光的波動性實驗儀器的創(chuàng)新設計

張志春 彭朝陽

摘? 要：創(chuàng)新設計并自制了光的波動性演示實驗儀器，并較好地呈現(xiàn)了光的干涉和衍射圖樣，為光的波動說的教學提供了有力支持。該實驗儀器具有很強的實用性、可復制性以及低成本性等特征。

關鍵詞：光;衍射;干涉;演示實驗;暗箱

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）2-0049-2

衍射和干涉是各種波均能發(fā)生的特有現(xiàn)象，干涉現(xiàn)象形成的實質(zhì)是波的疊加，波的干涉以波的疊加原理為基礎。機械振動在介質(zhì)（如水、空氣）中的傳播形成了機械波，相互聯(lián)系的變化的電場和磁場由近及遠的傳播形成了電磁波（如光波）。無論是機械波還是電磁波，二者均能發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象。波的衍射和干涉均為高中物理課程內(nèi)容的重要組成部分[1]。

為促進學生更好地認識和理解光的波動本性，需要用實驗為其提供豐富的感性認識。筆者參考有關資料[2-4]，利用身邊常見、易得的廉價材料，對光的波動性演示實驗儀器進行了創(chuàng)新設計。介紹如下：

1? ? 實驗儀器主要部件制作及組裝

自制儀器主要由如下幾部分組成：（1）移動式條紋接收光屏：由廢舊紙板、A4紙及硬質(zhì)活動桿組合而成，活動桿用來控制光屏前后移動實現(xiàn)條紋動態(tài)變化;（2）暗箱：由廢舊完整紙箱加工而成，其上合適位置設計有光源入射孔、觀察孔、光源放置平臺（在紙箱外部）等。暗箱的設計為實驗提供了有利的觀察環(huán)境，使實驗不受環(huán)境條件干擾;（3）圓孔轉(zhuǎn)換器件：由厚度、硬度適當?shù)姆峭该骷埰庸ぶ谱鞫?，為儀器核心部件之一。其上沿同一半徑所在區(qū)域內(nèi)，依次設計有不同直徑的單圓孔用來研究光（波）形成明顯衍射圖像的條件;同時，在同一半徑位置上不同區(qū)域內(nèi)依次等間距設計有相同孔徑的單孔、雙孔、彼此連線構成正三角形和正方形的三孔及四孔等，用來演示光的干涉疊加原理，部分圓孔局部放大如圖1所示。

儀器組裝：把暗箱放于水平桌面后，將光屏豎直放置于其內(nèi)，再將設計好的圓形圓孔轉(zhuǎn)換器緊貼于暗箱內(nèi)表面，最后再把手機置于暗箱外部的光源放置平臺，打開手機自帶的手電筒作為光源對準光線入射孔，用手輕輕轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)軸（在圓心處）帶動轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)動至對應位置即可進行實驗。制作組裝完成的實驗如圖2所示。實驗時應將紙箱頂部蓋好，使紙箱內(nèi)部形成暗室。

2? ? 光的衍射實驗操作及實驗現(xiàn)象

實驗操作步驟：依次轉(zhuǎn)動圓形光源轉(zhuǎn)換器，使其上圓孔由大到?。ɑ蛴尚〉酱螅┲鸫螌释ü饪?，并微調(diào)光源至能在光屏上形成衍射圖樣，前后移動光屏改變光源到合適的距離，觀察衍射條紋圖樣及其動態(tài)變化，并通過對比不同直徑的圓孔衍射情況，綜合分析歸納出光發(fā)生明顯衍射的條件。實驗所設計的圓孔直徑分別約為0.01 mm、0.03 mm、0.05 mm、0.08 mm。

實驗現(xiàn)象展示如圖3所示，圖中從左往右起圓孔直徑逐漸增大。

對比觀察分析圖3所示的實驗結果發(fā)現(xiàn)：光通過圓孔后能傳播到達的面積范圍均比各圓孔自身面積大得多，這表明當光通過上述各圓孔后均發(fā)生了衍射（這是實驗所設計的圓孔孔徑均比較小的結果）;此外，光屏上還有規(guī)律地分布著明暗相間的圓形條紋。這是由于來自圓孔上不同位置的光，通過孔之后波疊加時相互加強或者削弱發(fā)生了干涉的結果[1]。進一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，圓孔孔徑越小，衍射圖樣越分明，即衍射現(xiàn)象越顯著，且衍射條紋輪廓呈圓形。

上述實驗結果表明，光通過線度較小的圓孔時的確發(fā)生了衍射，說明光是一種波，具有波動性。

3? ? 光的干涉（波的疊加原理）實驗操作及實驗現(xiàn)象

實驗操作步驟：依次轉(zhuǎn)動圓形光源轉(zhuǎn)換器，使其上相同孔徑的單圓孔、雙圓孔、三圓孔、四圓孔區(qū)域逐次對準通光孔，并微調(diào)光源對準通光孔至能在光屏上接收到圖樣，觀察圖樣特征并前后移動光屏觀察圖樣動態(tài)變化。

實驗現(xiàn)象綜合展示如圖4所示，圖中所有圓孔孔徑均約為0.01 mm。

對比觀察圖4所示的實驗結果可以發(fā)現(xiàn)：光通過單個圓孔后發(fā)生了明顯的衍射，并產(chǎn)生了明暗相間的干涉條紋;更近一步來說，當光通過彼此靠得很近的等大雙圓孔后形成了與兩列同頻率的水波相遇疊加時相同的干涉圖樣，可見由兩圓孔發(fā)出的兩列次波源在空間中相遇時同樣也發(fā)生了疊加和干涉，用三圓孔及四圓孔進行實驗時也觀察到了類似的現(xiàn)象。

上述實驗結果表明，光和水波一樣一定條件下在空間中相遇時會發(fā)生干涉，即光是一種波，具有波動性。

通過對以上創(chuàng)新實驗設計所產(chǎn)生的實驗現(xiàn)象的分析不難發(fā)現(xiàn)，光在一定條件下的確能發(fā)生干涉和衍射，再次表明了光是一種波，有波動性。

4? ? 自制儀器的優(yōu)點

本套自制實驗儀器具有如下優(yōu)點：（1）取材生活化，制作成本低。如暗箱、硬質(zhì)紙片、手機等均易取得。（2）可復制性高，實用性和推廣性很強。這是制作成本低廉的最直接結果。（3）結構簡單，實驗現(xiàn)象明顯，功能多樣。用本自制儀器可為學生呈現(xiàn)出能說明光具有波動性的干涉和衍射兩種波所特有的現(xiàn)象，充分調(diào)動學生的學習熱情。

實際上，我們還可以在圓形光源轉(zhuǎn)換器上再增加設計圓屏、單縫等為學生呈現(xiàn)各種情形下光的衍射現(xiàn)象，促進學生對光的波動性相關知識的理解與掌握，稍加改裝利用還可用來探究小孔成像。所以，本自制實驗儀器具有功能多樣、一器多用等優(yōu)點，值得推廣。

參考文獻：

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-4[M].北京：人民教育出版社，2010：59-60.

[2]宋煒，凌焜，楊正波.光的衍射綜合演示儀的設計及制作[J].物理通報，2018（01）：67-68.

[3]于洪斌，張緒萍.用雙縫干涉儀改進光的衍射實驗[J].教學儀器與實驗，2015，31（10）：42-43.

[4]林珠，王格，彭保進，等.一種光的衍射教學演示儀[J].物理教師，2014，35（08）：64.

（欄目編輯? ? 王柏廬）