双缝干涉实验的“意外”与教学中值得注意的若干问题

陈晓霞，李成金

（1.苏州大学应用技术学院，江苏 苏州 215300；2.苏州城市学院，江苏 苏州 215104）

0 引言

杨氏双缝干涉（实验）是波动光学的基础，也是大中学生认识光的波动性的第一个现象。通过对于该实验的适当构建，几乎可以展示光的干涉、衍射以及偏振等所有基本的波动性质。然而，由于不同阶段教学要求的限制等原因，不便通过该实验揭示除干涉之外的其他现象，抑或忽视了其他重要的波动性质，也容易忽视对于该实验的拓展和深度探究。

1 实验演示及深度探究

1.1 实验演示

众所周知，人教版的高中物理3-4[1]，无论是从定性还是定量，从理论还是实验，对于杨氏双缝干涉介绍的都比较具体、详细，实验装置以及真实的干涉条纹照片也比较清晰。从定量角度，给出了的某级条纹的位置xk和条纹宽度x，即，，并且给出了一定量的计算题。这些定量计算强调了条纹宽度与相关物理量之间的关系，而与此同时，却忽视了更多的有用信息，如条纹的亮度（光强）变化、双缝干涉中的缺级等信息。尽管这些知识点已经超出了高中物理的范畴，但从教师的角度应该做到心中有数，并适当地给学生以提示，以便在衍射的教学中对于双缝干涉的强度给予回补。

为了演示干涉、衍射以及偏振等现象，我们设计了一套可移动的波动光学演示设备，其装置如图1所示。在一个可移动的光学平台上重构并集成了常见干涉、衍射以及偏振演示设备。其中的掩膜版是本文重点要介绍的设备，其放大图片如图2（P154）所示。该掩膜版由不同尺寸、不同形状的单缝、双缝、多缝、光栅、小孔、小点等光学结构组成，置于位置可微调的支架上。以激光（可以是实验室专用的氦氖激光器，也可以是市面上容易买到的激光笔）为光源，直接照射在该掩膜版的某光学结构上即可演示相关现象。为演示双缝干涉我们设计了两个不同尺寸的双缝，第一个（一排左数第4个）是：透光部分宽度，即a=0.04mm，不透光部分宽度，即b=0.08mm，缝间距d=0.12mm；第二个（一排左数第5个）是：透光部分宽度，即a=0.04mm，不透光部分宽度，即b=0.12mm，缝间距d=0.16mm。

图1 实验装置示意图

图2 掩膜版的光学结构

实验中将激光束的水平高度与双缝中心平齐，并垂直于双缝照射，光通过双缝后投射于其后边的墙壁或屏幕（墙或幕与双缝间距2～5米）上。在墙壁或屏幕上即可以观察双缝干涉图样。实验中，我们观察到的第一和第二个双缝的干涉图样分别如图 3（a）、（b）所示。

1.2 现象观察与深度探究

从图3的两个双缝干涉图样可以发现如下现象：①条纹的宽度（或间距）几乎相等；②干涉条纹具有中心对称性。其中包含两个信息，第一，中央两侧条纹的分布对称；第二，两侧的条纹亮度（或光强度）对称。且，从中央向两侧强度递减；③两张图片中的条纹均有缺失。

从观察的现象可以进行如下的深度探究，尽管不一定要向学生进行深入介绍，但教师要对实验现象进行整体把握，并给学生做恰当的定性介绍。

（1）干涉条纹宽度或条纹间距相等。从干涉图样看，也可以进行定量测量，条纹宽度或条纹间距确实相等，尽管随着远离中央，条纹似乎变窄了，那是因为条纹亮度变暗引起的。学生可以通过测量条纹间距证明这一点。

