光的衍射綜合演示儀的設計及制作*

宋 煒 凌 焜 楊正波

(湖北文理學院物理與電子工程學院 湖北 襄陽 441053)

光的衍射綜合演示儀的設計及制作*

宋 煒 凌 焜 楊正波

(湖北文理學院物理與電子工程學院 湖北 襄陽 441053)

介紹了一種光的衍射綜合演示儀的設計與制作方法，可在課堂教學中演示泊松亮斑、圓孔衍射、單線衍射、單縫衍射和光柵衍射等多種光的衍射現象．儀器設計巧妙，操作簡單，效果明顯，對幫助學生理解光的衍射規律非常有益．

光的衍射 演示儀 設計與制作

衍射現象是光的基本特性之一，由于受到衍射條件的限制，生活中很難觀察到光的衍射現象．參考文獻[1～3]分別設計制作或改進了光的衍射演示儀，但演示現象單一．本文介紹一種利用廢舊光盤和激光筆，巧妙地將圓孔衍射、單線衍射、單縫衍射、光柵衍射和泊松亮斑等多種光的衍射現象綜合設計在一起．儀器設計巧妙，操作簡單，效果明顯．

1 實驗儀器

如圖1所示，是光的衍射綜合演示儀的正視圖和側視圖，主要由激光筆、各種衍射障礙物、光屏3部分組成．障礙物是利用廢舊光盤鉆15個孔，內嵌小孔、線、縫、光柵等制作而成，通過旋轉光盤選擇不同的障礙物演示不同的衍射現象．其中圓孔衍射、單線衍射、單縫衍射各設計了4種不同規格的障礙物，演示衍射現象與障礙物大小的關系，從而說明衍射條件；光柵衍射設計了平行光柵和正交光柵各1個；利用水珠的放大特性巧妙地設計了演示泊松亮斑的實驗．

圖1 光的衍射綜合演示儀

2 儀器的設計與制作

(1)設計固定障礙物的圓盤.選取兩張半徑為60 mm的廢舊光盤，疊合在一起用透明膠將邊沿固定，以光盤中心為圓心，在半徑為45 mm的圓周上等間距地鉆出14個半徑為5 mm的孔和1個半徑為1 mm的小孔，然后將兩張光盤分開，選其中一張將半徑為1 mm的小孔鉆成半徑為5 mm的孔，如圖2所示．

圖2 固定障礙物圓盤的設計圖

(2)障礙物的選取和固定.選取鉆有直徑分別為0.10 mm，0.20 mm，0.30 mm，0.40 mm銅片作為圓孔衍射的障礙物；直徑分別為0.10 mm，0.20 mm，0.50 mm，1.00 mm的細銅絲為單線衍射的障礙物；將傳統刮胡刀片取段，用刀口相向構成間距分別為0.10 mm，0.20 mm，0.30 mm，0.50 mm平行單縫作為單縫衍射的障礙物，并將這些障礙物用膠水依次固定在光盤上的圓孔中心，注意使線和縫的方向過光盤的中心．再分別將平行光柵和正交光柵固定在光盤上的圓孔中心，作為光柵衍射的障礙物．然后用熱熔膠將兩張光盤孔對孔粘在一起，使半徑為1 mm的小孔正好對著另一張沒有障礙物的孔．最后在對應障礙物的小孔內側標注衍射類型和障礙物的線度，以方便演示．

(3)圓盤轉軸的制作.將阻尼轉軸插入光盤的中心孔，利用膨脹套使其與阻尼轉軸形成過盈配合(過盈配合：阻尼轉軸的直徑大于膨脹套的直徑，通過熱脹冷縮的方式將膨脹套加熱，趁孔徑擴大，迅速套到軸上，形成一種軸大孔小的緊密配合關系，此時軸的公差帶在孔的公差帶之上)．阻尼轉軸的作用是使圓盤轉動過程中對其有一個阻礙作用，防止圓盤多轉和回轉，以保證演示時定位更加精準．

(4)底板和支架的制作.找兩根長約130 mm兩端有螺紋的金屬棒作為圓盤和激光筆的支架．截取250 mm×140 mm×20 mm的PVC板作為底板，并沿中線鉆兩個相隔200 mm圓孔，將兩支架通過螺母固定在兩孔中．用螺母將圓盤轉軸安裝在其中一個支架上，另一個支架固定激光筆．注意調整激光筆支架的高度，使激光正射到圓盤上端半徑為1 mm的小孔中心．

3 實驗過程

(1)泊松亮斑的演示.在半徑為1mm的小孔內用注射器滴一滴水珠，打開激光筆的開關，調節支架使激光正對小孔的中心．水珠相當于凸透鏡，具有放大功能，水珠中的雜質相當于球形障礙物，激光照射到雜質經過放大之后在光屏上形成許多中心是亮斑的同心圓環光斑，這就是泊松亮斑；

(2)圓孔衍射的演示.轉動光盤讓激光依次照射到直徑分別為0.10 mm，0.20 mm，0.30 mm，0.40 mm的圓孔，在光屏上形成同心圓環光斑，這就是圓孔衍射現象，注意觀察衍射現象的明顯程度與圓孔大小之間的關系；

(3)單線衍射的演示.轉動光盤讓激光依次照射到直徑分別為0.10 mm，0.20 mm，0.50 mm，1.00 mm的細銅絲，在光屏上形成明暗相間的一條直線，這就是單線衍射現象，注意觀察衍射現象的明顯程度與銅絲粗細之間的關系；

(4)單縫衍射的演示.轉動光盤讓激光依次照射到縫寬分別為0.10 mm，0.20 mm，0.30 mm，0.50 mm的單縫，在光屏上形成明暗相間的一條直線，這就是單縫衍射現象，注意觀察衍射現象的明顯程度與縫寬之間的關系．

通過觀察(2)、(3)、(4)中衍射現象的明顯程度與障礙物線度間的關系，可以總結出衍射條件；

(5)光柵衍射的演示.轉動光盤讓激光依次照射到平行光柵和正交光柵上，演示光柵衍射現象，展示光學的魅力；

(6)實驗結束，關閉激光筆開光，整理好儀器．

4 小結

演示儀綜合演示了泊松亮斑、圓孔衍射、單線衍射、單縫衍射、光柵衍射等各種光的衍射現象．通過觀察衍射現象的明顯程度與障礙物的線度的關系，很容易總結出衍射的條件；同時通過演示光柵衍射和泊松亮斑，衍射圖案絢麗，再現了古老的難以實現的泊松亮斑實驗，極大地激發學生的學習興趣．

1 林珠，王格，彭保進，等.一種光的衍射教學演示儀.物理教師，2014(8)：64

2 陳浮視.“光的衍射”實驗改進.物理通報，2013(7)：129

3 李汀萍.光的全反射、衍射、干涉演示儀的制作.教學儀器與實驗，2005(9)：38～39

2017-03-31)

*湖北省教育科學規劃課題“信息化條件下《大學物理》教學評方式變革研究”，編號：2015GB109；湖北文理學院教學研究項目“MOOC時代地方高校大學物理‘翻轉課堂’教學模式的研究與實踐”；編號：JY2016046