光的衍射综合演示仪的设计及制作*

宋 炜 凌 焜 杨正波

(湖北文理学院物理与电子工程学院 湖北 襄阳 441053)

光的衍射综合演示仪的设计及制作*

宋 炜 凌 焜 杨正波

(湖北文理学院物理与电子工程学院 湖北 襄阳 441053)

介绍了一种光的衍射综合演示仪的设计与制作方法，可在课堂教学中演示泊松亮斑、圆孔衍射、单线衍射、单缝衍射和光栅衍射等多种光的衍射现象．仪器设计巧妙，操作简单，效果明显，对帮助学生理解光的衍射规律非常有益．

光的衍射 演示仪 设计与制作

衍射现象是光的基本特性之一，由于受到衍射条件的限制，生活中很难观察到光的衍射现象．参考文献[1～3]分别设计制作或改进了光的衍射演示仪，但演示现象单一．本文介绍一种利用废旧光盘和激光笔，巧妙地将圆孔衍射、单线衍射、单缝衍射、光栅衍射和泊松亮斑等多种光的衍射现象综合设计在一起．仪器设计巧妙，操作简单，效果明显．

1 实验仪器

如图1所示，是光的衍射综合演示仪的正视图和侧视图，主要由激光笔、各种衍射障碍物、光屏3部分组成．障碍物是利用废旧光盘钻15个孔，内嵌小孔、线、缝、光栅等制作而成，通过旋转光盘选择不同的障碍物演示不同的衍射现象．其中圆孔衍射、单线衍射、单缝衍射各设计了4种不同规格的障碍物，演示衍射现象与障碍物大小的关系，从而说明衍射条件；光栅衍射设计了平行光栅和正交光栅各1个；利用水珠的放大特性巧妙地设计了演示泊松亮斑的实验．

图1 光的衍射综合演示仪

2 仪器的设计与制作

(1)设计固定障碍物的圆盘.选取两张半径为60 mm的废旧光盘，叠合在一起用透明胶将边沿固定，以光盘中心为圆心，在半径为45 mm的圆周上等间距地钻出14个半径为5 mm的孔和1个半径为1 mm的小孔，然后将两张光盘分开，选其中一张将半径为1 mm的小孔钻成半径为5 mm的孔，如图2所示．

图2 固定障碍物圆盘的设计图

(2)障碍物的选取和固定.选取钻有直径分别为0.10 mm，0.20 mm，0.30 mm，0.40 mm铜片作为圆孔衍射的障碍物；直径分别为0.10 mm，0.20 mm，0.50 mm，1.00 mm的细铜丝为单线衍射的障碍物；将传统刮胡刀片取段，用刀口相向构成间距分别为0.10 mm，0.20 mm，0.30 mm，0.50 mm平行单缝作为单缝衍射的障碍物，并将这些障碍物用胶水依次固定在光盘上的圆孔中心，注意使线和缝的方向过光盘的中心．再分别将平行光栅和正交光栅固定在光盘上的圆孔中心，作为光栅衍射的障碍物．然后用热熔胶将两张光盘孔对孔粘在一起，使半径为1 mm的小孔正好对着另一张没有障碍物的孔．最后在对应障碍物的小孔内侧标注衍射类型和障碍物的线度，以方便演示．

(3)圆盘转轴的制作.将阻尼转轴插入光盘的中心孔，利用膨胀套使其与阻尼转轴形成过盈配合(过盈配合：阻尼转轴的直径大于膨胀套的直径，通过热胀冷缩的方式将膨胀套加热，趁孔径扩大，迅速套到轴上，形成一种轴大孔小的紧密配合关系，此时轴的公差带在孔的公差带之上)．阻尼转轴的作用是使圆盘转动过程中对其有一个阻碍作用，防止圆盘多转和回转，以保证演示时定位更加精准．

(4)底板和支架的制作.找两根长约130 mm两端有螺纹的金属棒作为圆盘和激光笔的支架．截取250 mm×140 mm×20 mm的PVC板作为底板，并沿中线钻两个相隔200 mm圆孔，将两支架通过螺母固定在两孔中．用螺母将圆盘转轴安装在其中一个支架上，另一个支架固定激光笔．注意调整激光笔支架的高度，使激光正射到圆盘上端半径为1 mm的小孔中心．

3 实验过程

(1)泊松亮斑的演示.在半径为1mm的小孔内用注射器滴一滴水珠，打开激光笔的开关，调节支架使激光正对小孔的中心．水珠相当于凸透镜，具有放大功能，水珠中的杂质相当于球形障碍物，激光照射到杂质经过放大之后在光屏上形成许多中心是亮斑的同心圆环光斑，这就是泊松亮斑；

(2)圆孔衍射的演示.转动光盘让激光依次照射到直径分别为0.10 mm，0.20 mm，0.30 mm，0.40 mm的圆孔，在光屏上形成同心圆环光斑，这就是圆孔衍射现象，注意观察衍射现象的明显程度与圆孔大小之间的关系；

(3)单线衍射的演示.转动光盘让激光依次照射到直径分别为0.10 mm，0.20 mm，0.50 mm，1.00 mm的细铜丝，在光屏上形成明暗相间的一条直线，这就是单线衍射现象，注意观察衍射现象的明显程度与铜丝粗细之间的关系；

(4)单缝衍射的演示.转动光盘让激光依次照射到缝宽分别为0.10 mm，0.20 mm，0.30 mm，0.50 mm的单缝，在光屏上形成明暗相间的一条直线，这就是单缝衍射现象，注意观察衍射现象的明显程度与缝宽之间的关系．

通过观察(2)、(3)、(4)中衍射现象的明显程度与障碍物线度间的关系，可以总结出衍射条件；

(5)光栅衍射的演示.转动光盘让激光依次照射到平行光栅和正交光栅上，演示光栅衍射现象，展示光学的魅力；

(6)实验结束，关闭激光笔开光，整理好仪器．

4 小结

演示仪综合演示了泊松亮斑、圆孔衍射、单线衍射、单缝衍射、光栅衍射等各种光的衍射现象．通过观察衍射现象的明显程度与障碍物的线度的关系，很容易总结出衍射的条件；同时通过演示光栅衍射和泊松亮斑，衍射图案绚丽，再现了古老的难以实现的泊松亮斑实验，极大地激发学生的学习兴趣．

1 林珠，王格，彭保进，等.一种光的衍射教学演示仪.物理教师，2014(8)：64

2 陈浮视.“光的衍射”实验改进.物理通报，2013(7)：129

3 李汀萍.光的全反射、衍射、干涉演示仪的制作.教学仪器与实验，2005(9)：38～39

2017-03-31)

*湖北省教育科学规划课题“信息化条件下《大学物理》教学评方式变革研究”，编号：2015GB109；湖北文理学院教学研究项目“MOOC时代地方高校大学物理‘翻转课堂’教学模式的研究与实践”；编号：JY2016046