“光的干涉、衍射”实验演示器的制作和应用

黄瑞香

摘   要：高中用于做“光的干涉、衍射”实验的仪器存在不足，实验效果欠佳，为方便教师在课堂上演示光的干涉、衍射实验，先利用一些简单的常规材料，设计制作，再经过改进、建模，最后利用3D打印机制成简单又方便的演示器。该实验演示器具有质量轻、便于携带、操作简单、实验现象稳定明显、可视性好、多功能等优点。利用该演示器可演示光的干涉、衍射实验和半定量验证光的双缝条纹间距公式。为了能更精确地测定光的波长，又设计一带有刻度的T形底座，与演示器相配合，进行多次实验，数据处理，求出红光和绿光的波长值。

关键词：实验; 演示器; 制作; 干涉;衍射

1  高中“光的干涉、衍射”实验的教学现状

“光的干涉、衍射”实验是高中物理的重要实验之一，现有标配的实验器材过于繁琐，安装复杂，可视性差，要求在光线较暗的环境下，实验现象才能够清晰，而且稳定性不够，操作不便，都影响教师在课堂上对该实验的演示。学生分组实验“双缝测定光的波长”，由于教师无法使实验可视化，所以该实验的课堂效果不理想，很多学生对此实验原理和方法都无法准确理解，从而造成了对该知识点掌握的欠缺。实验是物理的灵魂，实验的成功与否直接关系到教学质量的优劣[ 1 ]。

经过网上查阅，发现现有关于光的干涉、衍射实验器有以下特点：

（1）光源采用白炽灯或激光：采用白炽灯需要在黑暗的环境中做实验，且仪器要配备遮光管、目镜、游标卡尺等配件，实验现象无法可视化;采用激光则对环境无要求，只需要单缝（或双缝）和光屏装置，且实验现象可视化;

（2）采用激光作为光源的装置：激光笔与单缝（或双缝）都是独立固定，这样不利于调节和移动，且实验装置也比较庞大。

鉴此，分析现有仪器的不足之处，结合实验教学的需要，设计并制作出符合高中教学需要的“光的干涉、衍射”实验演示器，并用该演示器演示光的衍射实验、半定量验证光的双缝间距公式和测出红光和绿光的波长。

2   “光的干涉、衍射”实验演示器制作、

2.1  演示器的初步制作

演示器分为两部分：光屏和光的发射端。光屏采用白色kt板制作，可直立移动，上面标有刻度;光的发射端由泡沫底座、透明塑料水槽、帶有铁片的支架、磁铁、激光笔、双缝（或单缝）等组成。

光的发射端制作方法：将透明水槽用泡沫胶固定于水平kt板上;在水槽的底部打出两个圆形洞孔（或多个），用于置放单缝或双缝;用万能胶把铁片固定在一长方体泡沫块，再把长方体泡沫块用泡沫胶固定在水平kt板，并靠近水槽，作为支架;磁铁吸在铁片上;激光笔可通过磁铁固定在支架上，如图1（左图为实验演示器的实物图，右图为实验演示器的结构示意图）。

图1实验演示器的使用方法：

（1）将实验演示器放置于水平桌面上，按实验要求，将双缝或单缝置于水槽底部的圆形洞孔中;

（2）根据实验的需要，选择一把或多把激光笔，放在磁铁上，开启激光笔，调整激光笔、双缝或单缝的方向，使光斑照在双缝或单缝上，移动光屏，直至产生的干涉或衍射图样清晰地显示在光屏上;

（3）可移动光屏或光的发射端，以改变光屏到单缝或双缝间的距离，观察干涉图样或衍射图样的变化;

（4）改变单缝或双缝的方向，观察条纹方向的变化;

（5）光屏上的刻度，可半定量比较条纹的宽度和粗略测量条纹的宽度。

2.2  演示器的改进

由于上述自制的演示器，外观上不够美观，体积较为庞大、且调节固定激光笔的方式不够方便，现在上述演示器的基础上，通过不断的研究、设计、建模，最终利用3D打印机制成如图2的实验装置（已授权专利）：光屏的一面上标有刻度，另一面固定四个磁铁，则可以根据需要，把光屏贴附在黑板上;光源的发射端主要有激光笔、双缝（或单缝）、3D打印的支架;支架是根据双缝（或单缝）以及激光笔的形状大小制作而成，设有两个凹形笔槽和两个圆形洞;双缝（或单缝）置于支架前端的圆形洞，激光笔放置在支架的凹形笔槽中，整体成为座驾;采用的激光笔可以同时或单独发出红光和绿光两种光。

