光干涉現(xiàn)象的演示

趙春紅,?？棕?/p>

(南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院,天津300071)

光干涉現(xiàn)象的演示

趙春紅,牛孔貞

(南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院,天津300071)

采用傳統(tǒng)方法演示孔(雙孔、三孔)和縫(雙縫、三縫)的干涉圖像,與由傳感器采集圖像信息后由計算機(jī)得出干涉光強(qiáng)分布曲線進(jìn)行比較,兩種方法獲得的實驗圖像符合較好.

干涉;演示實驗;多樣化教學(xué)

1 引 言

近年來,隨著教育教學(xué)改革的不斷深入發(fā)展,演示實驗已經(jīng)成為物理教學(xué)中不可缺少的重要教學(xué)手段和有效的教學(xué)形式,是物理教學(xué)中的重要組成部分.它不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和愛好,活躍課堂氣氛,而且還能培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、思維能力、創(chuàng)新能力、探索精神和科學(xué)素質(zhì).

本文通過2種方法演示了孔(雙孔、三孔)、縫(雙縫、三縫)的干涉現(xiàn)象,使學(xué)生養(yǎng)成細(xì)致觀察的習(xí)慣,進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生分析判斷能力和創(chuàng)新精神.

2 簡單直觀的演示方法

2.1 實驗原理

2束相干光(或多束光)疊加,能夠引起光強(qiáng)的再分布的現(xiàn)象叫做光的干涉.干涉是光波的振幅疊加引起的,因而在干涉區(qū)產(chǎn)生明暗相間的干涉條紋.理論上:N條狹縫的光強(qiáng)分布為

縫間干涉因子的作用:

1)干涉主極大.β=kπ,k=0,±1,±2,…,即dsinθ=kλ時,光強(qiáng)取得極大值I=N2I0.由于衍射角的絕對值|θ|≤90°,因而對主極強(qiáng)的數(shù)目有了限制,最大級次|k|≤d/λ.

3)干涉次極大.2個極小之間有1個次極大,所以次極強(qiáng)的數(shù)目應(yīng)為N-2個.

單縫衍射因子的作用:單縫衍射因子并不改變主極強(qiáng)的位置和半角寬度,只改變各級主極強(qiáng)的強(qiáng)度,特別是剛好遇到單縫衍射因子零點的幾級主極強(qiáng)消失了,即為缺級現(xiàn)象.

2.2 雙縫、三縫的干涉現(xiàn)象

本實驗采用激光作為光源來照射雙縫和三縫,在遠(yuǎn)處的接收屏上看到雙縫的干涉現(xiàn)象為一系列等間距、明暗相間的條紋(見圖1～2);三縫的接收屏上能清晰看到干涉主極大、干涉次極大等現(xiàn)象,此現(xiàn)象明顯、直觀.同時由于衍射因子的作用,出現(xiàn)缺級現(xiàn)象,并由圖像上可數(shù)出第幾級缺級.

圖1 雙縫干涉現(xiàn)象圖

圖2 三縫干涉現(xiàn)象圖

2.3 雙孔、三孔的干涉現(xiàn)象

雙孔、三孔的干涉衍射現(xiàn)象類似于雙縫、三縫,不同的是它們在二維平面內(nèi)分布.如圖3和圖4所示,單孔的衍射斑為明暗相間的同心圓,而雙孔、三孔的干涉現(xiàn)象卻并非完全是連續(xù)的同心圓,某種意義上講類似于多縫的干涉現(xiàn)象.其中三孔干涉圖像中可清晰看出干涉主極大、干涉次級大以及缺級現(xiàn)象.

圖3 雙孔的干涉圖像

圖4 三孔的干涉圖像

3 半定性的演示方法

本實驗使用上述相同的孔和縫,同時采用計算機(jī)接口技術(shù)實時采集實驗數(shù)據(jù),在計算機(jī)上可迅速描繪出各種干涉花樣曲線,并可觀察孔、縫等的干涉動態(tài)變化過程,準(zhǔn)確地確定主極大數(shù)目及缺級位置,從而可直觀地顯示干涉因子的特點、衍射因子的作用和缺級現(xiàn)象等多種衍射干涉特征.

3.1 雙縫、三縫干涉花樣動態(tài)演示

圖5是計算機(jī)采集實驗數(shù)據(jù)的原理示意圖,其中傳感器上的接收器中央圓孔為感光孔,當(dāng)探測到光信號照射到上面時,該感光孔就將光信號輸入到傳感器,傳感器將衍射圖樣中的光強(qiáng)值以一定的比例轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的電壓值輸入接口電路.傳感器用絲杠帶動,通過轉(zhuǎn)動絲杠可使傳感器在垂直于光軸的水平方向上平移.絲杠又通過齒輪與掃描驅(qū)動器連接,轉(zhuǎn)動齒輪帶動絲杠使傳感器從一端平移到另一端,掃描驅(qū)動器將平移量X轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的電壓值也輸入到接口電路,接口電路同時將傳感器輸入量(對應(yīng)光強(qiáng)值)和掃描驅(qū)動器輸入值(對應(yīng)的X值)送入計算機(jī),計算機(jī)描繪出I-X曲線圖樣.圖6為電腦采集的雙縫干涉圖樣,圖7為三縫的干涉圖樣,與2.2相對應(yīng),說明2種方法得出的結(jié)論吻合.

圖5 計算機(jī)采集實驗數(shù)據(jù)原理圖

圖6 雙縫干涉圖樣

圖7 三縫干涉圖樣

3.2 雙孔、三孔干涉花樣動態(tài)演示

圖8為雙孔、三孔的實驗光路圖,距光源約20 cm處加凸透鏡(f=15 mm)對激光進(jìn)行擴(kuò)束,以便得到近似勻強(qiáng)的球面波.圖9為雙孔干涉的動態(tài)演示花樣,圖10為三孔的動態(tài)演示花樣.結(jié)果也與2.3相互吻合,只是光強(qiáng)相對弱些.

圖8 雙孔、三孔實驗光路圖

圖9 雙孔干涉動態(tài)演示花樣

圖10 三孔動態(tài)演示花樣

4 結(jié)束語

演示實驗的最終目的是要通過觀察啟發(fā)思維,使學(xué)生更好地認(rèn)識客觀規(guī)律,培養(yǎng)興趣.而多樣化的教學(xué)方法更能夠通過多方式多渠道的學(xué)習(xí)途徑提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性,全方位培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析、歸納、總結(jié)等能力,進(jìn)而提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和科學(xué)素質(zhì).

[1] 李訓(xùn)譜.關(guān)于開設(shè)“物理演示實驗”公選課的教學(xué)探討[J].物理實驗,2003,23(6):22.

[2] 曾浩.磁阻尼多功能演示儀(Ⅱ型)[J].物理實驗, 2007,27(10):14.

Demonstration of interference phenomenon

ZHAO Chun-hong,NIU Kong-zhen
(Institute of Physics,Nankai University,Tianjin 300071,China)

The interference images of double holes,three holes,double slits and three slits are demonstrated by traditional method.The distribution curves of interference intensity are acquired by sensor.The experimental images acquired by the two methods are in coincidence with each other.

interfere;demonstration experiment;various teaching

O436.1

A

1005-4642(2010)12-0031-03

[責(zé)任編輯:郭 偉]

“第6屆全國高等學(xué)校物理實驗教學(xué)研討會”論文

2010-06-01

趙春紅(1978-),女,河北承德人,南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院實驗師,碩士,從事演示教學(xué)及其儀器研制.