巧妙設(shè)計(jì)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)測量光的波長

劉召新

(余姚市第四中學(xué) 浙江 寧波 315400)

?

巧妙設(shè)計(jì)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)測量光的波長

劉召新

(余姚市第四中學(xué) 浙江 寧波 315400)

為了解決高中《物理·選修3-4》“實(shí)驗(yàn)：用雙縫干涉測量光的波長”的教學(xué)重難點(diǎn)問題，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置.不但實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯直觀，實(shí)驗(yàn)效果極佳，而且符合原有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對該實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ目疾橐?該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以作為演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，是值得推廣的實(shí)驗(yàn)方法.

雙縫干涉 創(chuàng)新設(shè)計(jì) 光伏電池 數(shù)字電表 光的波長

1 設(shè)計(jì)背景

利用雙縫干涉實(shí)驗(yàn)測量單色光的波長是《物理·選修3-4》的重點(diǎn)和難點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，該實(shí)驗(yàn)屬于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，高考考綱屬于d級(jí)要求，在高考實(shí)驗(yàn)考查中屬于高頻考點(diǎn).該實(shí)驗(yàn)主要包含4個(gè)考點(diǎn)：光的干涉現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)原理、測量條紋間距的方法和讀數(shù)并定量計(jì)算單色光的波長.

圖1所示的是雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，自左向右分別在光具座上安裝白熾燈泡、單縫、雙縫、遮光筒和測量頭、目鏡.實(shí)驗(yàn)效果不好有兩個(gè)主要原因：一方面，所采用的白熾燈光源強(qiáng)度小，經(jīng)過狹窄的單縫和雙縫后透光更加微弱，因此形成的干涉條紋模糊；另一方面，通過目鏡觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象很不方便，而且一次只能一個(gè)人觀察，交換觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)偶有不慎觸碰到器材，實(shí)驗(yàn)裝置需要重新調(diào)節(jié)，非常麻煩和浪費(fèi)時(shí)間.為了解決以上兩個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)難題，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一套新型的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置.

圖1 雙縫干涉的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

2 裝置的創(chuàng)新制作原理

如圖2所示，用激光器作為被測光的光源，經(jīng)凸透鏡擴(kuò)束后通過雙縫形成干涉線光源，產(chǎn)生的干涉條紋照射在光伏電池上.根據(jù)光伏電池對不同光照強(qiáng)度的敏感反映，轉(zhuǎn)化為強(qiáng)弱不同的電信號(hào)輸出在數(shù)字電表上.

圖2 雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

把光伏電池與數(shù)字電表相結(jié)合，將干涉或者衍射光投射到遮光板表面，緩慢調(diào)節(jié)移動(dòng)尺移動(dòng)光伏電池，觀察數(shù)字電表的屏顯示數(shù)，選擇其中的最大值或最小值，與之對應(yīng)的是通過狹縫到達(dá)光伏電池上相應(yīng)的明條紋或暗條紋.將數(shù)字電表示數(shù)從一個(gè)最大值或最小值到相鄰的另一個(gè)最大值或最小值之間的距離用移動(dòng)尺測量得出，就是相鄰明條紋或暗條紋的間距；也可以測出多條明條紋或暗條紋的距離然后取平均值.

移動(dòng)尺測出的相鄰亮條紋的間距Δx，代入公式

(1)

計(jì)算出被測光的波長λ.

3 實(shí)驗(yàn)儀器的制作和功能簡介

3.1 光伏電池組合移動(dòng)尺

如圖3所示，將光伏電池板用白色遮光板覆蓋表面，用刀片在遮光板表面開一狹縫，干涉光可以通過該狹縫照射在光伏電池板表面，從而產(chǎn)生光伏電壓.

圖3 光伏電池板

如圖4所示，將改裝好的光伏電池板固定在移動(dòng)尺上，調(diào)節(jié)移動(dòng)尺可以控制透光狹縫的橫向和縱向位置.

