演示泊松亮斑的简易方法，本文主要内容关键词为：简易论文,演示论文,方法论文,泊松亮斑论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
高中物理教学中，在讲到光的衍射时很多学生对教材中提到的著名的泊松亮斑现象将信将疑，而很多实验参考书中都没有详细介绍泊松亮斑的实验方法。为满足学生的求知愿望，使他们对泊松亮斑现象有一个正确的认识，笔者经过多次的探索和研究，设计了几个简易直观、材料易得的方法，既可作为课堂演示实验，亦可给有兴趣的学生在课外作为研究性实验。
方法一：用方座支架上的铁夹夹住条形磁铁，在磁铁上吸住大头针一头，大头针针尖朝下，在针尖上吸上直径为3mm的小钢珠。氦氖激光器放置在离小钢珠约1.5m的距离，如图1所示。调节激光器，使钢珠恰好浸没在激光束中，这时在光屏上能明显观察到明暗相间的圆环中有一个亮斑，即泊松亮斑，该装置使用钢珠圆度好，且连接钢珠只有大头针尖端一个点不影响小钢珠周围的衍射，又因钢珠较大，在光屏上图像也较大，便于观察，所以能达到预期的实验效果。
图1
1激光器；2升降台；3激光束；4小钢珠；5大头针；6铁夹；7条形磁铁；8方座支架
方法二：用橡皮泥搓成一个直径约2.5～3mm的小球作为圆屏，小球插在大头针上，将大头针吸在条形磁铁上。实验方法同方法一。其优点是圆的直径可任意制作；缺点是橡皮泥不可能搓得很圆，且需大头针连接而影响实验效果。
方法三：在载玻片上用毛笔把墨汁或黑漆点上直径约2.5～3mm的圆点，待干燥后即可作为圆屏使用。把载玻片用橡皮泥固定在木块上，实验方法同方法一，其优点是圆屏周围无连接物体，缺点是载玻片易碎、圆屏大小难控制、圆屏也不可能画得很圆而影响实验效果。
方法四：本演示实验需在室外进行。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。
取直径为6 mm的小钢珠为研究对象，激光器距小钢珠约4mm，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2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，我们可看到泊松亮斑，该图样直径大于10cm，效果非常理想。这种小钢珠，不仅大小适中，而且在自行车维修铺，废弃的这种钢珠俯拾皆是。
图2
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，或者用厚度大得多的载玻片（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照到钢珠上时，衍射图样觉察不出有明显变化。
由于盖玻片有效面积稍小，下面的研究，在无特殊说明时，都是用载玻片来装载小钢珠的。
方法五：本演示实验也需在室外进行。实验方法同方法四。
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，将壹圆的硬币吸附于钉子下端来实验（载玻片面积有限，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。当然，小钢珠直径过大时，也可用此法），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。
值得说明的是，若用壹圆的硬币作为圆屏来演示，虽然阴影外侧的明暗圆环不够明显，但阴影区的中心亮斑很明显，学生看后印象深刻。
方法六：本演示实验亦需在室外进行。实验方法同方法四。
取直径小于6mm的钢珠进行实验，几何阴影区明圆环更粗、更亮，效果亦佳。只是钢珠太小，不直观。
由上述各项实验可知，直径为6mm的小钢珠已称得上“足够小”了。
方法七：上述方法四、方法五和方法六的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所示。
图3
这里仍用直径为6mm的小钢珠为研究对象。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。它和载玻片（其上载有小钢珠，可用胶粘在光学实验专用金属杆上）可置于光具座上。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，放透镜不放钢珠时，光斑直径约为8cm，放上透镜和钢珠后，衍射图样直径约12cm。
用小钢珠作为圆屏演示泊松亮斑实验，效果是非常理想的。直径为6mm的小钢珠，可作为实验材料之首选。至于硬币的使用，可仿小钢珠的用法，不再赘述。
方法八：将玩具激光笔、焦距为10cm的凹透镜、直径约2～3mm的小钢珠（百叶窗帘上的滚珠也可）、光屏按图4顺序安装在光具座上，并且使它们的中心在同一水平线上，再让玩具激光笔的激光束通过凹透镜后发散为较大的光束。用光屏观察激光束截面大小，在光束传播方向上寻找光束直径略大于钢珠直径的位置（约距透镜9cm），在此处固定钢珠，再移动光屏，大约距钢珠45cm处，就可清晰看到小钢珠衍射的光环，小钢珠阴影的中间有一亮点，此亮点就是著名的泊松亮斑。
图4
方法九：在有条件的学校可将电脑制作技术和先进的印刷制版技术结合起来，自制衍射片：先在电脑中制作好所需各种规格的单缝、小孔、圆屏、双缝，然后通过制版，制成同等大小的胶片。本法制作的胶片精度高，轮廓清晰分明，黑色部分的阻光效果、透明部分的透光作用均较好，而且可以把双缝、单缝、小孔、圆屏的宽度或直径精确制作成我们所需的任意规格，并排在同一张胶片上。
以上几个演示泊松亮斑的实验取材容易，制作简单，操作方便，现象明显，在暗室或晚上做效果更好。