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對(duì)光的干涉\\衍射(特別是泊松亮斑)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)裝置

2011-12-29 00:00:00陸趙華
中國(guó)科技教育 2011年10期


  在現(xiàn)行的眾多高中物理教材中都有光的雙縫干涉和單縫衍射實(shí)驗(yàn)的介紹,但是現(xiàn)成實(shí)驗(yàn)儀器的調(diào)節(jié)非常繁雜,實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)也只能單人通過(guò)目鏡觀察,十分不便。特別是說(shuō)明光具有波動(dòng)性的著名的“泊松亮斑”實(shí)驗(yàn),除了文字和圖片,沒(méi)有現(xiàn)成實(shí)驗(yàn)儀器。雖有很多干0物介紹用激光束作為光源來(lái)演示,但是都需要對(duì)激光束用透鏡來(lái)擴(kuò)束,裝置體積大,安裝、調(diào)節(jié)較麻煩;還會(huì)讓學(xué)生錯(cuò)誤地認(rèn)為亮斑是透鏡對(duì)光的折射造成的;而且在明亮的教室內(nèi)做這個(gè)實(shí)驗(yàn),效果也不明顯。
  本人通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐,對(duì)光的干涉、衍射實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn),并改裝了普通激光筆,變老師演示為學(xué)生實(shí)驗(yàn),不僅增加了實(shí)驗(yàn)的可信度,更培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力,提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。特別是自制的泊松亮斑觀測(cè)裝置,該儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,取材、制作容易,不需要暗室環(huán)境就能觀測(cè)到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
  實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的方法
  改進(jìn)光的雙縫干涉和單縫衍射實(shí)驗(yàn)
  物理教材中光的雙縫干涉和單縫衍射需要專門的實(shí)驗(yàn)裝置,實(shí)驗(yàn)的調(diào)節(jié)和觀察十分不便。
  現(xiàn)在,改用激光筆做這2個(gè)實(shí)驗(yàn),非常方便,不需安裝、調(diào)節(jié),只要用激光照射雙縫或單縫就能產(chǎn)生明顯的干涉或衍射圖像。
  圖1上圖為改進(jìn)的教師演示用的光的雙縫干涉和單縫衍射實(shí)驗(yàn)器,下圖為拍攝的實(shí)驗(yàn)圖像,效果非常好。由此,此實(shí)驗(yàn)從教師演示改為學(xué)生實(shí)驗(yàn)。為防止學(xué)生在使用激光筆時(shí)射傷眼睛,本人將普通激光筆進(jìn)行了改裝,在其中安裝了防跌倒開(kāi)關(guān),只有在激光筆頭朝下時(shí)才能導(dǎo)通。激光筆水平或筆頭向上時(shí)都不會(huì)有激光射出,保證了學(xué)生的安全。
  原先實(shí)驗(yàn)中雙縫和單縫的裝置都是實(shí)驗(yàn)配置的,學(xué)生沒(méi)有感性認(rèn)識(shí)?,F(xiàn)在讓學(xué)生參與實(shí)踐,自制雙縫和單縫。方法是:用油漆記號(hào)筆將油漆涂抹在載玻片上,再用美工刀片在油漆上劃出雙縫和單縫即可。
  實(shí)驗(yàn)時(shí)在桌面上放一張白紙作為屏幕,將激光筆頭朝下對(duì)著載玻片上雙縫或單縫照射,觀察屏幕上形成的干涉或衍射圖像。
  圖2為用照相機(jī)拍攝的干涉和衍射圖像。其中上半部分為紅色激光的干涉和衍射圖像,下半部分為功率較大的綠色激光的干涉和衍射圖像,實(shí)際觀測(cè)效果更為明顯。
  泊松亮斑實(shí)驗(yàn)改進(jìn)
  實(shí)驗(yàn)器材:普通激光筆(選用功率大一點(diǎn)的)、直徑3.0mm的小鋼珠、大頭針、強(qiáng)磁鐵、光具座、屏幕(或墻壁)。
  制作激光筆支架:找1個(gè)內(nèi)徑略大于激光筆直徑的圓珠形套子,安裝2個(gè)螺絲,一個(gè)用于固定激光筆,另一個(gè)用于控制激光筆的點(diǎn)觸開(kāi)關(guān)(如圖3)。
  制作“圓盤”(即遮擋物):將1枚大頭針一端放上1塊強(qiáng)磁鐵,大頭針的針尖就能吸住小鋼珠。
  實(shí)驗(yàn)步驟:如圖4將實(shí)驗(yàn)器材按圖位置擺放好,移動(dòng)光源“圓盤”的位置,使激光光斑略大干小鋼珠直徑,投射到墻壁上;只用激光筆和小鋼珠,幾乎不需調(diào)整就能得到泊松亮斑實(shí)驗(yàn)圖像。為了使泊松亮斑實(shí)驗(yàn)更簡(jiǎn)便,我們又作了進(jìn)一步的改進(jìn):用細(xì)長(zhǎng)的有機(jī)玻璃管替代了光具座,還制作了一個(gè)內(nèi)徑正好等于細(xì)長(zhǎng)的有機(jī)玻璃管外徑的套管。在“圓盤”的制作時(shí),我們直接將小鋼珠用502膠粘在載玻片上,再將載玻片安裝在一個(gè)套管上,制成了手持式泊松亮斑演示器。
  但是,不管是用磁化后的針尖吸住小鋼珠,還是用膠水把小鋼珠粘在載玻片上,不僅都不容易固定,一碰就掉,而且各自都有缺點(diǎn):小鋼珠上的針尖使得“圓盤”不圓、玻璃片與小鋼珠間的膠水對(duì)光的折射不均勻等因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果都有不同的干擾。為此,我們改用2片透光度極好的光學(xué)玻璃(UV鏡)將小鋼珠夾在中間,很好地解決了上述問(wèn)

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