圖4 移動(dòng)尺組合光伏電池

3.2 數(shù)字電壓表組合光伏電池

如圖5和圖6所示，把光伏電池的兩個(gè)電極與數(shù)字電表相連接，透過遮光面板狹縫的光照在電池上，將不同光照強(qiáng)度產(chǎn)生的光伏電壓直觀顯示出來，以便確定干涉條紋的中心.

圖5 數(shù)字電壓表

圖6 數(shù)字電表組合光伏電池

3.3 激光器組合凸透鏡

如圖7和圖8所示，采用激光器作為光源，由于激光的能量高，所以實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯，不需要遮光筒，不受實(shí)驗(yàn)環(huán)境的制約影響.加上凸透鏡可以將點(diǎn)光源擴(kuò)束為近似線光源，使雙縫干涉形成明暗相間的條紋.

圖7 激光器組合凸透鏡

圖8 凸透鏡擴(kuò)束激光

4 實(shí)際教學(xué)的探究過程

(1)被測光源為激光器產(chǎn)生的紅光，把改裝好的器材依次安裝在光具座上(圖2)，調(diào)節(jié)后使干涉條紋照射在白色光屏上，記下雙縫的距離d=0.6 mm和雙縫到光屏的距離L=1.75 m.

(2)如圖9所示，橫向調(diào)節(jié)移動(dòng)尺使左起第4條亮條紋透過狹縫照在光伏電池板上，微調(diào)移動(dòng)尺至數(shù)字電表示數(shù)最大，為0.023 V，即為第4條亮條紋的中心照射到光伏電池上，記下移動(dòng)尺的讀數(shù)x1=34.8 mm.

圖9 實(shí)驗(yàn)探究第4條亮紋

(3)同理，如圖10所示，再橫向調(diào)節(jié)移動(dòng)尺使左起第6條亮條紋透過狹縫照在光伏電池板上，微調(diào)移動(dòng)尺至數(shù)字電表示數(shù)最大，為0.023 V，即為第6條亮條紋的中心照射到光伏電池上，記下移動(dòng)尺的讀數(shù)x2=38.8 mm.

(4)根據(jù)(2)、(3)測出的x1和x2計(jì)算

再把步驟(1)中雙縫的距離d=0.6 mm和雙縫到光屏的距離L=1.75 m都代入關(guān)系式(1)中，計(jì)算得λ=686 nm.

(5)為了提高準(zhǔn)確度可以多次測量,求波長λ的平均值.更換其他單色光激光器，重復(fù)以上步驟測量其他單色光的波長.

圖10 實(shí)驗(yàn)探究第6條亮紋

5 該創(chuàng)新設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

(1)激光器與凸透鏡組合使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，效果良好，幾乎不受實(shí)驗(yàn)環(huán)境的制約.

(2)光伏電池和數(shù)字電表組合，干涉條紋的中心定位直觀易得.

(3)實(shí)驗(yàn)器材常規(guī)，制作簡單，值得推廣.

(4)實(shí)驗(yàn)方法可以拓展研究單縫衍射、光柵等.

Ingenious Design to Measure the Wavelength of the Light Using the Double Slit Intereference Experiment

Liu Zhaoxin

(Yuyao No.4 Middle School of, Ningbo, Zhejiang 315400)

In order to solve the difficult problem of the teaching of the high school physics elective 3-4 “experiment: the wavelength of the measurement light with double slit interference”, the innovation design of the double slit interference experiment device. Not only the phenomenon is very obvious, the experimental effect is excellent; and in accordance with the requirements of the original experimental design on the ability of the experimental study. The experimental design can be as demonstration experiment and student group experiment, is worthy of promotion of experimental methods.

double slit interference; innovative design; photovoltaic cell; digital meter; wavelength of light

劉召新(1979- )，男，中教高級(jí)，市骨干教師，浙江省名師工作室學(xué)科帶頭人，主要從事高中物理教學(xué)及研究.

2016-06-15)