現行高中物理課本中對觀察光的衍射現象實驗的要求是:用直長燈絲的白熾燈泡或日光燈管作線光源,利用遊標卡尺兩隻測腳之間的窄縫作單縫進行實驗觀察。該實驗原理簡單,操作也不複雜。做好該實驗似乎是容易的事。但是,實驗觀察結果卻不理想,雲南水富天然氣化工廠子弟學校劉枝濤老師認為,主要原因是由於直接用手移動遊標尺來調節測腳之間的窄縫,不易調到較合適的縫寬,也很難使縫寬緩慢連續變化。因此,用遊標卡尺不易觀察到理想的彩色衍射條紋。
鑒於上述原因,做該實驗時改用螺旋測微器進行觀察,可獲得較滿意的效果。實驗時,將測微螺杆調近形成狹縫,再將該狹縫與燈絲(或日光燈管)平行,眼睛緊靠狹縫即可進行觀察。
由於該狹縫寬度是靠旋動微調旋鈕來調節的,因此操作方便,且能使狹縫寬度連續地緩慢減小,直到完全閉合。所以,容易得到寬度適當的狹縫,獲得良好的衍射效果。
用螺旋測微器進行實驗,在狹縫由寬變窄的過程中,當縫寬減小到約02mm時,可以看到開始出現明顯的衍射條紋;縫寬繼續減小到007-004mm(遊標卡尺很難調到此縫寬)時,彩色的衍射條紋最明顯。如果沒有直長燈絲的白熾燈泡,用普通白熾燈泡作光源,也能用螺旋測微器觀察到滿意的衍射現象。
雙縫幹涉實驗的改進
運用中學物理實驗室的教具來觀察雙縫幹涉現象,存在一個很突出的缺陷:當分別觀察紅光、藍光通過同一雙縫的幹涉現象以後,不容易比較兩幹涉圖樣中的條紋(相鄰亮紋或暗紋)間距Δ的寬窄。為此黑龍江肇源一中王鳳亭、於萬軍老師對現有教具做了一些改進,收到了滿意的效果。
改進措施
取下濾光框架中原有的紅、藍濾光片,各剪去一半(或從其它紅、藍光片上各剪下一條),然後把兩種顏色的濾光片對接起來,鑲進同一個架孔中,兩端用石蠟固定在濾光。
為了防止兩種幹涉條紋在銜接處出現重迭現象,同時,為了防止紅、藍濾光片在對接處透光,再剪取一條寬約5mm的不透光紙,對稱地貼在兩濾光片的對接處,這樣改進後,便可按原操作程序進行實驗了。
現象與優點
用改進後的紅、藍“對接式”濾光去做雙縫幹涉實驗,就可以在像屏上同時呈現出紅、藍兩種單色光的幹涉條紋。上下顏色各異,界線清楚,對比分明,隻要細心觀察,學生便可得出“紅光幹涉條紋的間距寬,藍光幹涉條紋的間距窄”的結論。一目了然,效果甚佳。
用簡易方法演示光的幹涉與衍射實驗
不少學校由於實驗條件的限製,教師在講授光的幹涉、光的衍射這部分內容時,無法進行光的雙縫幹涉、光的單縫衍射實驗。結果隻能紙上談兵,學生趣味不濃。實際上隻要就地取材,用簡易的方法稍作加工後就可以較好地進行這兩個實驗。福建莆田市教師進修學院林世正老師結合本人的一些實踐,談談雙(單)縫的製作及光的幹涉、衍射圖樣的直接觀察方法。
雙縫幹涉實驗
(1)雙縫製作:
方法①:將摔壞的鏡子碎片(指甲大小即可),在其反麵紅色的水銀鍍層上,用鋒利的小刀或刀片配合三角板刻畫二條長lcm、間距為01-07mm的平行線,即可得到透明光滑雙狹縫。
方法②:用精裝香煙的錫箔紙,裁成約2×4cm2的長方形,然後把長方形錫箔紙展平、對折,用鋒利的剪刀垂直於折迭線平行地剪二刀(長度與間距同方法①)。把該錫箔紙展開後,對著亮光用手稍作調整即得寬度均勻的兩狹縫。
照上述方法分別製作幾組間距不同的平行雙縫,待用。
(2)光源①點光源:手電筒上的小燈珠(卸去聚光部分)或遠處的電燈。
②線光源:長絲燈泡或15-25W白熾燈某一段直狀燈絲(燈絲其他部分可用手或不透光物品遮去)。
(3)觀察方法(虛像法)用製作的雙縫靠近眼睛去觀察50cm外的點光源或線光源(雙縫須和線光源平行),即可看到雙縫幹涉的彩色條紋。
在同一觀察點,用不同間距的雙縫看到的幹涉條紋間距不同。雙縫間距越大,幹涉條紋間距越小,可定性說明幹涉條紋間距與雙縫間距的關係。
單縫(圓孔)衍射實驗單縫製作、光源、觀察方法可參照雙縫幹涉實驗。還有更簡單的辦法:把左手食指和中指並攏,用兩指間的縫隙靠近眼睛去觀察電燈燈絲。右手指適當地控製此縫隙,使其寬度逐步變小,則看到的衍射條紋從無到有,逐漸變寬。若在錫箔紙上用針頭刺一小孔,通過該孔去觀察小電珠,能看到彩色衍射環紋。