用双缝干涉测定光的波长实验的操作和改进，本文主要内容关键词为：波长论文,操作论文,用双缝论文，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。
光的双缝干涉实验是研究光的波动性现象的典型实验，是高中物理教学中的一个重要实验。笔者查阅了从1980年直到现在的高中物理教科书，都有这个实验。以往在光的双缝干涉教学时，一般都采用讲授法，而不进行实验教学。究其原因，主要是实验的可见度差，效果不明显，难以让全班学生观看到光的双缝干涉条纹，更不用说去研究条纹间距与哪些因素有关了。而且不少教师自己都无法顺利调出干涉条纹，更别说指导学生做这个实验了。
一、光的双缝干涉实验装置的组成
光的双缝干涉实验装置主要部件有遮光管、照明系统、双缝、观察筒及测量头等。遮光管是安装其他部件的基准，并能挡住杂光的干扰，犹如暗室一样。照明系统包括光源灯泡、透镜、遮光板、光源单缝及滤色片。单缝作线光源用。
笔者使用的J2515型双缝干涉实验仪，单缝安装在单缝管的前端，单缝管上有拨杆调节机构，左右拨动拨杆，单缝可以绕光轴转动以调节单缝和双缝平行。
二、双缝干涉实验仪的安装调节
按照仪器结构示意图把零部件安装在光具座上。在光具座最后两只滑块上插上半圆形支架环，支架环插杆的高度要相等，使遮光管搁在支架环上时与光具座导轨平行。在遮光管前端固定好双缝，缝取竖直方向（即沿着遮光管是固定螺丝所指的直径方向）。单缝管套在双缝外面，因此从仪器外表上看不到双缝。调节单、双缝平行的拨杆装在单缝管上。灯泡、透镜分别插在光具座滑块上，置于单缝前面。在遮光管的另一端装上观察筒。遮光板在观察或测量时插在单缝前，用于挡住灯光，以免刺激实验者的眼睛。仪器调节的关键：一是使光学元件的中心均在仪器的光轴上，即共轴；二是使光源单缝与双缝平行。其中光学元件的中心的共轴是这个实验成败的关键。
仪器采用平行光照亮单缝做为光源。配套的灯泡是“12V 20W”的直丝灯泡，用焦距为50mm的凸透镜聚光。仪器所用的灯泡功率较大，其灯丝冷电阻较小，如果一开始就用12V电压加到灯泡两端，则通过的电流过大，学生电源可能会过载保护自动截止，所以刚点亮灯泡时电压应从最低电压挡逐挡升高至12V，使用时电压不得超过12V。
用拨杆调节单、双缝的平行。双缝的缝固定在竖直方向，左右移动拨杆时，拨动单缝绕光轴旋转，就能把单缝调节到与双缝平行。调节时边移动拨杆，边观察干涉条纹，直至看到清晰的干涉图样。如果干涉条纹不是竖直方向的，不影响实验结果，但看起来不习惯，可把遮光管连同单、双缝、观察筒转过一个角度，使干涉条纹成竖直方向。测量时，分划板中心刻线必须平行于干涉条纹并对齐条纹的中心，否则将会影响测量结果。实验中可以通过转动测量头，使分划板中心刻线与干涉条纹平行。
按这种方法实验，白光的干涉条纹可以看得较为清楚。加上滤光片后，虽然可以看到红光或绿光的干涉条纹，但亮度不够，分划板上的刻线看不清楚，条纹间距的测量难以进行。有的学生盲目加大灯泡的供电电压，导致灯泡发黑甚至烧毁。
三、光的双缝干涉实验的改进
1.取消聚光透镜
聚光透镜虽然能对光线起到一定的会聚作用，但效果不理想。因为灯泡到透镜的距离等于透镜的焦距(50mm)，灯泡发出的光只有一小部分进入透镜，会聚后通过滤光片和单缝的就更少了。所以看到的干涉条纹亮度不足，难以进行测量。
灯泡发出的光是向四面八方发散的，距离越远，光的强度就越弱。为了尽量增加照射到单缝上的光的强度，笔者在实验中取消了灯泡与单缝之间的聚光透镜，把灯泡尽量向单缝靠近。在实际操作中，先把灯泡装到光具座上，使灯泡的灯丝与单缝都在竖直方向上平行，并使灯泡与单缝、双缝等在同一水平线上。然后，取下测量头（观察筒），给灯泡通电，使其工作电压为额定电压的一半左右。眼睛通过取下测量头的遮光管看双缝，左右调节灯泡，直至看到能过双缝的光线最强为止。这样就表示各光学元件的中心均在仪器的光轴上了。最后，再装上测量头，就可以观察光的双缝干涉条纹了。可以适当转动测量头，使分划板中心刻线与干涉条纹平行。
