激光筆在光學實驗中的妙用
2011-12-31 00:00:00邢云開
中學教學參考·理科版 2011年10期
激光是上世紀60年代發明的一種光源。目前有三類常見的激光器：氣體激光器，如氦氖激光器、氬激光器；固體激光器，如紅寶石激光器；半導體激光器，如光驅的激光頭、激光打印機的打印頭等。激光筆屬于半導體激光器，它具有能量輸出穩定，體積小，結構簡單，成本低等優點，但在色純度和方向性方面則要比紅寶石激光器和氦氖激光器要差一些，盡管如此，用它來做光學實驗還是一種不錯的光源。目前最常見的是發射紅光的激光筆，波長在630～680nm之間，功率一般小于1mW，價格很便宜，很容易買到，一般作為兒童的玩具或激光教鞭；常見的還有發射綠光的激光筆，波長532±10nm，功率5～200mW不等，價格要貴一些，目前也很容易買到。小功率的激光筆應避免用眼睛直接對視，功率大于30mW的激光筆不要直射人體以免對人體造成傷害。
一、巧用燒瓶留光跡做幾何光學實驗
圖1
教材中是用半圓形玻璃磚來觀察光的全反射現象的，讓白光沿著半圓形玻璃磚的半徑方向射入，逐漸增大入射角，來觀察實驗的現象。該實驗的弊端在于：當光線通過玻璃和空氣時很難形成光跡，必須用強光加以照射，產生強光的光源體積大，調整不方便；由于使用器材的局限，實驗只能在課堂上演示，學生課后很難進行自主實驗探究。因此，筆者用激光筆與圓底燒瓶配合進行實驗，取得了很好的實驗效果。
實驗所需的物品有：圓底燒瓶一只，激光筆一支，蚊香一段，水和牛奶少許。本實驗的難點在于如何讓光線在水和空氣中清晰地顯示出來。從垂直入射光的方向觀察呈現一條光跡的現象叫“丁達爾現象”，是光線透過膠體時，膠體中分散質微粒發生散射引起的。分散質微粒大小一般不超過100nm，小于可見光波長(400～770nm)，因此，當可見光透過膠體時會產生明顯的散射。膠體按分散質的不同，可分為氣溶膠、液溶膠和固溶膠。如煙、云、霧是氣溶膠，淀粉溶液、肥皂水、牛奶是液溶膠，煙水晶、有色玻璃、果凍是固溶膠。所以獲得清晰的光跡關鍵是配制合理的膠體。在干凈的燒瓶內注入半燒瓶水，滴入幾滴牛奶，使牛奶與水均勻混合，牛奶不能加入太多，使液體略顯乳白色即可，用激光筆照射能看到一條明顯的光跡，而光跡的強度幾乎沒有減弱，這是最佳的顯示效果。牛奶濃度太高，散射現象很明顯，整個瓶子都會亮起來，形成的光跡反而會模糊不清，而且光跡的強度會減弱得很快，顯示光跡的效果就不好。接著用細線懸掛一段蚊香，點燃后插入燒瓶的上半部，過一會兒將其取出，燒瓶的瓶口用塑料袋封閉，產生的煙霧也不能太多，煙霧太多，清晰的光跡也很難形成。演示時可用鐵架臺將燒瓶固定起來進行實驗，這樣能得到穩定的光跡，如圖1所示。同功率的激光筆，綠光激光筆比紅光激光筆更容易形成光跡，這是因為綠光處在人眼可見光響應的峰值，用綠光激光筆作光跡指示最合適。本實驗可演示光在同一種均勻介質中是直線傳播的、光的反射、光的折射等一系列幾何光學的演示實驗。
改進后的實驗優點在于：實驗的器材簡易，操作方便，現象明顯。本實驗可作為課堂演示實驗，也可指導學生進行課后自主實驗探究，若沒有圓底燒瓶可用魚缸或其他玻璃容器代替。
二、巧在鏡子背面劃痕投射干涉圖樣
實驗室有單縫寬度為0.4mm與0.8mm兩種，雙縫間距為0.18mm與0.36mm兩種，用紅色或綠色激光筆做實驗，圖樣很清晰，很適合進行課堂演示實驗。但學生若要進行自主實驗，激光筆是可以買到的，而單縫與雙縫卻很難自制成功，學生課后自主探究實驗就無法進行，能否自制單縫與雙縫呢？筆者巧妙地在鏡子背面劃出單縫與雙縫，用它們來做實驗，得到的圖樣也很清晰。
圖2
