“用雙縫干涉測光的波長”實驗探究

1問題的提出

2006年高考理綜第22題考查了學生實驗“用雙縫干涉測光的波長”，內容為：(1)利用圖中裝置研究雙縫干涉現象時，有下面幾種說法：

A．將屏移近雙縫，干涉條紋間距變窄

B．將濾光片由藍色的換成紅色的，干涉條紋間距變寬

C.將單縫向雙縫移動一小段距離后，干涉條紋間距變寬

D.換一個兩縫之間距離較大的雙縫，干涉條紋間距變窄

E.去掉濾光片后，干涉現象消失

其中正確的是：__________。

現行人教版高中物理課本只是對雙縫干涉作了簡單分析，然后結合插頁圖給出兩個定量結論：第一，在雙縫干涉現象里，明條紋或暗條紋之間的距離，總是相等的。第二，條紋的間距跟光波的波長成正比。根據這兩個結論，只能確定選項B是正確，似乎只有動手做過該學生實驗的同學才能把A、B、D三個正確選項全部選出來。其實情況并非如此，使用過以前的教材版本的老師，一般都會在新授課給出公式Δx=Ldλ，據此條紋間距的公式，即使沒有做過該學生實驗，也能輕松選出A、B、D三個正確選項。可見，實驗筆試考查學生的動手操作能力還是很困難的。而僅僅依靠記憶的各種公式來解決問題，往往缺乏對問題實質性的理解。

2雙縫干涉實驗

2.1實驗條件的獲得

“雙縫干涉”是光的波動說的最重要實驗之一，具有里程碑的意義。要使兩列光產生干涉，其充分條件是：①兩束光的頻率相同；②在相遇點的振動方向幾乎沿同一直線；③在觀察時間內，在相遇點的兩振動的相位差保持不變。由于相干光源難以獲得，雙縫干涉現象的發現幾乎拖延了一個世紀的時間。姍姍來遲的楊氏雙縫實驗裝置的絕妙之處是“從線光源S發生的單色光同時傳到雙縫S1，S2，這兩光源不僅滿足相干光的條件，而且相位總是相等的。”

2.2疑難問題的討論

①雙縫干涉圖樣是一組直線狀條紋，那么雙孔干涉圖樣是——組圓環狀條紋嗎?

雙孔干涉原理與雙縫干涉原理相同，故在通常的觀察條件下，雙孔干涉圖樣也是一組直線狀條紋。之所以用雙縫代替雙孔，是為了得到同樣清晰但是明亮得多的干涉圖樣。狹縫代替圓孔后，狹縫可看成是許多小孔的集合，可以在狹縫中找出許多組“點光源”。光通過狹縫時，每組“點光源”形成的圖樣在平行條紋方向上部分重疊，結果使得條紋變長變亮。

②在做雙縫干涉實驗時，演示實驗中無單縫S，學生分組實驗中有單縫，該單縫是不是可有可無?

演示實驗中采用激光光源，激光器中受激輻射出的是頻率、發射方向、偏振方向以及光波的相位都完全相同的全同光子。當激光束經分束裝置分為兩束，則此兩束光就有很好的相干性，所以不需要單縫。而學生實驗中的燈泡在不同時刻發出的光頻率不同，同一時刻燈泡的不同部位發出的光頻率也不同，如果沒有單縫，則穿過雙縫的兩束光將不能構成相干光源。

③在教科書的彩圖及課堂演示中，都可看到各明條紋距中央明條紋越遠，則其寬度會變得越窄。這種現象與“條紋等寬”的結論不符合，為什么?

當參與疊加的各光束本身的傳播行為可近似用幾何光學直線傳播的模型來描寫時，這個疊加問題是純干涉問題。在一般問題中，就每一光束本身而言都存在著衍射，當干涉裝置中的衍射效應不能忽略時，干涉條紋的分布就要受到單縫衍射因子的調制，各明條紋的寬度就不再完全相等。

2.3簡易雙縫干涉實驗方法

操作程序：①從易拉罐盒上用剪刀剪下個6cm×4cm的長方形鋁片，用刀片在長方形鋁片上劃出兩距離很小的窄縫；②從文具店購買價值3元的激光筆一支；③用激光束照射長方形鋁片的兩條狹縫，調節縫與屏的距離，即可觀察到單色的干涉條紋。

實驗優點：①原理簡單，取材方便，可激發學生的興趣，培養學生的動手實驗能力；②操作方便，不必到暗室進行，在教室中就可觀察到實驗現象，而且學生可課后自行操作體驗。

觀察雙縫干涉的實驗可以使學生獲得比較直觀認識，但光的波動模型很抽象，學生仍難以想象光以什么形式的波如何向前傳播并疊加。因特網上已經有若干個版本的雙縫干涉CAI課件，可以用Google搜索獲得。有的CAI動畫中光是以一份一份的光波連續不斷地向前傳播的，當一份光波遇到雙縫時，兩個距離非常近的雙縫將該光波分成兩份光波，當兩列光波在相遇的區域內疊加時，產生干涉圖樣。運用CAI課件輔助教學，有利于將抽象的光的波動模型形象化，加深對知識的理解。

(欄目編輯王柏廬)

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