“泊松亮斑”的演示方法及其創新應用*

(重慶市江津中學校,重慶 402260)

“泊松亮斑”表明了光的波動特性,但礙于實驗條件和方法的限制,很多教師并未在課堂上為學生演示該實驗。筆者對“泊松亮斑”的實驗演示進行了研究,在此與同行分享。

1 實驗原理簡介

當點光源發出的單色光照射在小圓板或圓珠時,會在之后的光屏上出現環狀的互為同心圓的衍射條紋。由于光波繞過圓板或圓珠的邊緣在陰影區域的中心疊加時,子波的相位相同,故在同心圓的圓心處會出現一個小亮斑,這個亮斑被稱為“泊松亮斑”。

為了達到清晰的演示效果,筆者采用圖1所示方案：激光器發出的平行光束經過調焦透鏡后,擴散光束再通過一個圓鋼珠,就能在光屏上得到帶有“泊松亮斑”的衍射圖樣(如圖2)。通過透鏡將平行激光束變為發散光束,與點光源的光線相似,可在光屏上展現出對比度高的“泊松亮斑”。

圖1

圖2

2 實驗裝置的具體制作

泊松亮斑的實驗裝置如圖3所示，其部件包括：小型固體激光器(波長650nm,功率為250mW)、調焦透鏡、蓋玻片、圓鋼珠(直徑0.5mm,取自圓珠筆筆頭)。

圖31底座 2可轉光具座 3微調旋鈕 4固體激光器5調焦鏡頭 6微調平臺 7光具架 8滑塊9可旋轉光具座橫截面 10衍射片

制作時,可直接在固體激光器前端加裝調焦鏡頭,省去了圖1中可調節透鏡組,可使激光光源便攜小巧,且能根據需要通過調焦鏡頭將光束調節為發散光束。激光器下方的微調平臺固定在光具座上,調節微調平臺上的兩個旋鈕,可使光束在垂直于長木板的豎直平面內進行二維移動。制作一個理想的衍射圓屏是本裝置的一個亮點，找一支用完墨水的圓珠筆芯,將筆頭里直徑為0.5毫米圓鋼珠取出,用夾具將其夾在兩塊清潔的蓋玻片之間。由于蓋玻片透明度高且厚度很小,故其對光路的影響可忽略,蓋玻片中固定的鋼珠充當了理想的障礙物(圓屏)。相較于其他實現泊松亮斑的方法,本方案利用生活中常見的圓珠筆頭中鋼珠作為障礙物,排除了除圓珠外其他衍射物的干擾,所獲得的衍射圖樣只有較純粹的“泊松亮斑”,便于直觀清晰地識別。

裝置使用時,教室的墻壁可作為光屏,根據演示需要,可通過調節調焦鏡頭，改變墻壁(光屏)上光斑的大小和亮度；改變圓珠和光束匯聚點O的距離,亦可調節光斑的大小。考慮到實驗裝置要便于教師授課時使用,也可以去掉很多精密調節裝置,使整個裝置便攜小巧(如圖4)，可用塑料夾子代替夾具將鋼珠固定在兩片透明潔凈的蓋玻片間。

圖4

圖5

除了用于演示“泊松亮斑”,本實驗裝置還可實現功能擴展,將鋼珠替換成細鋼絲等物品,得到不同類型的衍射圖樣。圖5所示衍射圖樣的障礙物依次為：左上為直徑0.60mm的大頭針、右上為兩根垂直交叉的細銅絲(橫截面直徑0.12mm)、左下和右下分別為大頭針的針尖和針帽。

3 實驗創新：動態泊松亮斑的實現

如果衍射物處于運動狀態,可以得到動態的衍射圖樣,進而實現實驗功能的充分挖掘。

筆者設計了如下實驗,可以利用光的衍射檢驗透明水體中是否存在肉眼不可見的固體小顆粒,也可以利用光的衍射觀察水中固體顆粒的無規則熱運動。如圖6所示，實驗設計的原理為：當激光束照射到一滴透明水滴時,其內部處于運動狀態的微小固體顆粒可充當衍射物,在光屏上呈現運動著的“泊松亮斑”圖樣。

圖6

實驗裝置包括小型固體激光器、調焦鏡頭、注射器、三腳架、光屏和長木板(如圖7)。具體制作方法如下：將固體激光器、三腳架、光屏置于同一直線上。固體激光器射出端加裝調焦鏡頭,使激光束的光斑大小可調。激光器下方的微調平臺固定在光具座上,調節微調平臺上的兩個旋鈕,可使光束在垂直于長木板的豎直平面內進行二維移動。在長木板側面設置一固定支架,固定支架可以固定在長木板側面的不同位置,固定支架可將注射器固定在木板上方,但固定支架本身不在光路上。長木板上標有刻度,可以記錄固定支架和光屏的位置,便于在下次實驗中快速得到理想的實驗現象。

圖7

使用時,先將待檢的透明水樣(可以用雨水、池塘水、魚缸水等)

吸入注射器,再將注射器固定在支架上,推動注射器活塞并使注射器末端懸停一滴水滴。打開激光器開關,調節微調平臺使激光光束對準懸停水滴,再通過調節激光器前端的調焦鏡頭使激光束照射到水滴上。由于透明水體中的不透明固體顆粒處于運動狀態,且其尺寸可滿足明顯衍射現象的產生條件,故能在光屏上觀察到一些移動的衍射圖樣(如圖8)。仔細觀察運動狀態的衍射圖樣,有很

圖8

圖9

多圓斑的中心是亮的,即運動的“泊松亮斑”(如圖9)。由于實驗現象可視性、啟發性強,可使學生對衍射現象有更為豐富的理解。

使用生活中簡單易得的材料(如圓珠筆筆頭、注射器等),經過科學合理的設計,可讓很多經典物理實驗服務于物理教學,提升學生的科學探究素養。