图2演示器的使用方法：

（1）按实验要求，将两个或一个双缝（或单缝）置于支架的前端圆形洞中。可根据需要，在支架的笔槽中，放置两支或一支激光笔;可以将演示器放置水平桌面（或升降台）上，或拿在手上。

（2）光屏吸附在黑板上，可上下左右移动直至合适位置，开启激光笔，调整激光笔、双缝（或单缝）的方向、使光斑照在双缝（或单缝）上，直到产生的干涉（或衍射）图样清晰地显示在光屏上，如图3所示。

（3）移动光屏或光的发射端，观察干涉（或衍射）图样变化。

（4）转动双缝（或单缝），改变缝的方向，观察条纹方向的变化。

（5）切换激光笔开关，可观察并比较红光和绿光的干涉（或衍射）图样。

图2实验演示器与传统的实验仪器相比，安装简单，实验现象稳定可视，对环境无要求，且可同时比较不同颜色光的干涉（或衍射）图样，又能同时比较不同缝宽的干涉（或衍射）图样。再者，演示实验过程中，光的发射端和光屏均可移动，而传统的实验仪器一般只能移动光屏。

3  利用实验演示器演示光的衍射实验

在演示器的圆形洞孔中安装单缝，或用胶布固定图4的器件，该器件上含有单缝、不同形状的小孔和光栅（称为障碍物）。激光照射到所需的障碍物，移动光屏或光源，直至光屏中显示出衍射图样，如图4。

该实验现象明显，不同形状的障碍物，所产生的衍射图样不一样，同时可观察到：在拉大光屏与障碍物之间距离的过程中，衍射图样会随之变大;衍射图样不等间距，中央的衍射图样最大最亮。

4  利用实验演示器半定量验证光的双缝干涉条纹间距公式

光的双缝干涉条纹间距公式Δx=，其中L为光屏到光源的距离，λ为光的波长、d为双缝的宽度。实验要验证Δx与L、λ和d三个因素的关系，则实验方法為控制变量法。在实验过程中发现，从定性上来比较单个条纹宽度的变化，不是很准确，所以采用的方法是：利用光屏上的刻度，测量出一定长度内所含的条纹个数，由个数的变化来确定条纹宽度的变化。

（1）保持λ和d不变，验证Δx与L的关系

实验步骤：在演示器一个圆形洞孔中放置缝宽为d=0.25 mm的双缝，打开笔槽中的红色激光，使光斑照射到双缝，移动光屏，直至光屏上显示出红光的干涉条纹图样;拉开光屏与双缝间的距离，观察干涉条纹间距的变化，如图5所示：在大约3.00 cm的长度范围内，随着L增大，条纹的个数由原来的9个变成5个。

实验结论：λ和d一定时，随着L增大，干涉条纹间距变大。

（2） 保持L和λ不变，验证Δx与d的关系

实验步骤：在演示器两个圆形洞孔中分别放置缝宽为d=0.25 mm和d=0.20 mm的两个双缝;接着让波长一样的红色激光（或绿光）照射到两双缝，移动光屏，直至光屏上出现明显的两组干涉条纹图样;比较两组干涉条纹的间距，如图6所示：在大约6.00 cm的长度范围内，缝宽为0.25 mm的双缝所产生的干涉条纹个数为11个，缝宽为0.20 mm的双缝所产生的干涉条纹个数为8个。

实验结论：L和λ一定时，双缝宽度d越小，干涉条纹间距Δx越大。

（3）保持L和d不变，验证Δx与λ的关系

实验步骤：在演示器两个圆形洞孔中分别放置两缝间距离d=0.25 mm一样的双缝;让波长不同的红光和绿光分别照射到两双缝;移动光屏，直至光屏上显示出明显的红光和绿光两组干涉条纹图样;比较两组干涉条纹的间距，如图7所示：在大约6.00 cm的长度范围内，红光的干涉条纹个数为9个，绿光的干涉条纹个数为12个。

