双缝干涉演示实验中的双重现象

杨光喜

（四川省宁南中学，四川 凉山 615400）

在“光的干涉”一节的教学中，一般都要介绍历史上的杨氏实验，并通过类似的实验再现来说明光且有干涉现象，从而证明光是一种波.然后再通过理论分析屏幕上某个位置出现明、暗条纹的条件.教科版第78页给我们提供了一幅图片（如图1所示），通过图片来说明单色光通过双缝后在屏上产生了叠加，形成了明、暗相间的条纹，即发生了干涉现象.

然而，要将图片中的情景展现出来让学生看也不是一件容易的事.如果用实验室配备的实验仪器，即教科版教材第2节上的实验装置（如图2所示）来做实验的话，虽然效果好，但有很多不便的地方.首先，学生不能同时看到屏幕上的条纹，而只能一个一个地通过目镜观察，这样花费的时间太多，如果班上学生较多的话，差不多要花1节课的时间才能让每个学生都看一次.其次，因要通过目镜来观看，所以会出现少数学生因自身眼睛的原因看不到图案而带来遗憾.再一个就是，有的学生在观看时总是要双手抱着目镜，这样很容易造成光源中心与单缝、双缝和屏之间发生移位，使得后来的学生无法看到清晰的条纹.

图1

图2

随着小型激光笔越来越普遍，很多教师在教学过程中对上面的实验进行了有效的改进，使得操作变得既简单，现象又明显.具体做法是：用激光笔直接照射双缝，并将干涉的光直接打到白色墙壁上.通过改进后的实验避免了上面实验中的各种弊端，从而提高了教学效率.

笔者在教学过程中也是按上面改进后的方法操作的.在做演示实验时，笔者将双缝调整为竖直方向，然后让红色激光束垂直于双缝照射，结果在屏（白色的墙壁）上却出现了一种奇怪的现象——如图3所示的“双重”现象（笔者用相机将其拍下，但因红色激光太强，使得照下来的图案正中部分看起来成了白色，正中的边缘才看到红色）.

笔者用相同的方法让红色激光束垂直照射单缝时，出现的情况如上面图4所示（为了便于对比和说明，笔者将两张照片并排放在一起）.对图3（或图4）中的现象，我们首先要向学生解释的是：每一个光斑实际是对应着一条竖直的条纹，只是因为照射双缝（或单缝）的光不是线光源，是一个小圆点，因而不能将整个缝充满，所以才出现这样的情况；其次要向学生说明缝是沿竖直方向的，不然学生会误认为缝是沿水平方向的，因为看到的图案整体是水平状的.为了说明这一点，笔者将图3的现象画成了图5（a）所示的短条纹.为了证明这一点，我们用一个凹透镜（或用所戴的近视眼镜也可以）先将直径很小的激光束扩展为一个直径稍大的激光束，使其光束的直径差不多与双缝的长度相当，再让其垂直照射双缝，这时我们就会看到条纹明显的变长了，如图5（b）所示（只有条纹的亮度和清晰与扩展前的要差一点）.

图3

图4

图5

通过对比图3、图4和图5可以发现，在干涉现象中，从整个干涉图案的明亮程度和布局来看，明显的与单缝衍射时的图案（即中央为最大最宽的亮条纹，两边是亮度和宽度都迅速减小的明、暗相间的条纹）相似.而单从条纹间的距离来看的话，又基本上是平行等距的，说明是干涉所产生的结果.那么，为什么会出现图3所示的现象呢？

原来，我们所用的双缝一般都是从实验室中配套的干涉仪中取出来的，双缝间的距离都比较小（一般都在0.25mm以下，有的甚至只有零点零几毫米），这样小的距离有时候我们用肉眼都很难分辨出它们，看起来觉得就是一条缝.如果我们把挨得这么近的两条缝当成一条缝来看，那么，图3中的明、暗相间的条纹组就很容易解释了.图中从左到右都是间距相等的明暗条纹，这显然是双缝干涉所产生的；当将双缝当成单缝，衍射所产生的亮条纹与干涉产生的亮纹叠加在一起，就出现了一组亮条纹，而产生的暗纹所处的位置就只有干涉的条纹，所以这个位置就相对要暗一些.这样叠加之后就出现了图3中所看到的“双重”现象.

那么，为什么用双缝干涉仪来做这个干涉实验时又不会出现上面的现象呢？这是因为仪器中的光屏太小，屏上只能显示出图3中的正中最亮的那一组干涉条纹，所以我们无法看到两边对称的那些亮条纹组.

在教学过程中，虽然我们对实验的演示方法进行了改进，但对改进后出现的新现象我们一定要弄清原由，必要时才能给学生作出合理的解释.