“用雙縫干涉測光的波長”實驗探究

1問題的提出

2006年高考理綜第22題考查了學(xué)生實驗“用雙縫干涉測光的波長”，內(nèi)容為：(1)利用圖中裝置研究雙縫干涉現(xiàn)象時，有下面幾種說法：

A．將屏移近雙縫，干涉條紋間距變窄

B．將濾光片由藍(lán)色的換成紅色的，干涉條紋間距變寬

C.將單縫向雙縫移動一小段距離后，干涉條紋間距變寬

D.換一個兩縫之間距離較大的雙縫，干涉條紋間距變窄

E.去掉濾光片后，干涉現(xiàn)象消失

其中正確的是：__________。

現(xiàn)行人教版高中物理課本只是對雙縫干涉作了簡單分析，然后結(jié)合插頁圖給出兩個定量結(jié)論：第一，在雙縫干涉現(xiàn)象里，明條紋或暗條紋之間的距離，總是相等的。第二，條紋的間距跟光波的波長成正比。根據(jù)這兩個結(jié)論，只能確定選項B是正確，似乎只有動手做過該學(xué)生實驗的同學(xué)才能把A、B、D三個正確選項全部選出來。其實情況并非如此，使用過以前的教材版本的老師，一般都會在新授課給出公式Δx=Ldλ，據(jù)此條紋間距的公式，即使沒有做過該學(xué)生實驗，也能輕松選出A、B、D三個正確選項。可見，實驗筆試考查學(xué)生的動手操作能力還是很困難的。而僅僅依靠記憶的各種公式來解決問題，往往缺乏對問題實質(zhì)性的理解。

2雙縫干涉實驗

2.1實驗條件的獲得

“雙縫干涉”是光的波動說的最重要實驗之一，具有里程碑的意義。要使兩列光產(chǎn)生干涉，其充分條件是：①兩束光的頻率相同；②在相遇點的振動方向幾乎沿同一直線；③在觀察時間內(nèi)，在相遇點的兩振動的相位差保持不變。由于相干光源難以獲得，雙縫干涉現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)幾乎拖延了一個世紀(jì)的時間。姍姍來遲的楊氏雙縫實驗裝置的絕妙之處是“從線光源S發(fā)生的單色光同時傳到雙縫S1，S2，這兩光源不僅滿足相干光的條件，而且相位總是相等的。”

2.2疑難問題的討論

①雙縫干涉圖樣是一組直線狀條紋，那么雙孔干涉圖樣是——組圓環(huán)狀條紋嗎?

雙孔干涉原理與雙縫干涉原理相同，故在通常的觀察條件下，雙孔干涉圖樣也是一組直線狀條紋。之所以用雙縫代替雙孔，是為了得到同樣清晰但是明亮得多的干涉圖樣。狹縫代替圓孔后，狹縫可看成是許多小孔的集合，可以在狹縫中找出許多組“點光源”。光通過狹縫時，每組“點光源”形成的圖樣在平行條紋方向上部分重疊，結(jié)果使得條紋變長變亮。

②在做雙縫干涉實驗時，演示實驗中無單縫S，學(xué)生分組實驗中有單縫，該單縫是不是可有可無?

演示實驗中采用激光光源，激光器中受激輻射出的是頻率、發(fā)射方向、偏振方向以及光波的相位都完全相同的全同光子。當(dāng)激光束經(jīng)分束裝置分為兩束，則此兩束光就有很好的相干性，所以不需要單縫。而學(xué)生實驗中的燈泡在不同時刻發(fā)出的光頻率不同，同一時刻燈泡的不同部位發(fā)出的光頻率也不同，如果沒有單縫，則穿過雙縫的兩束光將不能構(gòu)成相干光源。

③在教科書的彩圖及課堂演示中，都可看到各明條紋距中央明條紋越遠(yuǎn)，則其寬度會變得越窄。這種現(xiàn)象與“條紋等寬”的結(jié)論不符合，為什么?

當(dāng)參與疊加的各光束本身的傳播行為可近似用幾何光學(xué)直線傳播的模型來描寫時，這個疊加問題是純干涉問題。在一般問題中，就每一光束本身而言都存在著衍射，當(dāng)干涉裝置中的衍射效應(yīng)不能忽略時，干涉條紋的分布就要受到單縫衍射因子的調(diào)制，各明條紋的寬度就不再完全相等。

2.3簡易雙縫干涉實驗方法

操作程序：①從易拉罐盒上用剪刀剪下個6cm×4cm的長方形鋁片，用刀片在長方形鋁片上劃出兩距離很小的窄縫；②從文具店購買價值3元的激光筆一支；③用激光束照射長方形鋁片的兩條狹縫，調(diào)節(jié)縫與屏的距離，即可觀察到單色的干涉條紋。

實驗優(yōu)點：①原理簡單，取材方便，可激發(fā)學(xué)生的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的動手實驗?zāi)芰Γ虎诓僮鞣奖悖槐氐桨凳疫M行，在教室中就可觀察到實驗現(xiàn)象，而且學(xué)生可課后自行操作體驗。

觀察雙縫干涉的實驗可以使學(xué)生獲得比較直觀認(rèn)識，但光的波動模型很抽象，學(xué)生仍難以想象光以什么形式的波如何向前傳播并疊加。因特網(wǎng)上已經(jīng)有若干個版本的雙縫干涉CAI課件，可以用Google搜索獲得。有的CAI動畫中光是以一份一份的光波連續(xù)不斷地向前傳播的，當(dāng)一份光波遇到雙縫時，兩個距離非常近的雙縫將該光波分成兩份光波，當(dāng)兩列光波在相遇的區(qū)域內(nèi)疊加時，產(chǎn)生干涉圖樣。運用CAI課件輔助教學(xué)，有利于將抽象的光的波動模型形象化，加深對知識的理解。

(欄目編輯王柏廬)

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文