对“用双缝干涉测量光的波长”实验仪器的改进

丁祖堂

(海盐元济高级中学 浙江 嘉兴 314300)

龚兴林

(海盐高级中学 浙江 嘉兴 314300)

王建峰

(海盐元济高级中学 浙江 嘉兴 314300)

对“用双缝干涉测量光的波长”实验仪器的改进

丁祖堂

(海盐元济高级中学 浙江 嘉兴 314300)

龚兴林

(海盐高级中学 浙江 嘉兴 314300)

王建峰

(海盐元济高级中学 浙江 嘉兴 314300)

从目前高中物理“实验：用双缝干涉测量光的波长”实验仪器所产生的问题出发，对实验装置进行了系列改进，实现了本实验所要达成的教学目标．利用改进后的实验仪器进行实验操作，将进一步提升学生的实验素养．

实验改进 双缝干涉 干涉图样呈现系统

“实验：用双缝干涉测量光的波长”是人教版教材高中《物理·选修3-4》第十三章“光”中的第4节内容．实验所采用J2515型的装置(如图1所示)，通过本节内容的学习，旨在达成以下目标：

(1)知道实验装置的构成及各器材的作用；

(2)会调节实验装置并观察白光及单色光的双缝干涉图样；

(3)学会使用测量头，并根据实验原理测定单色光的波长．

图1 J2515型双缝干涉实验装置

1 实验原理简述

光源发出的光经滤光片成为单色光，单色光通过单缝后，经双缝产生稳定的干涉图样，通过观察毛玻璃上的干涉条纹并测出相邻两个条纹的中心间距来计算出光的波长．

如图2所示，已知P1是屏上与P0相距为x的某点，两缝与P1的距离分别为P1S1=r1，P1S2=r2，两缝之间的距离d远远小于双缝到屏的距离l．

图2 实验原理

2 实验主要存在的问题

(1)实验现象观而不清

实验室用J2515型实验装置组装并调节好以后，在遮光筒的放大镜处观察干涉图样，由于视野处的光强弱、视野区域小，干涉图样很难观察到，导致实验目标无法达成．实验操作时，如果灯丝与单缝、双缝、测量头与遮光筒不在同一轴线上，干涉条纹将无法观察到，故实验调节时应把握细节．再者，本装置如果用于演示实验，由于其实验现象难以观察清楚，不利于教学的开展，使教学效果较差．

(2)测量头读数正确率低

3 实验仪器的改进

3.1增设干涉图样呈现系统

为了提高实验的可视度及观察范围，适用除普通光源外的激光光源，把干涉图样清晰地呈现在手机或电脑屏幕上替代目视观察不失为一种有效的实验方法．本实验中在J2515型设备基础上增设了干涉图样的呈现系统来解决这一问题．如图3所示，干涉图样呈现系统直接与实验装置测量头的放大镜对接，把干涉图样(如图4所示)清晰地呈现在手机屏幕上，也可同步呈现在多媒体屏幕上．在实验操作时，可通过观察屏幕上的图样演变来调节双缝、单缝及滤光片的色光，不仅体会到各实验器材的作用而且使实验更具操作性和探究性．

图3 干涉图样呈现系统

图4 干涉图样

干涉图样呈现系统由硬件和软件二部分组成．其中，硬件部分由手机单反镜头(MACRO+10 S/N:02160632)两组(图5)、安卓智能手机一部、电脑一台、数据线和铁夹组成；软件部分由手机、电脑同步投屏魅色(Meise)有线软件或手机、电脑同步投屏Mirrorop无线软件支持．

图5 手机单反镜头

3.2测量头的替换

为了提高测量头读数的正确率，并能对读数进行自我评价，实验中用数显游标测量头替代J2515设备中的机械游标测量头，如图6所示．数显游标测量头可直接显示分划板任意移动距离s，不但消除了由于游标测量头的读数而引起的偶然误差，而且使实验仪器更具时代感．

在实验中，学生可以先练习游标(螺旋)测量头的读数，再显示数显游标测量头的示数，对比二者的数据让学生明确自己的读数是否存在问题，以达成对机械游标(螺旋)尺的正确使用及读数这一目标，提升学生的实验素养．

图6 数显游标测量头

3.3数据处理系统

为了便于对实验数据的处理，特增加了用Visual basic编辑的数据处理程序，实验中直接输入实验所测的数据(数显游标测量头显示值s，移动的条纹数n)便可得到光的波长，数据处理系统的界面如图7所示．

图7 实验数据处理系统界面

4 启示

物理学是一门以实验为基础的学科，无论是物理概念的建立，还是物理规律的探索与验证都离不开实验，实验教学是中学物理教学的重要组成部分．让学生通过实验观察、动手操作、思考探究来获取知识，是培养学生创新思维和实践能力的重要途径．

在实验过程中面对实验装置本身的不足与缺陷进行改进，并融入一些数字化、现代互联网元素，使我们的实验仪器更具魅力，更有利于培养学生的探究欲望和创造力，真正体现物理学的教学价值．

2017-04-02)