幾種雙縫干涉實驗方案的比較和改進

黃嘉銅

（浙江省余姚市第四中學，浙江 余姚 315400）

光學應用越來越廣泛，在物理學中也越來越重要.因此在高中物理課堂中，就應該做好光學實驗引發學生對光學的興趣.現在高中物理實驗中使用的器材，經過幾代人的努力，也越來越成熟.其中，光的雙縫干涉實驗是光學實驗中操作難度較大的一個實驗.下面是筆者對該實驗的幾種實驗方案的比較和改進方案，供同行參考.

實驗方案1：利用現有的實驗儀器套件（如圖1）.有白熾燈、凸透鏡、濾光片、單縫、雙縫、遮光筒、毛玻璃屏、測量頭組成.該實驗的光路（如圖2），白熾燈發出的光經凸透鏡變成平行光后，經過單縫的光的能量已經很小，再經過雙縫發生干涉，在光屏處即使使用目鏡觀察，也很難觀察到清晰的干涉圖樣.該實驗的最大缺點是到達雙縫的相干光光強太弱，實驗不易成功，更不太可能上課作為演示實驗，讓整個教室的學生觀察.

圖1

圖2

實驗方案2：改變凸透鏡的位置，使燈絲在凸透鏡后成倒立縮小的實像于單縫處.注意要使小燈泡的燈絲與單縫垂直，如果仍像方案1使燈絲與狹縫平行，則不能看到干涉圖樣，只能看到一個亮斑.因為小燈泡的燈絲是一匝一匝的螺旋狀組成的.讓整條燈絲與狹縫垂直，實際上是讓其中一匝燈絲與單縫平行，讓其成為一個更好的線光源.如果整根燈絲與單縫平行，則會發生多匝燈絲的干涉圖樣疊加，而出現一個亮斑.此方案最大的特點就是增強了發生干涉的光強，實驗調節也比方案1方便.

方案2雖然比方案1有所改進，但短時間內調節出干涉條紋仍比較困難，條紋亮度還是不夠，所以不少教師在平時的課堂中并不采用.

實驗方案3：用激光筆直接照射雙縫，將干涉圖樣投射在教室墻上讓學生觀察.這種方法簡單方便，但由于激光筆的光斑很小，產生的雙縫干涉條紋很短.看上去像明暗相間的點狀分布，如果教師不作解釋，學生會認為雙縫干涉條紋是點狀的.再者，不能定量研究測波長，比較粗糙.

實驗方案4：某教學儀器廠針對方案3作了改進，在激光束前安裝一個小圓柱玻璃棒（如圖3），來改變光路（原理類似凸透鏡）對激光束進行縱向拉伸，變成線光源，再經過雙縫，就真正實現了雙縫干涉.但仍有不足：

圖3

圖4

（1）玻璃棒焦距太小，經匯聚后再縱向拉伸后，真正到達雙縫的只是一小部分（如圖4），因此條紋仍然偏淡，課堂演示效果較差.

（2）玻璃棒材質不佳，激光經內部小顆粒散射又使光能量損失一些，且散射光線會干擾干涉條紋，周圍會出現很多散射光斑，使其不夠清楚，（經圓柱體拉伸后如圖5），很難定量分析.

針對以上不足，筆者做了一些改進，供大家參考.

圖5

圖6

（1）將玻璃棒改成焦距較大的月型凸透鏡，并將雙縫放在透鏡焦點處，這樣就可以讓幾乎所有的激光束能量通過雙縫，在雙縫干涉后再縱向拉長投射到較暗背景上（如圖6），這樣干涉條紋非常清晰，完全可以在教室內演示給學生觀察.

（2）凸透鏡玻璃質量較好，內部散射較少，一般不會干擾干涉條紋，使干涉條紋更加清晰.

（3）條紋經雙縫后縱向仍可看作直線傳播，會被匯聚或擴散，條紋會被拉伸.但橫向由于雙縫很小，經過縫后已發生衍射現象，因此透鏡的作用對條紋的寬度不會影響.可以用本實驗儀器在課堂上定量分析，測出激光光束的波長（筆者定量測得光的波長為700nm左右）效果很好.該實驗裝置很簡單：由激光光源（可用激光筆）、透鏡、雙縫、光屏（可用黑板代替）（裝置如圖7，干涉圖樣如圖8）.以上是筆者的改進建議，不足之處請同行批評指正.

圖7

圖8