自制雙縫干涉、單縫衍射、透射光柵衍射觀察儀

　　市售的光的雙縫干涉實驗儀讓一束自然光通過單縫，再經(jīng)雙縫形成一對相干光，到光屏上互相疊加產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，因為光很弱需要用遮光筒，每次實驗只能讓一位同學(xué)透過目鏡觀察干涉條紋。為了讓學(xué)生方便地觀察光的雙縫干涉、單縫衍射、透射光柵衍射實驗的干涉條紋，筆者對儀器作了如下改進(jìn)。
　　一、改進(jìn)光源
　　激光是相干光源，具有單色性、相干性、方向性、亮度大等特點。由玩具激光筆（發(fā)紅色激光那種，玩具級的，有些地方俗稱“紅外線”）激發(fā)激光來代替通過單縫的一束光線。用激光直接照射雙縫、單縫、透射光柵到達(dá)屏上形成的光條亮度大，便于觀察。玩具激光筆既物美價廉又可以省去遮光筒、濾光片和單縫，同樣可以觀察到明亮清晰的干涉衍射條紋。還可以用鐵絲彎折成一個簡易支架固定激光筆，既方便操作又有利于調(diào)整激光傳播方向。
　　二、制作雙縫
　　根據(jù)Δx=λL/d，雙縫間距越小越有利于觀察雙縫干涉條紋，所以應(yīng)盡量制作間距小的雙縫。玻璃平面鏡背面的鍍層很容易劃傷，可以用刀片在玻璃平面鏡背面鍍層上劃出雙縫。制作時準(zhǔn)備一小塊平面鏡、一把刻度尺、塑料膠帶和兩個刀片，先將兩個刀片的刀刃邊角對齊后用膠帶并排將刀面緊緊粘在一起，然后將鏡子背面向上放在桌面上，最后在鏡子背面放一把刻度尺用雙刀片緊貼刻度尺在鏡子背面鍍層上劃出雙縫，這樣就可以刻出預(yù)期的效果。刀片越薄刻出的雙縫間距越小，刀片越鋒利刻出的縫越細(xì)。
　　三、測量雙縫間距
　　因為雙縫間距很小所以不能用刻度尺、螺旋測微器或游標(biāo)卡尺直接測量，需要采用投影儀成像放大法測量。布置一間暗室，在暗室中測量玻璃鏡面雙縫間距。將投影儀放在暗室中距離白色墻壁10米遠(yuǎn)處，將劃好雙縫的玻璃鏡面放在投影儀上，接通投影儀電源，上下調(diào)節(jié)投影儀凸透鏡到玻璃平面鏡間距離，使劃好雙縫的玻璃鏡面在墻上的像清晰，這樣像約放大了30倍。用刻度尺量出墻上的像的總寬度d1和墻上像雙縫的寬度d2并記錄，關(guān)閉投影儀電源，再用刻度尺量出玻璃鏡面的實際寬度d3，按比例算出雙縫的實際寬度d=d3×d2÷d1。筆者采用投影儀成像放大法測量測出平面鏡的雙縫寬度為0.175mm。
　　四、組裝儀器
　　在教室內(nèi)自然條件下完成實驗。依次將光源（玩具激光筆）、劃好雙縫的平面鏡（背對激光筆）、光屏固定在光具座上。調(diào)節(jié)玩具激光筆發(fā)光方向使激光沿水平方向傳播；調(diào)節(jié)劃好雙縫的玻璃鏡面使鏡面與激光傳播方向垂直并且讓玩具激光筆發(fā)出的紅光穿過雙縫照射到光屏上；調(diào)節(jié)光屏讓光屏與玻璃平面鏡平行。這時可以在光屏上看到明亮清晰的雙縫干涉條紋。增大光屏到縫的距離，光屏上條紋間距也增大。測量光屏到縫的距離L，光屏上條紋間距Δx。根據(jù)公式Δx=λL/d可算出波長（式中d是雙縫間距，L是雙縫到光屏的距離，Δx是相鄰兩條亮（暗）紋間距，λ是單色光的波長）。
　　實驗裝置如下圖所示。
　　五、測量數(shù)據(jù)
　　用刻度尺測出光屏到雙縫間的距離L，屏上n條亮條紋間距a，就可以求出相鄰兩條紋間的距離Δx=a÷（n-1）。根據(jù)公式λ=Δxd/L可計算波長λ。
　　六、觀察單縫衍射
　　用這個改進(jìn)的雙縫觀察儀還可以觀察單縫衍射現(xiàn)象，具體做法是：用單刀片在平面鏡背面鍍層上只刻一條縫，用上述做法就可以在屏上看到單縫衍射條紋。
　　七、觀察透射光柵衍射
　　將二十個相同的刀片邊角對齊后并排放在一起，在刀片中間有孔處分別另插入兩支螺桿，將刀片邊角對齊后用螺母緊緊固定。用這二十個刀片同時在平面鏡背面鍍層上劃出二十條劃痕劃縫，這樣就制作出透射光柵。用螺旋測微器測出二十個刀片的總厚度d，總厚度除以20計算出一張刀片的厚度，每張刀片的厚度等于平面鏡上透射光柵相鄰兩條縫間的距離。用上述做法就可以在屏上看到透射光柵衍射條紋。
　　設(shè)想：聯(lián)系生產(chǎn)玩具激光筆的廠家，請廠家生產(chǎn)出線光源玩具激光筆，能發(fā)出線激光束代替點光源；生產(chǎn)出不同激發(fā)顏色光的玩具激光筆，比較不同波長λ的條紋。
　　注意事項：不要用激光筆直接照射人眼，不要長時間觀看干涉條紋，注意保護(hù)視力。（責(zé)任編輯 郭振玲）