采用上述实验方法，同样用“12V 20W”的直丝灯泡，观察到白光的干涉条纹和红光、绿光的干涉条纹的亮度比原来有所增加。实验环境光线较暗时，分划板上的刻线可以看清楚，条纹的间距和光的波长能够进行测量。
2.采用激光笔作光源
为了进一步增加照射到单缝上的光的强度，考虑用激光作为光源。氦氖激光器的结构复杂，价格较高，不宜用来做学生实验。实际实验中，选用玩具激光笔作为光源，它具有价格低廉（单价2元左右），使用方便的特点。用激光笔作光源做光的双缝干涉实验，笔者分别用以下四种方法做实验，都很好地完成了实验。
(1)激光笔发出的激光束经过一段直径约3mm的玻璃柱体进行扩束后，照射到装在遮光管上双缝前的单缝上。
(2)激光笔发出的激光束不经过扩束，直接照射到装在遮光管上双缝前的单缝上。
(3)激光笔发出的激光束经过一段直径约3mm的玻璃柱体进行扩束后，不经过单缝，直接照射到装在遮光管上双缝上。
(4)激光笔发出的激光束不经过扩束，也不经过单缝，直接照射到装在遮光管上双缝上。
通过以上四种方法做双缝干涉实验，只要调整好激光光源与各个光学元件的中心均在仪器的光轴上，就能得到清晰明亮的双缝干涉条纹。即使实验环境光线较亮时，分划板上的刻线仍然可以看清楚，条纹的间距和光的波长能够进行测量，实验的效果很好。采用激光笔作光源，唯一不足是只能作单一单色光（红光）的实验，不能做白光和其他单色光（如绿光）的干涉实验。
3.采用直丝灯泡代替单缝光源
考虑到单缝在实验中起到线光源的作用，所以就用普通直灯丝的白炽灯光源，只要灯泡到双缝的距离足够远，就能把灯丝看作是线光源。实际实验中，直接选用J2515型双缝干涉实验仪配套的“12V 20W”的直丝灯泡，拆下单缝管，灯丝到双缝的距离调到35cm左右。调节灯泡的灯丝与双缝平行，都在竖直方向，再按上面的方法调节灯泡，使它与双缝等各光学元件的中心均在仪器的光轴上。
当观察白光的干涉现象时，只要把灯灯泡两端的电压调到8V左右，就可以看到清晰明亮的彩色干涉条纹了。当观察红光或绿光的干涉现象时，把灯泡两端的电压逐渐调到额定电压12V，就可以看到清晰明亮的红色或绿色干涉条纹了。这时分划板上的刻线可以看得很清楚，条纹的间距和光的波长能够很方便地进行测量。这样，学生就不会因为看不清干涉条纹和分划板上的刻线而盲目加大灯泡的供电电压，减少了灯泡烧毁的问题。
4.采用普通灯泡代替单缝光源
上一实验方法的实验效果是最好的，但是J2515型双缝干涉实验仪配套的直丝灯泡每套只有一个，烧坏后市场上难以买到同样的灯泡。我们用的是“12V 10W”的普通灯泡。实验时，尽量选用灯丝在同一个平面的灯泡。固定灯泡时，让灯泡的灯丝所在的平面与双缝在同一平面上。
按照上面所介绍的方法做实验，发现当灯丝与双缝的距离仍然为35cm时，无法得到干涉条纹。当灯丝与双缝的距离增加到50cm时，观察到了干涉条纹。当再加上红色（或绿色）滤光片时，就可以观察到红光（或绿光）的干涉条纹。但这时由于灯泡的功率比原来小，灯泡到双缝的距离又比上一实验方法中的距离更远些，所以得到的干涉条纹的亮度不如上一实验方法得到的干涉条纹的亮度，分划板上的刻线虽可以看到，但不是那么清楚，对实验的观察和测量还是有一定的影响。
综上所述，采用“12V 20W”的直丝灯泡取代单缝光源来做双缝干涉实验，实验的效果是最理想的。实在没有这种灯泡了，也可以采用以上介绍的其他几种方法来做这个实验。