實驗所需的物品有：小鏡子一塊，雙面刀片（剃須刀片）兩片，小刀，直尺等。鏡子背面一般有反射層與保護層組成，在鏡子背面用刀片在尺子的引導下劃一條直線，刀片劃破這兩層便會留下一條痕跡，這樣一條單縫就刻出來了。用激光筆從鏡子背面照射這條痕跡，使激光投影到距單縫約1m遠的白墻上，形成光的衍射圖樣，如圖2(a)所示。多次刻劃同一條直線便會留下較寬的縫隙，用激光筆照射得到不同的單縫衍射圖樣。進行雙縫干涉實驗要困難些，原因是在鏡子背面形成兩個間距在1mm以下的雙縫較難辦到。筆者用兩片雙面刀片在鏡子背面劃痕得到了理想的雙縫，具體做法是：用兩片雙面刀片疊在一起，刀口平齊，捏緊，在直尺的引導下，在鏡子背面劃一條直線，兩片刀片同時劃破保護層與反射層，從遠處看由于保護層的剝落看似只有一條縫，近看則在反射層留下了間距約為一塊刀片厚度的雙縫，用激光筆從背面照射雙縫，使激光投影到距雙縫約3m遠的白墻上，形成雙縫干涉圖樣，如圖2(b)所示。在兩片刀片之間夾一張紙，刻一塊間距大一些的雙縫，用激光筆照射得到不同的雙縫干涉圖樣。
自制雙縫的方法還有許多，如用蠟燭火焰熏黑無色透明玻璃片，然后用兩片雙面刀片在熏黑的一面劃線也可以得到雙縫；用細銅絲插在兩片雙面刀片刀刃中間形成的雙縫，將它們焊接固定好也可以得到雙縫。本實驗自制雙縫的優點在于：實驗所需的材料易找，制作容易成功，在鏡子背面刻出的線條不易被擦除，可以長時間保存。這使學生課后進行自主實驗探究成為可能。但由于玻璃與雙面刀片操作不當極易劃傷人的手，在指導學生制作時應格外小心。
三、巧用杯口形成液膜反射干涉圖樣
薄膜干涉實驗是光學中一個重要的演示實驗，若按教材介紹的方法進行實驗，弊端在于：干涉條紋可見度小，大多數學生看不到燭焰的像，更談不上觀察膜薄干涉現象；肥皂液膜由鐵絲圈產生，比較容易破裂，即使能觀察到實驗現象，觀察時間也不夠持久。筆者的改進在于：讓肥皂液膜在茶杯口形成，改用帶圖案的激光照射肥皂液薄膜，反射到白墻上進行觀察，這大大提高了實驗的可見度和持久性。
實驗所需的物品有：茶杯、配制的肥皂液、帶圖案的激光筆。激光筆產生圖案的原理是讓激光通過一個塑料片，塑料片是用全息照相技術拍攝的照片，轉印到模具上，成批壓制而成的，因為全息照相技術保留了圖像的相位信息，就算你把塑料片切成1/4大小，用激光照射依然能夠投射出完整的圖像，只不過圖像的分辨率會差一些。一般的玩具激光筆所配的套頭在5個以上。本實驗投射的圖案是一個“發光的燈泡”，中間標有“idea”四個英文字母。筆者認為，
圖3導致肥皂液膜很快破裂的原因之一是液膜中水分蒸發太快，水蒸發時，液膜表面一破，整個液膜就消失了，往肥皂液中加入甘油能減緩水的蒸發，經多次試驗，在配制肥皂液時，采用洗潔精、水、甘油按1∶3∶1的比例混合形成的肥皂液，能使液膜保持比較長久的時間。辨別肥皂液好壞的標志是吹一個肥皂泡，用蘸了肥皂液的手指輕輕接觸肥皂泡，肥皂泡不會破裂說明配制的肥皂液較理想。用茶杯倒扣在肥皂液里，然后拿出，一個圓形的肥皂液膜便在杯口形成，讓液膜豎直放置，正對液膜觀察日光燈的像，能看到彩色的明暗相間的條紋，則說明楔型的肥皂液膜已經形成，可以進行下一步實驗。在光線較暗的房間里，用帶圖案的激光筆發出的光射向肥皂液膜，經液膜反射的光投影到白墻上，調整激光筆、液膜與墻的位置，在白墻上便會形成如圖3所示明暗相間的圖樣。
實驗表明，在茶杯口形成的肥皂液膜對肥皂液的配制比例并不十分苛刻，很容易在茶口形成液膜；杯口形成的液膜有一面被杯子封閉起來，這比用鐵絲圈形成的液膜減緩了水分的揮發，阻隔了一半外界對液膜的干擾，使液膜能保持更久的時間，這樣有利于較長時間地觀察實驗現象；肥皂液膜與茶杯是一個整體，移動液膜只需移動杯子，十分方便，且移動時也不易使液膜破裂。本實驗所需器材都取自日常生活用品，且很容易做成功，可指導學生進行課后自主實驗探究。
本文以激光筆為光源改進了三個光學演示實驗，實驗現象都十分明顯，這不但為教師課堂演示光學實驗提供了有益的參考，還為學生課后自主探究光學實驗提供了成功的案例。用激光筆改進的物理實驗還有很多，如顯示物體微小形變實驗、牛頓環實驗、泊松亮斑實驗、測工件平整度實驗、激光通信演示實驗、激光防盜報警演示實驗等，這些實驗也值得我們進行研制、改進與創新。
參考文獻
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(責任編輯黃春香）
