雙縫干涉演示實驗中的雙重現象

楊光喜

（四川省寧南中學，四川 涼山 615400）

在“光的干涉”一節的教學中，一般都要介紹歷史上的楊氏實驗，并通過類似的實驗再現來說明光且有干涉現象，從而證明光是一種波.然后再通過理論分析屏幕上某個位置出現明、暗條紋的條件.教科版第78頁給我們提供了一幅圖片（如圖1所示），通過圖片來說明單色光通過雙縫后在屏上產生了疊加，形成了明、暗相間的條紋，即發生了干涉現象.

然而，要將圖片中的情景展現出來讓學生看也不是一件容易的事.如果用實驗室配備的實驗儀器，即教科版教材第2節上的實驗裝置（如圖2所示）來做實驗的話，雖然效果好，但有很多不便的地方.首先，學生不能同時看到屏幕上的條紋，而只能一個一個地通過目鏡觀察，這樣花費的時間太多，如果班上學生較多的話，差不多要花1節課的時間才能讓每個學生都看一次.其次，因要通過目鏡來觀看，所以會出現少數學生因自身眼睛的原因看不到圖案而帶來遺憾.再一個就是，有的學生在觀看時總是要雙手抱著目鏡，這樣很容易造成光源中心與單縫、雙縫和屏之間發生移位，使得后來的學生無法看到清晰的條紋.

圖1

圖2

隨著小型激光筆越來越普遍，很多教師在教學過程中對上面的實驗進行了有效的改進，使得操作變得既簡單，現象又明顯.具體做法是：用激光筆直接照射雙縫，并將干涉的光直接打到白色墻壁上.通過改進后的實驗避免了上面實驗中的各種弊端，從而提高了教學效率.

筆者在教學過程中也是按上面改進后的方法操作的.在做演示實驗時，筆者將雙縫調整為豎直方向，然后讓紅色激光束垂直于雙縫照射，結果在屏（白色的墻壁）上卻出現了一種奇怪的現象——如圖3所示的“雙重”現象（筆者用相機將其拍下，但因紅色激光太強，使得照下來的圖案正中部分看起來成了白色，正中的邊緣才看到紅色）.

筆者用相同的方法讓紅色激光束垂直照射單縫時，出現的情況如上面圖4所示（為了便于對比和說明，筆者將兩張照片并排放在一起）.對圖3（或圖4）中的現象，我們首先要向學生解釋的是：每一個光斑實際是對應著一條豎直的條紋，只是因為照射雙縫（或單縫）的光不是線光源，是一個小圓點，因而不能將整個縫充滿，所以才出現這樣的情況；其次要向學生說明縫是沿豎直方向的，不然學生會誤認為縫是沿水平方向的，因為看到的圖案整體是水平狀的.為了說明這一點，筆者將圖3的現象畫成了圖5（a）所示的短條紋.為了證明這一點，我們用一個凹透鏡（或用所戴的近視眼鏡也可以）先將直徑很小的激光束擴展為一個直徑稍大的激光束，使其光束的直徑差不多與雙縫的長度相當，再讓其垂直照射雙縫，這時我們就會看到條紋明顯的變長了，如圖5（b）所示（只有條紋的亮度和清晰與擴展前的要差一點）.

圖3

圖4

圖5

通過對比圖3、圖4和圖5可以發現，在干涉現象中，從整個干涉圖案的明亮程度和布局來看，明顯的與單縫衍射時的圖案（即中央為最大最寬的亮條紋，兩邊是亮度和寬度都迅速減小的明、暗相間的條紋）相似.而單從條紋間的距離來看的話，又基本上是平行等距的，說明是干涉所產生的結果.那么，為什么會出現圖3所示的現象呢？

原來，我們所用的雙縫一般都是從實驗室中配套的干涉儀中取出來的，雙縫間的距離都比較小（一般都在0.25mm以下，有的甚至只有零點零幾毫米），這樣小的距離有時候我們用肉眼都很難分辨出它們，看起來覺得就是一條縫.如果我們把挨得這么近的兩條縫當成一條縫來看，那么，圖3中的明、暗相間的條紋組就很容易解釋了.圖中從左到右都是間距相等的明暗條紋，這顯然是雙縫干涉所產生的；當將雙縫當成單縫，衍射所產生的亮條紋與干涉產生的亮紋疊加在一起，就出現了一組亮條紋，而產生的暗紋所處的位置就只有干涉的條紋，所以這個位置就相對要暗一些.這樣疊加之后就出現了圖3中所看到的“雙重”現象.

那么，為什么用雙縫干涉儀來做這個干涉實驗時又不會出現上面的現象呢？這是因為儀器中的光屏太小，屏上只能顯示出圖3中的正中最亮的那一組干涉條紋，所以我們無法看到兩邊對稱的那些亮條紋組.

在教學過程中，雖然我們對實驗的演示方法進行了改進，但對改進后出現的新現象我們一定要弄清原由，必要時才能給學生作出合理的解釋.