幾種雙縫干涉實(shí)驗(yàn)方案的比較和改進(jìn)

黃嘉銅

（浙江省余姚市第四中學(xué)，浙江 余姚 315400）

光學(xué)應(yīng)用越來越廣泛，在物理學(xué)中也越來越重要.因此在高中物理課堂中，就應(yīng)該做好光學(xué)實(shí)驗(yàn)引發(fā)學(xué)生對光學(xué)的興趣.現(xiàn)在高中物理實(shí)驗(yàn)中使用的器材，經(jīng)過幾代人的努力，也越來越成熟.其中，光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)是光學(xué)實(shí)驗(yàn)中操作難度較大的一個(gè)實(shí)驗(yàn).下面是筆者對該實(shí)驗(yàn)的幾種實(shí)驗(yàn)方案的比較和改進(jìn)方案，供同行參考.

實(shí)驗(yàn)方案1：利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器套件（如圖1）.有白熾燈、凸透鏡、濾光片、單縫、雙縫、遮光筒、毛玻璃屏、測量頭組成.該實(shí)驗(yàn)的光路（如圖2），白熾燈發(fā)出的光經(jīng)凸透鏡變成平行光后，經(jīng)過單縫的光的能量已經(jīng)很小，再經(jīng)過雙縫發(fā)生干涉，在光屏處即使使用目鏡觀察，也很難觀察到清晰的干涉圖樣.該實(shí)驗(yàn)的最大缺點(diǎn)是到達(dá)雙縫的相干光光強(qiáng)太弱，實(shí)驗(yàn)不易成功，更不太可能上課作為演示實(shí)驗(yàn)，讓整個(gè)教室的學(xué)生觀察.

圖1

圖2

實(shí)驗(yàn)方案2：改變凸透鏡的位置，使燈絲在凸透鏡后成倒立縮小的實(shí)像于單縫處.注意要使小燈泡的燈絲與單縫垂直，如果仍像方案1使燈絲與狹縫平行，則不能看到干涉圖樣，只能看到一個(gè)亮斑.因?yàn)樾襞莸臒艚z是一匝一匝的螺旋狀組成的.讓整條燈絲與狹縫垂直，實(shí)際上是讓其中一匝燈絲與單縫平行，讓其成為一個(gè)更好的線光源.如果整根燈絲與單縫平行，則會(huì)發(fā)生多匝燈絲的干涉圖樣疊加，而出現(xiàn)一個(gè)亮斑.此方案最大的特點(diǎn)就是增強(qiáng)了發(fā)生干涉的光強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)也比方案1方便.

方案2雖然比方案1有所改進(jìn)，但短時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)出干涉條紋仍比較困難，條紋亮度還是不夠，所以不少教師在平時(shí)的課堂中并不采用.

實(shí)驗(yàn)方案3：用激光筆直接照射雙縫，將干涉圖樣投射在教室墻上讓學(xué)生觀察.這種方法簡單方便，但由于激光筆的光斑很小，產(chǎn)生的雙縫干涉條紋很短.看上去像明暗相間的點(diǎn)狀分布，如果教師不作解釋，學(xué)生會(huì)認(rèn)為雙縫干涉條紋是點(diǎn)狀的.再者，不能定量研究測波長，比較粗糙.

實(shí)驗(yàn)方案4：某教學(xué)儀器廠針對方案3作了改進(jìn)，在激光束前安裝一個(gè)小圓柱玻璃棒（如圖3），來改變光路（原理類似凸透鏡）對激光束進(jìn)行縱向拉伸，變成線光源，再經(jīng)過雙縫，就真正實(shí)現(xiàn)了雙縫干涉.但仍有不足：

圖3

圖4

（1）玻璃棒焦距太小，經(jīng)匯聚后再縱向拉伸后，真正到達(dá)雙縫的只是一小部分（如圖4），因此條紋仍然偏淡，課堂演示效果較差.

（2）玻璃棒材質(zhì)不佳，激光經(jīng)內(nèi)部小顆粒散射又使光能量損失一些，且散射光線會(huì)干擾干涉條紋，周圍會(huì)出現(xiàn)很多散射光斑，使其不夠清楚，（經(jīng)圓柱體拉伸后如圖5），很難定量分析.

針對以上不足，筆者做了一些改進(jìn)，供大家參考.

圖5

圖6

（1）將玻璃棒改成焦距較大的月型凸透鏡，并將雙縫放在透鏡焦點(diǎn)處，這樣就可以讓幾乎所有的激光束能量通過雙縫，在雙縫干涉后再縱向拉長投射到較暗背景上（如圖6），這樣干涉條紋非常清晰，完全可以在教室內(nèi)演示給學(xué)生觀察.

（2）凸透鏡玻璃質(zhì)量較好，內(nèi)部散射較少，一般不會(huì)干擾干涉條紋，使干涉條紋更加清晰.

（3）條紋經(jīng)雙縫后縱向仍可看作直線傳播，會(huì)被匯聚或擴(kuò)散，條紋會(huì)被拉伸.但橫向由于雙縫很小，經(jīng)過縫后已發(fā)生衍射現(xiàn)象，因此透鏡的作用對條紋的寬度不會(huì)影響.可以用本實(shí)驗(yàn)儀器在課堂上定量分析，測出激光光束的波長（筆者定量測得光的波長為700nm左右）效果很好.該實(shí)驗(yàn)裝置很簡單：由激光光源（可用激光筆）、透鏡、雙縫、光屏（可用黑板代替）（裝置如圖7，干涉圖樣如圖8）.以上是筆者的改進(jìn)建議，不足之處請同行批評(píng)指正.

圖7

圖8