“泊松亮斑”的演示方法及其创新应用*

(重庆市江津中学校,重庆 402260)

“泊松亮斑”表明了光的波动特性,但碍于实验条件和方法的限制,很多教师并未在课堂上为学生演示该实验。笔者对“泊松亮斑”的实验演示进行了研究,在此与同行分享。

1 实验原理简介

当点光源发出的单色光照射在小圆板或圆珠时,会在之后的光屏上出现环状的互为同心圆的衍射条纹。由于光波绕过圆板或圆珠的边缘在阴影区域的中心叠加时,子波的相位相同,故在同心圆的圆心处会出现一个小亮斑,这个亮斑被称为“泊松亮斑”。

为了达到清晰的演示效果,笔者采用图1所示方案：激光器发出的平行光束经过调焦透镜后,扩散光束再通过一个圆钢珠,就能在光屏上得到带有“泊松亮斑”的衍射图样(如图2)。通过透镜将平行激光束变为发散光束,与点光源的光线相似,可在光屏上展现出对比度高的“泊松亮斑”。

图1

图2

2 实验装置的具体制作

泊松亮斑的实验装置如图3所示，其部件包括：小型固体激光器(波长650nm,功率为250mW)、调焦透镜、盖玻片、圆钢珠(直径0.5mm,取自圆珠笔笔头)。

图31底座 2可转光具座 3微调旋钮 4固体激光器5调焦镜头 6微调平台 7光具架 8滑块9可旋转光具座横截面 10衍射片

制作时,可直接在固体激光器前端加装调焦镜头,省去了图1中可调节透镜组,可使激光光源便携小巧,且能根据需要通过调焦镜头将光束调节为发散光束。激光器下方的微调平台固定在光具座上,调节微调平台上的两个旋钮,可使光束在垂直于长木板的竖直平面内进行二维移动。制作一个理想的衍射圆屏是本装置的一个亮点，找一支用完墨水的圆珠笔芯,将笔头里直径为0.5毫米圆钢珠取出,用夹具将其夹在两块清洁的盖玻片之间。由于盖玻片透明度高且厚度很小,故其对光路的影响可忽略,盖玻片中固定的钢珠充当了理想的障碍物(圆屏)。相较于其他实现泊松亮斑的方法,本方案利用生活中常见的圆珠笔头中钢珠作为障碍物,排除了除圆珠外其他衍射物的干扰,所获得的衍射图样只有较纯粹的“泊松亮斑”,便于直观清晰地识别。

装置使用时,教室的墙壁可作为光屏,根据演示需要,可通过调节调焦镜头，改变墙壁(光屏)上光斑的大小和亮度；改变圆珠和光束汇聚点O的距离,亦可调节光斑的大小。考虑到实验装置要便于教师授课时使用,也可以去掉很多精密调节装置,使整个装置便携小巧(如图4)，可用塑料夹子代替夹具将钢珠固定在两片透明洁净的盖玻片间。

图4

图5

除了用于演示“泊松亮斑”,本实验装置还可实现功能扩展,将钢珠替换成细钢丝等物品,得到不同类型的衍射图样。图5所示衍射图样的障碍物依次为：左上为直径0.60mm的大头针、右上为两根垂直交叉的细铜丝(横截面直径0.12mm)、左下和右下分别为大头针的针尖和针帽。

3 实验创新：动态泊松亮斑的实现

如果衍射物处于运动状态,可以得到动态的衍射图样,进而实现实验功能的充分挖掘。

笔者设计了如下实验,可以利用光的衍射检验透明水体中是否存在肉眼不可见的固体小颗粒,也可以利用光的衍射观察水中固体颗粒的无规则热运动。如图6所示，实验设计的原理为：当激光束照射到一滴透明水滴时,其内部处于运动状态的微小固体颗粒可充当衍射物,在光屏上呈现运动着的“泊松亮斑”图样。

图6

实验装置包括小型固体激光器、调焦镜头、注射器、三脚架、光屏和长木板(如图7)。具体制作方法如下：将固体激光器、三脚架、光屏置于同一直线上。固体激光器射出端加装调焦镜头,使激光束的光斑大小可调。激光器下方的微调平台固定在光具座上,调节微调平台上的两个旋钮,可使光束在垂直于长木板的竖直平面内进行二维移动。在长木板侧面设置一固定支架,固定支架可以固定在长木板侧面的不同位置,固定支架可将注射器固定在木板上方,但固定支架本身不在光路上。长木板上标有刻度,可以记录固定支架和光屏的位置,便于在下次实验中快速得到理想的实验现象。

图7

使用时,先将待检的透明水样(可以用雨水、池塘水、鱼缸水等)

吸入注射器,再将注射器固定在支架上,推动注射器活塞并使注射器末端悬停一滴水滴。打开激光器开关,调节微调平台使激光光束对准悬停水滴,再通过调节激光器前端的调焦镜头使激光束照射到水滴上。由于透明水体中的不透明固体颗粒处于运动状态,且其尺寸可满足明显衍射现象的产生条件,故能在光屏上观察到一些移动的衍射图样(如图8)。仔细观察运动状态的衍射图样,有很

图8

图9

多圆斑的中心是亮的,即运动的“泊松亮斑”(如图9)。由于实验现象可视性、启发性强,可使学生对衍射现象有更为丰富的理解。

使用生活中简单易得的材料(如圆珠笔笔头、注射器等),经过科学合理的设计,可让很多经典物理实验服务于物理教学,提升学生的科学探究素养。