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        物理教學中一物多用之激光筆篇

        2021-02-21 08:17:49于淼
        物理教學探討 2021年1期
        關鍵詞:創(chuàng)新實驗

        摘? ?要:利用激光筆巧妙地改進了幾個實驗,包括光的干涉、測量光的波長、光的衍射。實驗現(xiàn)象非常明顯,效果較好。

        關鍵詞:激光筆;一物多用;創(chuàng)新實驗

        中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A ? ? 文章編號:1003-6148(2021)1-0053-3

        為了充分發(fā)揮某一實驗器材的作用,很多教師都會一物多用[1,2],即利用同一個實驗器材設計不同的物理實驗,在減少實驗費用的同時還可以更好地為教學服務。激光具有可調(diào)諧、方向性好、強度大、相干性好等優(yōu)點,利用激光做各種光學實驗效果比普通光源要好得多。本文利用激光的這些優(yōu)點改良與創(chuàng)新了幾個光學實驗,以供參考。

        1? ? 研究光的干涉和測量光的波長

        實驗器材:雙縫、激光筆(紅光、綠光和藍紫光三只)、皮尺(最長可測4米)、支架、毫米刻度尺。

        實驗過程:如圖1所示[圖1(a)是原理圖,圖1(b)是實物圖],將激光筆和雙縫放在支架上,調(diào)節(jié)好兩者間的位置使激光能通過雙縫,再將兩者固定在支架上。將雙縫對準墻面(離墻距離l=2.5 m),可以清晰地看到干涉條紋(光的干涉得到了明暗相間的條紋,亮條紋和亮條紋、暗條紋和暗條紋的寬度相同)。

        探究1 相鄰同種條紋間距(Δx)的影響因素(l、d和λ)

        (1)探究條紋間距與雙縫離墻的距離l的關系

        保持雙縫間距(d=0.20 mm)和波長(紅光λ=650 nm)不變,通過改變雙縫離墻的距離l,用刻度尺量出5條亮條紋之間的距離x,再算出相鄰亮條紋之間的距離Δx,記錄到表1中。以雙縫離墻的距離l為橫坐標、相鄰亮條紋之間的距離Δx為縱坐標,通過Excel描點作圖,得到圖2。

        (2)探究條紋間距與雙縫間距d的關系

        保持雙縫離墻的距離(l=3.00 m)和波長(紅光λ=650 nm)不變,通過改變雙縫間距d,用刻度尺量出5條亮條紋之間的距離x,再算出相鄰亮條紋之間的距離Δx,記錄到表2中。以雙縫間距d的倒數(shù)為橫坐標、相鄰亮條紋之間的距離Δx為縱坐標,通過Excel描點作圖,得到圖3。

        (3)探究條紋間距與入射光波長λ的關系

        保持雙縫間距(d=0.20 mm)和雙縫離墻的距離(l=3.00 m)不變,通過改變?nèi)肷涔獠ㄩLλ,用刻度尺量出5條亮條紋之間的距離x,再算出相鄰亮條紋之間的距離Δx,記錄到表3中。以入射光波長λ為橫坐標、相鄰亮條紋之間的距離Δx為縱坐標,通過Excel描點作圖,得到圖4。

        實驗結論:利用激光筆能很好地觀察到光的干涉現(xiàn)象,實驗效果非常明顯,與利用光的干涉演示儀相比更直觀,現(xiàn)象更明顯。探究(1)保持雙縫間距d和波長λ不變時,得到Δx與l成正比關系,即Δx∝l;探究(2)保持雙縫離墻的距離l和波長λ不變時,得到Δx與d成反比關系,即Δx∝1/d;探究(3)保持雙縫間距d和雙縫離墻的距離l不變時,得到Δx與λ成正比關系,即Δx∝λ。由此可以得到條紋間距Δx與l、d和λ的關系,即Δx∝λl/d,寫成等式為Δx=λl/d。

        探究2? 測量紅光的波長

        通過改變雙縫離墻的距離和雙縫間的距離來實現(xiàn)多次測量(見表4),代入λ=dΔx/l計算出波長,其中d是雙縫間的距離,Δx是相鄰亮條紋間的距離[為了減小誤差,用游標卡尺測出n條(本實驗n=5)亮條紋間的距離x,再算出Δx=x/(n-1)],l是雙縫到墻之間的距離,再取平均值得到波長。

        實驗結論:該實驗是利用光的干涉測量入射光的波長。通過改變雙縫間距和雙縫到墻的距離實現(xiàn)多次測量再取平均值的方法測得入射光的波長為659 nm(實驗中紅色激光的波長為650 nm,與實際值相比誤差為1.4%),效果非常好。

        2? ? 研究光的衍射

        實驗器材:

        兩張名片、激光筆(紅色和綠色兩只)、泡沫板(10 cm×2 cm×2 cm)、夾子、小刀。

        實驗過程:如圖5所示,先用小刀在泡沫板上刻出深度約0.5 cm的淺縫(縫的寬度要跟名片的厚度差不多),用夾子夾住名片,再塞到泡沫板的淺縫中,注意要使名片的上下縫的寬度不同(上面窄,下面稍微寬點,最寬也不要超過1 mm),用激光筆緩慢從縫的下邊向上移動照射細縫時,可以得到圖6的圖像(a圖、b圖、c圖對應激光筆照射縫的下邊、中間、上邊)。

        實驗結論:該實驗演示了光通過單縫時發(fā)生明顯光的衍射現(xiàn)象,且探究了光的衍射與縫寬度的關系,實驗可以發(fā)現(xiàn)縫的寬度越小,衍射的現(xiàn)象就越明顯,且中間條紋寬度越寬,但亮度卻變暗。如果用紅光和綠光在同一細縫處照射,可以發(fā)現(xiàn)紅光的衍射現(xiàn)象比綠光的衍射現(xiàn)象明顯,因為紅光的波長長,更容易發(fā)生衍射。

        上面介紹了利用激光改良與創(chuàng)新的幾個實驗,實驗效果很明顯,取得了很好的實驗效果,有利于學生對相關知識的理解。在平時的教學中,物理教師可以在這些方面做更多的研究,設計更多、更好的實驗為自己的教學服務。

        參考文獻:

        [1]沈祖榮.智能手機增強物理演示實驗教學功效案例舉隅[J].中學物理,2019,37(11):40-42.

        [2]于淼.幾個利用變壓器的低成本實驗[J].中學物理教學參考,2017,46(11):68-70.

        [3]陳雷,李冰.智能手機在高中物理教學中應用兩則[J].中學物理,2019,37(11):43.

        (欄目編輯? ? 王柏廬)

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