光栅色散的新型演示实验
2011-12-21余素君项林川
余素君 项林川
（华中科技大学物理学院，湖北 武汉 430074）
光栅色散的新型演示实验
余素君 项林川
（华中科技大学物理学院，湖北 武汉 430074）
本文介绍了一种适合于课堂使用的光栅色散现象的新型演示实验装置.
光栅色散；演示实验；新型
物理学是一门实验科学.在大学物理课堂上配合理论讲授进行演示实验，能够化抽象为具体，化枯燥为有趣，通过展现真实的物理现象，引导学生进行仔细观察和深入思考，激发学习兴趣，活跃课堂气氛，提高教学效果.
大学物理课程的波动光学部分包含光栅衍射的内容.根据光栅方程dsinθ＝kλ可以知道［1］，复色光通过光栅进行衍射时会发生色散.在课堂上讲授这部分理论知识时，如果辅以演示实验效果会更好.目前，绝大部分院校都开设了汞光光栅衍射实验，所用的仪器设备为汞灯、分光计、光栅等，但通常只能在暗室里进行近距离观察，可以观察到零级和各波长的一级明纹衍射条纹，由于光强较弱，这个实验不适合在课堂上做.此外，比较常见的是用激光作为光源的单色光的光栅衍射演示实验［2］，由于一般均采用毫瓦量级的激光器，可以在课堂上做实验，与理论讲解相配合.但因为是单色光入射，不能演示色散现象.
为了能够随堂演示色散现象，我们设计制作了一套新型演示实验装置，见原理图1.
图1 实验装置原理图
激光的功率密度大、亮度高，为了保证在课堂上的演示效果，我们采用激光作为光源.虽然随着激光技术的发展，多波长激光器已经出现，但在可见光波段低功率多波长激光器在技术上还不成熟.我们利用分光板使650nm的红色激光和530nm的绿色激光分别通过折射和反射后重合为一束，作为双波长入射光垂直入射到光栅上，在观测屏上可以看到红绿两套激光衍射图样，色散现象非常明显.
把教室的墙面作为观测屏，光栅到墙面的距离为6m左右.图2、图3分别是每毫米300线和600线的光栅的衍射图样的照片.对每毫米300线光栅，红、绿两色的一级衍射斑之间的距离约为24cm，红、绿两色二级衍射斑之间的距离约为54cm；若采用每毫米600线的光栅，红、绿两色一级衍射斑之间的距离就可达约57cm.同一级衍射斑之间的距离大，且激光光斑亮度高，整个教室里的学生都可以清楚地观察到这种光栅色散现象，演示效果很好.
图4是实验装置的实物照片.装置中采用的是半导体激光器，功率约为10mW.装置中还包括精密手动升降台、精密手动旋转台和300mm×300mm的光学平台等.实验发现，分光板也可用厚为2mm左右的透明玻璃片替代.
图4 实验装置实物照片
这套双波长光栅色散演示仪结构紧凑，便于携带，光路调节方便，演示的花样在10m以内清晰可见，很适合于课堂演示.
［1］ 黄伯坚.大学物理 下册（第四版）［M］.武汉：华中科技大学出版社，2006
［2］ 陈熙谋.物理演示实验［M］.北京：高等教育出版社，1983
A NOVEL DEMONSTRATION EXPERIMENT OF GRATING DISPERSION
Yu Sujun Xiang Linchuan
（School of Physics，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan，Hubei 430074）
A novel demonstration experiment of grating dispersion is introduced，which is propitious to be carried out in class.
grating dispersion；demonstration experiment；novel
2011－06－01）
