光的波动性实验仪器的创新设计

    张志春 彭朝阳

    

    

    

    摘? 要：创新设计并自制了光的波动性演示实验仪器，并较好地呈现了光的干涉和衍射图样，为光的波动说的教学提供了有力支持。该实验仪器具有很强的实用性、可复制性以及低成本性等特征。

    关键词：光;衍射;干涉;演示实验;暗箱

    中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2021）2-0049-2

    衍射和干涉是各种波均能发生的特有现象，干涉现象形成的实质是波的叠加，波的干涉以波的叠加原理为基础。机械振动在介质（如水、空气）中的传播形成了机械波，相互联系的变化的电场和磁场由近及远的传播形成了电磁波（如光波）。无论是机械波还是电磁波，二者均能发生干涉和衍射现象。波的衍射和干涉均为高中物理课程内容的重要组成部分[1]。

    为促进学生更好地认识和理解光的波动本性，需要用实验为其提供丰富的感性认识。笔者参考有关资料[2-4]，利用身边常见、易得的廉价材料，对光的波动性演示实验仪器进行了创新设计。介绍如下：

    1? ? 实验仪器主要部件制作及组装

    自制仪器主要由如下几部分组成：（1）移动式条纹接收光屏：由废旧纸板、A4纸及硬质活动杆组合而成，活动杆用来控制光屏前后移动实现条纹动态变化;（2）暗箱：由废旧完整纸箱加工而成，其上合适位置设计有光源入射孔、观察孔、光源放置平台（在纸箱外部）等。暗箱的设计为实验提供了有利的观察环境，使实验不受环境条件干扰;（3）圆孔转换器件：由厚度、硬度适当的非透明纸片加工制作而成，为仪器核心部件之一。其上沿同一半径所在区域内，依次设计有不同直径的单圆孔用来研究光（波）形成明显衍射图像的条件;同时，在同一半径位置上不同区域内依次等间距设计有相同孔径的单孔、双孔、彼此连线构成正三角形和正方形的三孔及四孔等，用来演示光的干涉叠加原理，部分圆孔局部放大如图1所示。

    仪器组装：把暗箱放于水平桌面后，将光屏竖直放置于其内，再将设计好的圆形圆孔转换器紧贴于暗箱内表面，最后再把手机置于暗箱外部的光源放置平台，打开手机自带的手电筒作为光源对准光线入射孔，用手轻轻转动转轴（在圆心处）带动转换器转动至对应位置即可进行实验。制作组装完成的实验如图2所示。实验时应将纸箱顶部盖好，使纸箱内部形成暗室。

    2? ? 光的衍射实验操作及实验现象

    实验操作步骤：依次转动圆形光源转换器，使其上圆孔由大到小（或由小到大）逐次对准通光孔，并微调光源至能在光屏上形成衍射图样，前后移动光屏改变光源到合适的距离，观察衍射条纹图样及其动态变化，并通过对比不同直径的圆孔衍射情况，综合分析归纳出光发生明显衍射的条件。实验所设计的圆孔直径分别约为0.01 mm、0.03 mm、0.05 mm、0.08 mm。

    实验现象展示如图3所示，图中从左往右起圆孔直径逐渐增大。

    对比观察分析图3所示的实验结果发现：光通过圆孔后能传播到达的面积范围均比各圆孔自身面积大得多，这表明当光通过上述各圆孔后均发生了衍射（这是实验所设计的圆孔孔径均比较小的结果）;此外，光屏上还有规律地分布着明暗相间的圆形条纹。这是由于来自圆孔上不同位置的光，通过孔之后波叠加时相互加强或者削弱发生了干涉的结果[1]。进一步观察可以发现，圆孔孔径越小，衍射图样越分明，即衍射现象越显著，且衍射条纹轮廓呈圆形。

    上述实验结果表明，光通过线度较小的圆孔时的确发生了衍射，说明光是一种波，具有波动性。

    3? ? 光的干涉（波的叠加原理）实验操作及实验现象

    实验操作步骤：依次转动圆形光源转换器，使其上相同孔径的单圆孔、双圆孔、三圆孔、四圆孔区域逐次对准通光孔，并微调光源对准通光孔至能在光屏上接收到图样，观察图样特征并前后移动光屏观察图样动态变化。

    实验现象综合展示如图4所示，图中所有圆孔孔径均约为0.01 mm。

    对比观察图4所示的实验结果可以发现：光通过单个圆孔后发生了明显的衍射，并产生了明暗相间的干涉条纹;更近一步来说，当光通过彼此靠得很近的等大双圆孔后形成了与两列同频率的水波相遇叠加时相同的干涉图样，可见由两圆孔发出的两列次波源在空间中相遇时同样也发生了叠加和干涉，用三圆孔及四圆孔进行实验时也观察到了类似的现象。

    上述实验结果表明，光和水波一样一定条件下在空间中相遇时会发生干涉，即光是一种波，具有波动性。

    通过对以上创新实验设计所产生的实验现象的分析不難发现，光在一定条件下的确能发生干涉和衍射，再次表明了光是一种波，有波动性。

    4? ? 自制仪器的优点

    本套自制实验仪器具有如下优点：（1）取材生活化，制作成本低。如暗箱、硬质纸片、手机等均易取得。（2）可复制性高，实用性和推广性很强。这是制作成本低廉的最直接结果。（3）结构简单，实验现象明显，功能多样。用本自制仪器可为学生呈现出能说明光具有波动性的干涉和衍射两种波所特有的现象，充分调动学生的学习热情。

    实际上，我们还可以在圆形光源转换器上再增加设计圆屏、单缝等为学生呈现各种情形下光的衍射现象，促进学生对光的波动性相关知识的理解与掌握，稍加改装利用还可用来探究小孔成像。所以，本自制实验仪器具有功能多样、一器多用等优点，值得推广。

    参考文献：

    [1]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-4[M].北京：人民教育出版社，2010：59-60.

    [2]宋炜，凌焜，杨正波.光的衍射综合演示仪的设计及制作[J].物理通报，2018（01）：67-68.

    [3]于洪斌，张绪萍.用双缝干涉仪改进光的衍射实验[J].教学仪器与实验，2015，31（10）：42-43.

    [4]林珠，王格，彭保进，等.一种光的衍射教学演示仪[J].物理教师，2014，35（08）：64.

    （栏目编辑? ? 王柏庐）