实验结果： L和d一定时，光的波长λ越大，干涉条纹间距Δx越大。

光的双缝干涉条纹间距公式，在高中教材中是直接给出，这不利于学生对这个公式的理解和掌握，从而也影响后续利用该公式求光波长的探究实验。而通过上述的三个实验，可半定量地验证了该公式，同时整个实验操作简单，现象明显，耗时短，教师可以有效地进行课堂演示，帮助学生加深对公式的掌握和理解。

5  利用实验演示器测定光的波长

由公式Δx=，可知光的波长λ=Δx。为了更加准确地测量出L的长度，则制作了如图8的实验装置：图中的T形底座由木板制作而成，底座的纵板和横板互相垂直;光屏可以垂直地安插在底座的纵板上，光的发射端放在底座的横板上，则可保证发出的光与光屏垂直;横板距离光屏最长距离为115 cm，在距离光屏50 cm、60 cm、70 cm、80 cm、90 cm、100 cm、110 cm的地方标上刻度值。

由光的波长λ=Δx，可知当d、L已知，只要测量出单个条纹的宽度Δx，就可以求出光的波长λ。由于单个条纹的宽度很小，利用光屏上的刻度测量误差很大，所以根据实验的现象，笔者采用光屏的上刻度先测出10条干涉条纹所占的宽度，设为s，再求出单个条纹的宽度为Δx=。

实验过程：

（1）在支架的前端两个圆形洞孔中分别装上缝宽d为0.25 mm和0.20 mm两种双缝，支架的两个凹形笔槽中都放置激光笔;

（2）把支架放置在底座横板上标有刻度60 cm的位置，且支架的边缘应与底座的横板保持平行;

（3）打开两把红色激光，调整两激光笔和两双缝的方向，直至两组干涉图样全部都落至光屏的刻度上，记下通过两个双缝所产生的干涉条纹宽度值于下表;

（4）把光源放置横板上标有刻度的位置，重复上述（2）、（3）步骤;

（5）打开两把绿色激光，重复（2）（3）（4）的步骤。

实验结论：

（1）从表1、表2的数据可知：

红光波长的平均值

λ=nm

绿光波长的平均值

λ=nm

这与理论上红光的波长的范围：620～760 nm， 绿光的波长的范围：500～560 nm，大致相吻合。

（2）从表中的数据可知：当d、λ一定时，L越大，条纹的宽度Δx越大;当L、λ一定时，d越大，条纹的宽度Δx越小：当d、L一定时，λ越大，条纹的宽度Δx越大。

通过图8的实验装置不但可以较精确地测出光的波长，而且也可以定量验证光的干涉条纹间距公式，且整个实验可视化，这对学生掌握实验原理和方法有极大的帮助。

6  自制实验演示器的优点

（1）实验演示器的初步制作采用轻质的材料制成，整个装置质量轻，材料易得，制作简单，可鼓励学生参与制作，培养学生的动手能力和实验探究意识;利用增减强磁铁数量来固定和调整激光笔的位置，则可保证光源的稳定性。

（2）利用激光作为光源，则可忽略对环境的要求。实验操作简单，具有多功能性，实验现象可视、稳定，同时可根据需要拿在手上随时演示。

（3）通过3D打印机制成的演示器更为美观，简洁，操作也更为便捷，可做多个与干涉、衍射相关的实验，同时也能让学生体会到科技之美，创作之美。

（4）T形底座的制作，与演示器的完美结合，使得测量光波长的实验更加精确，这可以让学生进一步体会到科学的严谨。

（5）自制的演示器可以解决高中阶段关于“光的干涉、衍射”的大部分实验。

7  总结

由教学中出现的问题而触发自制教学仪器，从简单地制作、实验，发现不足，从而再进行改进，最后利用3D打印技术制成简洁又方便的演示器。利用自制的演示器进行光的干涉、衍射实验和半定量地验证光的干涉条纹间距公式。为了能更精确地测量出红光和绿光的波长，又制作一与演示器配合的T形底座，进行多次实验，处理数据，最终获得红光和绿光的波长值，与理论值相吻合。

参考文献：

[1] 孙晓兵， 石尧.运用发明方法研发物理实验仪器的案例举隅[J].中学物理教学参考，2020，49（12）：43-44.