張志春 彭朝陽(yáng)

摘? 要：創(chuàng)新設(shè)計(jì)并自制了光的波動(dòng)性演示實(shí)驗(yàn)儀器，并較好地呈現(xiàn)了光的干涉和衍射圖樣，為光的波動(dòng)說(shuō)的教學(xué)提供了有力支持。該實(shí)驗(yàn)儀器具有很強(qiáng)的實(shí)用性、可復(fù)制性以及低成本性等特征。

關(guān)鍵詞：光;衍射;干涉;演示實(shí)驗(yàn);暗箱

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：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(shí)質(zhì)是波的疊加，波的干涉以波的疊加原理為基礎(chǔ)。機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)（如水、空氣）中的傳播形成了機(jī)械波，相互聯(lián)系的變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)由近及遠(yuǎn)的傳播形成了電磁波（如光波）。無(wú)論是機(jī)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(jìn)學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)和理解光的波動(dòng)本性，需要用實(shí)驗(yàn)為其提供豐富的感性認(rèn)識(shí)。筆者參考有關(guān)資料[2-4]，利用身邊常見(jiàn)、易得的廉價(jià)材料，對(duì)光的波動(dòng)性演示實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。介紹如下：

1? ? 實(shí)驗(yàn)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(dòng)式條紋接收光屏：由廢舊紙板、A4紙及硬質(zhì)活動(dòng)桿組合而成，活動(dòng)桿用來(lái)控制光屏前后移動(dòng)實(shí)現(xiàn)條紋動(dòng)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(shè)計(jì)有光源入射孔、觀(guān)察孔、光源放置平臺(tái)（在紙箱外部）等。暗箱的設(shè)計(jì)為實(shí)驗(yàn)提供了有利的觀(guān)察環(huán)境，使實(shí)驗(yàn)不受環(huán)境條件干擾;（3）圓孔轉(zhuǎn)換器件：由厚度、硬度適當(dāng)?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(shè)計(jì)有不同直徑的單圓孔用來(lái)研究光（波）形成明顯衍射圖像的條件;同時(shí)，在同一半徑位置上不同區(qū)域內(nèi)依次等間距設(shè)計(jì)有相同孔徑的單孔、雙孔、彼此連線(xiàn)構(gòu)成正三角形和正方形的三孔及四孔等，用來(lái)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(shè)計(jì)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(jī)置于暗箱外部的光源放置平臺(tái)，打開(kāi)手機(jī)自帶的手電筒作為光源對(duì)準(zhǔn)光線(xiàn)入射孔，用手輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸（在圓心處）帶動(dòng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)動(dòng)至對(duì)應(yīng)位置即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。制作組裝完成的實(shí)驗(yàn)如圖2所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)將紙箱頂部蓋好，使紙箱內(nèi)部形成暗室。

2? ? 光的衍射實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)操作步驟：依次轉(zhuǎn)動(dòng)圓形光源轉(zhuǎn)換器，使其上圓孔由大到小（或由小到大）逐次對(duì)準(zhǔn)通光孔，并微調(diào)光源至能在光屏上形成衍射圖樣，前后移動(dòng)光屏改變光源到合適的距離，觀(guān)察衍射條紋圖樣及其動(dòng)態(tài)變化，并通過(guò)對(duì)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(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的圓孔直徑分別約為0.01 mm、0.03 mm、0.05 mm、0.08 mm。

實(shí)驗(yàn)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(duì)比觀(guān)察分析圖3所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：光通過(guò)圓孔后能傳播到達(dá)的面積范圍均比各圓孔自身面積大得多，這表明當(dāng)光通過(guò)上述各圓孔后均發(fā)生了衍射（這是實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的圓孔孔徑均比較小的結(jié)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(lái)自圓孔上不同位置的光，通過(guò)孔之后波疊加時(shí)相互加強(qiáng)或者削弱發(fā)生了干涉的結(jié)果[1]。進(jìn)一步觀(guān)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光通過(guò)線(xiàn)度較小的圓孔時(shí)的確發(fā)生了衍射，說(shuō)明光是一種波，具有波動(dòng)性。

3? ? 光的干涉（波的疊加原理）實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)操作步驟：依次轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)準(zhǔn)通光孔，并微調(diào)光源對(duì)準(zhǔn)通光孔至能在光屏上接收到圖樣，觀(guān)察圖樣特征并前后移動(dòng)光屏觀(guān)察圖樣動(dòng)態(tài)變化。

實(shí)驗(yàn)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(duì)比觀(guān)察圖4所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：光通過(guò)單個(gè)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(lái)說(shuō)，當(dāng)光通過(guò)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(shí)相同的干涉圖樣，可見(jiàn)由兩圓孔發(fā)出的兩列次波源在空間中相遇時(shí)同樣也發(fā)生了疊加和干涉，用三圓孔及四圓孔進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)也觀(guān)察到了類(lèi)似的現(xiàn)象。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光和水波一樣一定條件下在空間中相遇時(shí)會(huì)發(fā)生干涉，即光是一種波，具有波動(dòng)性。

通過(guò)對(duì)以上創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)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(dòng)性。

4? ? 自制儀器的優(yōu)點(diǎn)

本套自制實(shí)驗(yàn)儀器具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）取材生活化，制作成本低。如暗箱、硬質(zhì)紙片、手機(jī)等均易取得。（2）可復(fù)制性高，實(shí)用性和推廣性很強(qiáng)。這是制作成本低廉的最直接結(jié)果。（3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，功能多樣。用本自制儀器可為學(xué)生呈現(xiàn)出能說(shuō)明光具有波動(dòng)性的干涉和衍射兩種波所特有的現(xiàn)象，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

實(shí)際上，我們還可以在圓形光源轉(zhuǎn)換器上再增加設(shè)計(jì)圓屏、單縫等為學(xué)生呈現(xiàn)各種情形下光的衍射現(xiàn)象，促進(jìn)學(xué)生對(duì)光的波動(dòng)性相關(guān)知識(shí)的理解與掌握，稍加改裝利用還可用來(lái)探究小孔成像。所以，本自制實(shí)驗(yàn)儀器具有功能多樣、一器多用等優(yōu)點(diǎn)，值得推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開(kāi)發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)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(shè)計(jì)及制作[J].物理通報(bào)，2018（01）：67-68.

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

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

（欄目編輯? ? 王柏廬）