高中物理教学中,在讲到光的衍射时,为使泊松亮斑实验演示更简易直观、材料易得,笔者发现用直径为6mm的小钢珠和壹圆的硬币作为圆屏,效果十分理想,本文以小钢珠为主进行研究。
一、演示实验在室外进行
选择适当大小的小钢珠,将它与屏幕放在激光束的适当位置,可以使衍射图样获得足够高的亮度和足够大的尺寸。演示可以在教室走廊里进行,为使衍射图样清晰度高,在阳光照射不到时或晚上进行最好。
1.取直径为6mm的小钢珠为研究对象,激光器距小钢珠约4m,屏幕则是距小钢珠20m远的白色光滑墙壁。
取一个显微镜配备的盖玻片(1.8cm×1.8cm,厚度为0.18mm),用302胶水将钢珠粘在盖玻片中心位置,再将盖玻片粘在一条形金属片上,如图1所示。待凝固后,将金属片用夹持物夹住,固定在光路中,并使光束沿着盖玻片平面的法线直接照射到小钢珠上。
在屏幕上,我们可看到如图2所示的衍射图样(实际上是笔者将纸铺在屏幕上衍射图样处,抓住主要细节临摹的示意图,黑线条代表亮条纹,颜色深浅表示亮条纹的强弱),该图样直径大于10cm,效果非常理想。
实验还发现,激光束与盖玻片平面法线所成的角不是太大时,或者用厚度大的载波片(7.5cm×5cm,厚度1mm)代替盖玻片时,或者将盖玻片翻过来,让激光先通过盖玻片然后再照到钢珠上时,衍射图样觉察不出有明显变化。
这种小钢珠,不仅大小适中,而且在自行车维修铺,废弃的这种钢珠俯后皆是。
由于盖玻片有效面积稍小,下面的研究,在无特殊说明时,都是用载波片来装载小钢珠的。
2.换直径大于6mm的钢珠来实验,可发现,随着直径的增加,几何阴影区的亮圆环趋于更细、更暗,直至消失,而阴影区的中心始终有亮斑,甚至用强磁铁吸住一小铁钉,将壹元的硬币吸附于钉子下端来实验(载波片有效面积有限,而要使光衍射,须使光射到障碍物边缘,由于光束传播中逐渐变粗,故采用此法,且硬币须向屏幕靠近),也能在阴影中心看到一个较暗的光斑,尽管此时其余的阴影区已完全变暗了,阴影外侧的明暗圆环也已不够明显了。
这类尺寸的钢珠,装载不太方便。
需要说明的是,用壹圆的硬币演示,实验效果会让学生惊叹不已。
3.若取直径小于6mm的钢珠实验,几何阴影区明暗环更粗、更亮,效果亦佳。只是钢珠太小,不直观。
二、实验在室内进行
上述各项实验之所以要求长距离,是受光束太细这一因素制约造成的。要在室内进行,需要扩束。
最简单的办法是用凹透镜来扩束。如图3。
这里仍用直径为6mm的小钢珠,衍射图样可呈现在教室后面墙壁上。透镜位置要适当,不能使墙上的光斑过大,以避免光斑亮度过低。它和载波片(其上载有小钢珠,可用胶粘在光学实验中专用金属杆上)可置于光距座上。笔者用焦距为8cm的凹透镜置于激光器输出口处,让光沿主光轴通过,小钢珠距透镜0.9m,距教室后墙壁约10m。若不放透镜和钢珠,墙壁上的光斑直径约为3cm,用透镜不放钢珠时,约为8cm,放上透镜和钢珠后,衍射图样直径约12cm。
用小钢珠作为圆屏,实验效果是很理想的。直径为6mm的小钢珠,可为实验材料之首选。至于硬币的使用不再赘述。
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