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        雙縫干涉演示實驗中的雙重現(xiàn)象

        2013-11-24 03:00:48楊光喜
        物理教師 2013年3期
        關(guān)鍵詞:實驗教學(xué)學(xué)生

        楊光喜

        (四川省寧南中學(xué),四川 涼山 615400)

        在“光的干涉”一節(jié)的教學(xué)中,一般都要介紹歷史上的楊氏實驗,并通過類似的實驗再現(xiàn)來說明光且有干涉現(xiàn)象,從而證明光是一種波.然后再通過理論分析屏幕上某個位置出現(xiàn)明、暗條紋的條件.教科版第78頁給我們提供了一幅圖片(如圖1所示),通過圖片來說明單色光通過雙縫后在屏上產(chǎn)生了疊加,形成了明、暗相間的條紋,即發(fā)生了干涉現(xiàn)象.

        然而,要將圖片中的情景展現(xiàn)出來讓學(xué)生看也不是一件容易的事.如果用實驗室配備的實驗儀器,即教科版教材第2節(jié)上的實驗裝置(如圖2所示)來做實驗的話,雖然效果好,但有很多不便的地方.首先,學(xué)生不能同時看到屏幕上的條紋,而只能一個一個地通過目鏡觀察,這樣花費(fèi)的時間太多,如果班上學(xué)生較多的話,差不多要花1節(jié)課的時間才能讓每個學(xué)生都看一次.其次,因要通過目鏡來觀看,所以會出現(xiàn)少數(shù)學(xué)生因自身眼睛的原因看不到圖案而帶來遺憾.再一個就是,有的學(xué)生在觀看時總是要雙手抱著目鏡,這樣很容易造成光源中心與單縫、雙縫和屏之間發(fā)生移位,使得后來的學(xué)生無法看到清晰的條紋.

        圖1

        圖2

        隨著小型激光筆越來越普遍,很多教師在教學(xué)過程中對上面的實驗進(jìn)行了有效的改進(jìn),使得操作變得既簡單,現(xiàn)象又明顯.具體做法是:用激光筆直接照射雙縫,并將干涉的光直接打到白色墻壁上.通過改進(jìn)后的實驗避免了上面實驗中的各種弊端,從而提高了教學(xué)效率.

        筆者在教學(xué)過程中也是按上面改進(jìn)后的方法操作的.在做演示實驗時,筆者將雙縫調(diào)整為豎直方向,然后讓紅色激光束垂直于雙縫照射,結(jié)果在屏(白色的墻壁)上卻出現(xiàn)了一種奇怪的現(xiàn)象——如圖3所示的“雙重”現(xiàn)象(筆者用相機(jī)將其拍下,但因紅色激光太強(qiáng),使得照下來的圖案正中部分看起來成了白色,正中的邊緣才看到紅色).

        筆者用相同的方法讓紅色激光束垂直照射單縫時,出現(xiàn)的情況如上面圖4所示(為了便于對比和說明,筆者將兩張照片并排放在一起).對圖3(或圖4)中的現(xiàn)象,我們首先要向?qū)W生解釋的是:每一個光斑實際是對應(yīng)著一條豎直的條紋,只是因為照射雙縫(或單縫)的光不是線光源,是一個小圓點(diǎn),因而不能將整個縫充滿,所以才出現(xiàn)這樣的情況;其次要向?qū)W生說明縫是沿豎直方向的,不然學(xué)生會誤認(rèn)為縫是沿水平方向的,因為看到的圖案整體是水平狀的.為了說明這一點(diǎn),筆者將圖3的現(xiàn)象畫成了圖5(a)所示的短條紋.為了證明這一點(diǎn),我們用一個凹透鏡(或用所戴的近視眼鏡也可以)先將直徑很小的激光束擴(kuò)展為一個直徑稍大的激光束,使其光束的直徑差不多與雙縫的長度相當(dāng),再讓其垂直照射雙縫,這時我們就會看到條紋明顯的變長了,如圖5(b)所示(只有條紋的亮度和清晰與擴(kuò)展前的要差一點(diǎn)).

        圖3

        圖4

        圖5

        通過對比圖3、圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn),在干涉現(xiàn)象中,從整個干涉圖案的明亮程度和布局來看,明顯的與單縫衍射時的圖案(即中央為最大最寬的亮條紋,兩邊是亮度和寬度都迅速減小的明、暗相間的條紋)相似.而單從條紋間的距離來看的話,又基本上是平行等距的,說明是干涉所產(chǎn)生的結(jié)果.那么,為什么會出現(xiàn)圖3所示的現(xiàn)象呢?

        原來,我們所用的雙縫一般都是從實驗室中配套的干涉儀中取出來的,雙縫間的距離都比較小(一般都在0.25mm以下,有的甚至只有零點(diǎn)零幾毫米),這樣小的距離有時候我們用肉眼都很難分辨出它們,看起來覺得就是一條縫.如果我們把挨得這么近的兩條縫當(dāng)成一條縫來看,那么,圖3中的明、暗相間的條紋組就很容易解釋了.圖中從左到右都是間距相等的明暗條紋,這顯然是雙縫干涉所產(chǎn)生的;當(dāng)將雙縫當(dāng)成單縫,衍射所產(chǎn)生的亮條紋與干涉產(chǎn)生的亮紋疊加在一起,就出現(xiàn)了一組亮條紋,而產(chǎn)生的暗紋所處的位置就只有干涉的條紋,所以這個位置就相對要暗一些.這樣疊加之后就出現(xiàn)了圖3中所看到的“雙重”現(xiàn)象.

        那么,為什么用雙縫干涉儀來做這個干涉實驗時又不會出現(xiàn)上面的現(xiàn)象呢?這是因為儀器中的光屏太小,屏上只能顯示出圖3中的正中最亮的那一組干涉條紋,所以我們無法看到兩邊對稱的那些亮條紋組.

        在教學(xué)過程中,雖然我們對實驗的演示方法進(jìn)行了改進(jìn),但對改進(jìn)后出現(xiàn)的新現(xiàn)象我們一定要弄清原由,必要時才能給學(xué)生作出合理的解釋.

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