双缝干涉测波长实验的改进

刘银奎

(乐清市第二中学,浙江 乐清 325600)

1801年，英国物理学家托马斯·杨成功地观察到了光的干涉现象，证明了光的波动性，杨氏干涉实验是光学发展史上具有里程碑意义的实验之一，被誉为“十大最美物理实验”之一，也是高中学生必做的实验，是学生了解光的干涉现象、掌握光的波动特性的重要实验. 但是人教版教材中的实验仪器相当复杂，调节很困难，测量精确度不高，阻碍了学生对光的干涉的理解. 本文对该实验装置进行了改进，利用改进后的装置对光的波动性进行一些有益的探究.

1 原实验存在的不足

图1为人教版教材中光的双缝干涉实验仪器，该实验在操作中存在如下一些不足：

图1 教材中的双缝干涉装置

1)实验仪器复杂，有10多个部件组成；操作与调试繁琐，各个部件要调成水平共轴、单缝和双缝要相互平行，学生很可能经过较长时间调试也难以观察到干涉条纹.

2)实验中光源发出的光先经滤光片成为单色光，再照亮单缝，然后照亮双缝，最后在光屏上出现干涉条纹，所以条纹亮度很低，需要在较暗的环境中观察条纹(要在遮光筒中进行观测)，现象不直观明显.

3)实验需要通过测微目镜测量条纹宽度，测量时，测量者需要眼睛紧贴测微目镜才能观察到干涉条纹，容易因视力疲劳引起较大的测量误差.

所以，即使学生很认真、细心地做该实验，也可能观察不到干涉条纹或测量波长误差很大(超过10%)，挫伤学生的积极性.

2 对原实验装置的改进

为了克服传统实验的不足，设计了双缝干涉装置，采用红绿激笔直接照射双缝展示双缝干涉现象，实验现象明显，观测方便，测量精度高.

2.1 实验器材

改进后的双缝干涉装置如图2所示. 采用的器材为：功率较大的激光笔(型号为Laser303)2只(红光与绿光)，双缝片3个(双缝间距分别为：0.08 mm，0.20 mm，0.25 mm)，光具座(长度1 m)，自制带测量头(10分度的游标卡尺)的光屏，挡光片.

图2 改进后的双缝干涉装置

2.2 各部件的制作过程

1)激光笔支架. 如图3(a)所示，固定片用金属薄片制成，底端用螺母与金属杆(与光具座配套)相连.

2)双缝组件. 取3个光学实验中常用的小透镜，取下上面的小镜片，用砂纸或刀片仔细打磨透镜的内边框，使透镜边框的内径与双缝片的外径相匹配，然后用胶水粘合两者，如图3(b)所示，最后安装光具座配套的金属杆.

(a) (b) (c)图3 各部分组件的制作

3)挡光片. 取实验室现成的塑料光屏，用刀片切掉上半部分，并用砂纸把切口打磨平整，再安装上金属杆，如图3(c)所示. 挡光片的作用是用来挡住照射在游标尺上的激光，使观测者容易把游标零刻线对准某一亮纹中央.

4)带有测量头的光屏. 取原实验装置中废旧的测量头(游标卡尺型的)，拆除划板、目镜、手轮等，只保留小型的“游标卡尺”，如图4所示，再取废旧的10分度的游标卡尺，将10分度的游标(19 mm分成10格)与测量头上的50分度游标对换. 最后用白色硬纸片做7 cm×6 cm的光屏，并用双面胶粘在测量头上方，最后安装上金属杆.

图4 带有测量头的光屏

3 改进后的装置实验功能展示

将装有激光笔的支架安装在光具座上最左边的固定插孔内，将带测量头的光屏安装在光具座最右边的可移动的滑座上，在光具座最左边的可移动滑座上安装双缝，在光屏与双缝间滑座上安装挡光片，如图2所示. 打开激光笔开关，调节各个部件的高度，使激光、双缝、光屏的中心在同一水平高度，即让激光束通过双缝片中心到达光屏中央.

3.1 观察双缝干涉现象

调节激光笔前端的聚焦旋钮，使激光由光点变成小光斑，直接照射两缝，光屏上立即呈现明暗相间的干涉条纹，用肉眼直接观察，现象直观明显，如图5所示.

(a)红光与绿光条纹对比

(b)不同宽度的红光条纹对比图5 双缝干涉图样

3.2 定性探究相邻亮条纹的间距Δx与光波波长λ、双缝间距d、光源到屏的距离L间的关系

放上红色激光笔，双缝间距d=0.08 mm，左右移动光屏的滑座，改变双缝到屏的距离L，可以明显观察到相邻亮条纹的间距Δx随着光源到屏幕的距离变大而变大.

放上红色激光笔，保持光屏位置、双缝位置不变，只更换双缝间距d，可以明显观察到相邻亮条纹的间距Δx随缝宽d变窄而变大.

保持光屏和双缝位置不变，双缝间距d=0.08 mm. 把红光换成绿光(即波长变小) ，可以明显观察到相邻亮条纹的间距Δx随着波长变小而变小.

3.3 方便准确地测量红光与绿光的波长

图6 游标卡尺测条纹间距

d/mmL/mmΔx红/mmλ红/nmΔx绿/mmλ绿/nm0.08400.03.24648.002.62524.000.08500.04.11656.803.27522.400.08600.04.82642.003.92522.000.08700.05.61640.574.57521.710.08800.06.42641.505.19519.00

3.4 定量探究相邻亮条纹的间距Δx与光波波长λ、双缝间距d、双缝到屏的距离L间的关系

双缝间距d可取0.08,0.20,0.25 mm，激光波长可取绿光λ=532 nm和红光λ=650 nm，L(双缝到屏的距离)可取到400～800 mm的5组数据，Δx(相邻亮条纹的间距)可以在测量头上测出. 测量数据如表2所示，根据控制变量法并利用Excel探究各个物理量之间的关系，如图7～9所示.

表2 定量探究关系实验数据

图7 当d=0.08 mm,Δx与L的关系

图8 当d=0.08 mm,Δx与λ的关系

图9 当L=800.0 mm,Δx与d-1的关系

4 实验功能拓展

4.1 演示泊松亮斑

打开激光笔开关，调节激光笔前端的聚焦旋钮，使激光由小光点变成较大光斑，再把4个磁性小钢球(直径依次为3，4，5，6 mm)竖直叠放在金属杆的顶端，如图10(a)所示，安装在光屏与激光笔当中的滑座上，适当调节激光光斑大小和小钢球位置，在光屏上的黑色圆斑中央出现清晰明亮的点——泊松亮斑，同时也可以上下移动金属杆，使不同的直径的小球依次能观察到泊松亮斑，如图10(b)所示. 实现短距离、高清晰的泊松亮斑衍射图样.

(a) (b) 图10 泊松亮斑演示

4.2 演示单缝衍射

可演示不同缝宽的单缝衍射图样，也可演示不同波长对同一单缝的衍射图样. 如图11所示.

4.3 小孔衍射演示

在光屏上可以方便地观察到各种形状小孔的衍射图样，如图12所示.

(a) (b) (c)图12 小孔衍射现象