夫瑯禾費(fèi)衍射自動(dòng)演示儀

平 澄,李 多 ,周 靜 ,李春密

(北京師范大學(xué)物理系,北京100875)

1 引 言

光的衍射和干涉是揭示光的波動(dòng)性的重要實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,對(duì)學(xué)生來說,波動(dòng)光學(xué)的理論學(xué)習(xí)比較抽象,必須輔以演示儀器向?qū)W生展示衍射現(xiàn)象.目前理論教學(xué)課時(shí)趨緊,課堂上不可能花費(fèi)太多時(shí)間調(diào)整衍射儀器,因此有1臺(tái)能夠很好展示衍射現(xiàn)象的儀器尤為重要.目前課堂上使用的夫瑯禾費(fèi)衍射演示儀器一直受手動(dòng)調(diào)整光路、演示效果不佳、衍射屏種類單一等的限制.

盡管在市場(chǎng)上沒有找到夫瑯禾費(fèi)衍射自動(dòng)演示裝置,但是在尋找這種裝置的過程中發(fā)現(xiàn),美國(guó)PASCO公司制作的單縫盤(single slit set)和多縫盤(multip le slit set)制作精細(xì),其上的狹縫種類涵蓋了從高中物理到大學(xué)物理課中講解的所有典型狹縫,而且所有狹縫都均勻分布在一個(gè)同心圓周上,因此,只要把激光照射的位置固定在狹縫所在圓周上,讓需要演示的狹縫自動(dòng)旋轉(zhuǎn)到激光照射的位置,就可以制作出自動(dòng)夫瑯禾費(fèi)衍射演示儀.基于上述想法,筆者研制出了夫瑯禾費(fèi)衍射自動(dòng)演示儀.

2 夫瑯禾費(fèi)衍射自動(dòng)演示儀系統(tǒng)的構(gòu)成

夫瑯禾費(fèi)衍射儀設(shè)計(jì)成既能由計(jì)算機(jī)控制操作也能人工操作2種工作狀態(tài).當(dāng)儀器由計(jì)算機(jī)控制操作時(shí),儀器不但能夠演示各種狹縫的衍射,還能在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示狹縫衍射的光強(qiáng)分布理論公式,及由理論公式計(jì)算出來的衍射圖案和光強(qiáng)分布曲線,非常適合學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自己動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)儀器、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.當(dāng)儀器單獨(dú)操作時(shí),可以演示多達(dá)26種狹縫衍射,儀器緊湊輕便,沒有傳統(tǒng)光學(xué)儀器的笨重,也不需要任何光路調(diào)節(jié),每個(gè)衍射屏的參數(shù)在儀器液晶顯示屏上給出,做為課堂教學(xué)的演示儀器最為合適.除需要更換的狹縫盤外,儀器的演示部分全部放在透明的有機(jī)玻璃罩中,使實(shí)驗(yàn)者能夠清楚地看到激光照射在哪個(gè)狹縫上和儀器運(yùn)作的過程.儀器外觀如圖1所示.

圖1 夫瑯禾費(fèi)衍射自動(dòng)演示儀

2.1 儀器的硬件設(shè)計(jì)

狹縫盤:采用 PASCO公司生產(chǎn)的單縫和多縫盤,有單縫、多縫、正交光柵、圓孔、六角光柵、多圓孔隨機(jī)分布、細(xì)絲、巴俾涅原理、縫寬連續(xù)改變單縫、縫間距連續(xù)改變多縫等26個(gè)衍射屏.

儀器的電器原理圖如圖2所示.硬件的自動(dòng)智能控制由8051單片機(jī)負(fù)責(zé),狹縫盤安裝在步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器由單片機(jī)控制,單片機(jī)負(fù)責(zé)發(fā)送電機(jī)驅(qū)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)方向信號(hào).為了使儀器操作盡量簡(jiǎn)單,儀器面板僅設(shè)置了RESET(復(fù)位)、UP(前轉(zhuǎn))、DOWN(后轉(zhuǎn))3 個(gè)按鈕 ,UP和DOWN按鈕分別由單片機(jī)的外部中斷0和1響應(yīng),每按1次,單片機(jī)即發(fā)出一系列特定的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)脈沖,使得狹縫盤自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)到前或后一個(gè)狹縫.