（2）干涉条纹具有中心对称性。从干涉图样可见，干涉条纹是中心对称的。一方面，条纹的空间分布是中心对称的；另一方面，条纹的亮度（强度）是中心对称的，且随着远离中心，亮度迅速衰减。这一点应提醒学生注意，为后边的单缝衍射做铺垫。在双缝干涉中只讨论了从两个缝中射出光束的相干叠加形成明暗相间的条纹，而事实上，每一条缝射出的光均伴有衍射现象。实际上，屏幕上呈现的结果是双缝干涉和单缝衍射共同作用的结果，或者说双缝干涉中的条纹强度是受单缝衍射的强度调制的。

（3）多缝干涉（衍射）或光栅可能出现缺级。从两个干涉图样均可以发现，干涉条纹出现了缺失现象，即应该出现的明条纹却没有出现，如图3中的箭头所指位置。这种现象称为多缝干涉（或光栅）的缺级现象.实际上，只要缝间距d（=a+b）与缝宽a的比值为两个不可约化整数比，即d/a=m/n，则±m，±2m，±3m，…，都将缺级。

图3 两个不同尺寸的双缝干涉图样

（4）条纹宽度正比于波长。实验中若选用双光束激光笔，并同时开启两色光束，则可以比对不同颜色干涉条纹的宽度，从而验证条纹宽度与波长成正比的结论，如图4所示。

图4 红光与绿光双缝干涉比对实验

（5）定量测量。尽管本实验用于课堂演示，但是也支持一定精度的定量测量。所需要的测量工具推荐为，一把米尺用于测量双缝到屏幕的距离l，一个游标卡尺用于测量条纹宽度或间距x，缝间距离d可根据掩膜版中数据算出，而所用光的波长的参考值分别为，绿光约532nm，红光约650nm，将测量的数据带入条纹宽度计算公式，可验证公式的正确性。

2 教学中应注意的问题

干涉和衍射是波动光学的两个重要组成部分，他们之间既有区别，又有联系。干涉是分立光束的相干叠加，而衍射从本质上是波面上每一点发出光的连续叠加。关于双缝干涉的教学和实验演示应注意以下几点：

（1）杨氏双缝干涉是两束相干光之间的叠加。在讲授不同级次位置以及干涉条纹宽度时，不涉及条纹的亮度，但需要定性地介绍条纹的亮度是不同的[2]，且与单个衍射的光强度分布有关，无须详细介绍条纹的亮度规律，以免干扰干涉重点。

（2）在演示干涉现象时，如果尺寸合适，出现缺级现象，需提醒同学注意，也可抛出相关概念，以打伏笔，但不宜介绍过多。

（3）如果采用白光光源，将看到与教材[3]P60页右下角图示一样的干涉图样。对于此图样的解读应包括三个方面：①除了中央条纹为白色外，其他均为彩色条纹，因为白光是波长从400nm～760nm的连续光谱，不同波长的条纹出现在不同位置，且每一级条纹从里到外均是从紫到红的排列顺序；②图样不像单色光那样条纹分为明暗相间，而是由于①中的原因，暗条纹被覆盖了；③尽管白光具有不同波长（或频率），但也发生了干涉，不是因为干涉条件提的不妥，或者与相干条件相悖，而是因为所看到的干涉条纹都是光束中满足干涉条件的光干涉并叠加的结果。

3 结语

物理学是实验科学，在教学中应创造一切条件，以真实的实验，而非虚拟仿真，为学生展示现象。因为真实的实验现象总是包含物理学的一切信息，这一点仿真实验是无法比拟和取代的。尤其是波动光学理论比较抽象、难懂，在教学中更有必要进行演示实验。同时由于简易的干涉、衍射实验难以实现，也难以保持稳定，不易重复，这需要适当的设备配套。理论上，杨氏双缝干涉只局限在干涉现象本身，但是若结合实验观察，却可以呈现波动光学的几乎所有主要现象。因此笔者建议在教学中一定要适当地进行演示实验，还原物理学的实验科学原貌，而不是简单使用仿真实验或视频播放。