学学院实验师,硕士,从事演示教学及其仪器研制.