圖2 硬件原理圖

液晶顯示器顯示當(dāng)前儀器工作信息,顯示的信息分為2種:一是顯示當(dāng)前狹縫的類型、縫寬、縫間距等參數(shù);二是顯示儀器的工作狀態(tài)信息.

儀器中光電探測(cè)器的作用有2個(gè):一是儀器初始化時(shí)自動(dòng)檢測(cè)狹縫盤是否安裝和狹縫盤的種類;二是定位狹縫盤的初始位置,以后狹縫盤每次轉(zhuǎn)動(dòng)的角度都是以此初始位置為基礎(chǔ)的.

為使演示效果更佳,儀器中的光源采用波長(zhǎng)為650 nm,50 mW的大功率半導(dǎo)體激光器,使在明亮的教室內(nèi)也可以清楚地看到衍射條紋.

儀器與計(jì)算機(jī)的通訊由RS232串行端口負(fù)責(zé),來自計(jì)算機(jī)的指令由單片機(jī)的串行中斷響應(yīng),進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到用戶選擇的狹縫上.使用串口的好處是它使用普遍,接口簡(jiǎn)單,不需要驅(qū)動(dòng)程序,只需用串口線將儀器與計(jì)算機(jī)連接,就可以實(shí)現(xiàn)儀器的計(jì)算機(jī)控制.

2.2 儀器的軟件設(shè)計(jì)

儀器設(shè)計(jì)成既可以獨(dú)立工作也可以由計(jì)算機(jī)控制工作.當(dāng)儀器獨(dú)立工作時(shí)要對(duì)用戶的操作作出智能判斷和響應(yīng),這由8051單片機(jī)擔(dān)任,因此要對(duì)單片機(jī)編程;當(dāng)儀器由計(jì)算機(jī)控制時(shí),要充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì),給用戶更多的理論和實(shí)驗(yàn)信息,因此也要對(duì)微機(jī)上的軟件進(jìn)行編程.

單片機(jī)采用C51語言編程,主要負(fù)責(zé)儀器的初始化、狹縫盤的識(shí)別、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角的控制和定位、儀器液晶面板上的信息顯示、判斷當(dāng)前儀器是否與計(jì)算機(jī)相連、響應(yīng)計(jì)算機(jī)發(fā)來的控制指令.

計(jì)算機(jī)上的軟件采用VB語言編程,主要分為2部分:第一部分是通過串口向儀器發(fā)出指令,并接收和處理由儀器返回信息的程序;第二部分是根據(jù)所用衍射屏的基本數(shù)據(jù),通過理論公式計(jì)算,在計(jì)算機(jī)屏幕上繪制出觀察屏上的衍射圖樣和光強(qiáng)分布曲線,這部分占據(jù)了大部分的編程工作量,其目的是使學(xué)生既能看到衍射的真實(shí)效果,又能學(xué)習(xí)與該衍射現(xiàn)象相關(guān)的理論公式推導(dǎo),以及由理論公式計(jì)算出的衍射效果和光強(qiáng)分布,比較理論和實(shí)驗(yàn)之間的異同.

由于實(shí)驗(yàn)條件所限,有些實(shí)驗(yàn)是沒法用實(shí)物進(jìn)行的,例如,任意改變單色光的波長(zhǎng)、直徑連續(xù)變化的圓孔,任意大小的單縫、雙縫、矩形孔衍射等,這些在硬件上很難實(shí)現(xiàn).但計(jì)算機(jī)在這方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì),改變理論公式中的狹縫參量,就可以在計(jì)算機(jī)屏幕上看到改變后的衍射效果和光強(qiáng)分布.鑒于此,我們?cè)谲浖O(shè)計(jì)上不但提供了與硬件狹縫一一對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)模擬衍射效果和光強(qiáng)分布,還提供了自定義狹縫的功能,用戶可以自定義單縫、多縫、圓孔、正交光柵、矩形孔的參量,在計(jì)算機(jī)屏幕上看到由理論公式計(jì)算的衍射效果和光強(qiáng)分布曲線.

在編寫由理論公式計(jì)算衍射圖案的程序時(shí),也發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)在顯示衍射圖案時(shí)會(huì)顯得力不從心,這是因?yàn)轱@示器顯示顏色的原理是用紅、綠、藍(lán)三基色的量按照不同比例混合,得到不同的合成顏色,目前顯示器的通用標(biāo)準(zhǔn)是紅、綠、藍(lán)各自的色階(從全黑到最亮)為256階,理論上共有可合成出256×256×256=224種顏色.由于衍射需要使用單色光,計(jì)算機(jī)顯示器對(duì)于單一顏色的顯示亮度僅有256階,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人眼的靈敏度,因此由理論公式計(jì)算模擬出的衍射圖案必須加以適當(dāng)?shù)男拚?否則計(jì)算機(jī)屏幕上看到的狹縫衍射場(chǎng),僅是集中絕大部分能量的0級(jí)衍射斑,2級(jí)以下的衍射斑基本上不能顯示出來.

圖3為軟件用戶界面,從該圖中可以看到,軟件不但提供了理論講解,還提供了由理論公式計(jì)算出來的衍射圖案和衍射光強(qiáng)的空間分布曲線.

圖3 軟件界面

2.3 儀器的擴(kuò)展

3 結(jié)束語

一個(gè)簡(jiǎn)單的演示實(shí)驗(yàn)也會(huì)包含著很多、很深的科學(xué)原理,在研制夫瑯禾費(fèi)衍射自動(dòng)演示儀的過程中,筆者體會(huì)到,演示儀器通常由實(shí)驗(yàn)者自己操作,沒有教師指導(dǎo),因此儀器要安全和堅(jiān)固,操作要盡量簡(jiǎn)單,不要有過多的設(shè)置和調(diào)節(jié),使實(shí)驗(yàn)者很容易上手.實(shí)驗(yàn)儀器所展示的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要直奔主題,通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象給予實(shí)驗(yàn)者的信息要盡量豐富和全面,我們就是本著這個(gè)原則進(jìn)行儀器設(shè)計(jì)的.目前制作的儀器已經(jīng)定型,可以批量制作.實(shí)踐證明該儀器智能、實(shí)用,具有很好的穩(wěn)定性和精確度,十分適合開放的物理演示實(shí)驗(yàn)室、高中和大學(xué)光學(xué)教學(xué)的課堂演示及非物理專業(yè)的衍射實(shí)

整個(gè)儀器的功能還可以進(jìn)一步擴(kuò)展.例如,利用一個(gè)具有毫米精度的尺子,通過測(cè)量單縫衍射第k級(jí)亮斑中心到0級(jí)亮斑中心的間距,以及衍射屏到觀察屏的距離,就可以計(jì)算出衍射角θ,將θ和狹縫盤上給出的縫寬d帶入公式d sinθ=kλ,計(jì)算出光源的波長(zhǎng),使理論和實(shí)踐結(jié)合起來.驗(yàn)選用.

[1] 趙凱華,鐘錫華.光學(xué)[M].北京:北京大學(xué)出版社,1984.

[2] 朱軍.51單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[EB/OL].http://www.doc88.com/p-33578297107.htm.2008-11-20.

[3] Moller K D.Op tics learning by computing,with examp les using Mathcad,Mathlab,Mathematica,and Maple[M].Second Edition Now York:Sp ringer,2007:129-182.

[4] PASCO Scientific.Instruction manual and experiment guide fo r the PASCO scientific model OS-8523 slit accessory fo r the basic op tics system[Z].US.CA.PASCO Scientific.

[5] Stephens R.Visual Basic?2008 Programmer’s reference[M].Indianapolis:Wiley Publishing,Inc,2008.

[6] 蔡星漢,繆騰飛,周進(jìn).字母屏的夫瑯禾費(fèi)衍射分析及計(jì)算機(jī)模擬[J].物理實(shí)驗(yàn),2008,28(12):38-42.