光的干涉和光的衍射演示实验的创新设计.pdf

SHIYAN JIAOXUE YU YIQI2023年第9期实验改进与创新光的干涉和光的衍射演示实验的创新设计张美娟（湖州市南浔高级中学，浙江湖州 313009）摘要：光的干涉和光的衍射系列演示实验是证明光具有波动性及进一步深入研究光的波动性的重要实验。在教学中，常利用其一系列演示实验丰富的演示效果来增强学生的感性认识，突破教学难点。但教材演示装置尺寸略大、搬运笨重、操作烦琐、演示成功率低，且其演示的单一性并不利于实验探究素养的落实，这给教学目标的达成造成了很大的障碍。为此，利用有机玻璃板、载玻片、电池盒、半导体激光器等材料，对该演示实验装置进行创新设计。在教学实践中发现，该实验装置的创新设计具有原创性、简洁性、便携性、趣味性、实用性等特点，能够有效提高实验演示的成功率。关键词：光的干涉；光的衍射；演示实验；创新设计DOI：10.19935/ki.1004-2326.2023.09.014人教版高中物理选修3-4中的“光的干涉”和“光的衍射”是证明光的波动性及进一步研究光的波动性的重要内容1。但在日常生活中，光的干涉和光的衍射却不易被人们观察到，学生缺乏感性认识，因此教材在编排上先是通过实验的演示，让学生观察这两种现象，再深入研究，使学生逐步理解光的这一特性。教材中演示装置“激光光学演示仪”（图1）的尺寸略大、演示不全面，且单缝宽度不可动态调节，对明显衍射的条件不能开展动态的观察探究。考虑到以上不足，笔者在教学实践中对该演示装置重新进行了设计制作（图2），创新设计的装置具备一定的创新性。图1“激光光学演示仪”图2创新演示装置主体部分1实验器材300 mm110 mm7 mm 的 有 机 玻 璃 板 1 块、10 mm20 mm7 mm的有机玻璃板4块、监控器支架1个、衍射片支架1个、铝箔胶带1卷、载玻片若干、划刀刀片若干、装有3节干电池的电池盒1个、半导体激光器1只（5 mW，可调焦，红色）、激光器固定套管1根、M4紧固螺丝5个、粘胶少许。2创新设计及配件制作2.1底座和支架的装配（1）将教材实验装置“激光光学演示仪”上的衍射片支架拆下，备用。（2）取1块300 mm110 mm7 mm的有机玻璃板，沿其长边左右两端适当位置分别放置监控器支架和衍射片支架，绘制好安装支架的螺丝孔位置；先在螺丝孔位置中央“冲眼”，再将有机玻璃板置于台钻工作台上并用直径为4 mm的麻花钻钻孔。（3）用粘胶将 4 块 10 mm20 mm7 mm 的有机玻璃板黏合在前述大有机玻璃板下底面的4个角上，放置于屋角，待粘胶干燥即完成装置底座的制作。（4）先用M4紧固螺丝将2个支架固定在底座上，再将激光器套管旋在监控器支架的上端，最后安装好激光器，则创新演示装置的主体部分就完成了，如图2所示。2.2双缝的制作取1片载玻片，截取其长度为能装入支架槽即可；在载玻片上贴上铝箔胶带；用2片划刀片并排划上双缝即可。只要改变2片划刀片刀刃的间距（可先在刀背处塞进小橡胶片并置于2片划刀片之间，再用夹子夹住），就可以划出间距不同的双缝，如图3-a所示。2.3单缝的制作（1）方法一：同双缝的制作，可用划刀片在贴有铝箔胶带的载玻片上划出宽度不同的单缝。422023 年第9期实验改进与创新（2）方法二：取2片划刀片，尖头磨平；将1片安装在衍射片支架的定架上，另1片安装在动架上即可，如图3-b所示。这种方法的优点是，能动态调节缝宽，便于对明显衍射的条件这一知识点开展探究式实验教学。2.4泊松亮斑小圆屏的制作用 0.5 mm 黑色水笔在载玻片上点 1 个小圆点即可，如图3-c所示。2.5障碍物衍射片的制作取1片铝片，将其长宽截取成能装入支架槽即可；先在铝片中央挖出1个矩形空框，再将不同的障碍物（如头发丝、大头针针尖、针帽、粗细不同的铜丝等）安装上即可，如图3-d和图3-e所示。2.6光屏的制作取光学套件中的光屏，在其表面黏合上多层白色打印纸即可，如图3-f所示。a双缝片b“刀口”单缝c泊松亮斑片d障碍物衍射片1e障碍物衍射片2f光屏图3干涉片、衍射片等配件3演示方法3.1光的双缝干涉（1）将双缝片安装在支架上，打开激光器电源，调整激光器支架，让激光束照射到双缝上，进而射向位于双缝片后侧的光屏上（也可直接照射到白墙上），此时在屏幕上可以观察到明暗相间的干涉条纹。（2）调节支架水平移动螺母，让激光照射不同的双缝，此时可观察到明暗条纹的间距发生了变化，这是由不同的双缝缝宽存在差异造成的，如图4所示。ab图4不同双缝的干涉图样3.2光的单缝衍射（1）将组成“刀口”单缝的2片划刀片分别安装在衍射片支架的定架和动架上，2片划刀片的刀口平行正对，如图3-b所示。（2）调节支架水平移动螺母，使缝宽初始值略大些。（3）接通激光器电源，调整激光头光束的射向，让激光束的1/2光斑照射到固定划刀片的刀口上。（4）调节水平移动螺母，让动刀片向定刀片处缓缓移动，即缝宽变小，此时在屏幕上可以观察到衍射条纹间距逐渐变大，中央亮纹逐渐变宽，衍射现象越来越明显，如图5所示。3.3泊松亮斑（1）用0.5 mm黑色水笔在泊松亮斑片（载玻片）上每相隔一定间距点一些小圆点，选取1个最圆的小点后将泊松亮斑片（载玻片）安装在支架上。（2）接通激光器电源，调整激光头光束射向，让光束照射该小圆点，此时在屏幕上可以观察到泊松亮斑，如图6-a所示。3.4障碍物衍射（1）将障碍物衍射片安装在支架上，让激光束分别照射大头针针尖、针帽、头发丝和不同粗细的铜丝，此时在屏幕上可以观察到光经过障碍物后的衍射图样，如图6-b至图6-d所示。（2）除此之外，还可以演示光经过不同几何形状的小孔、光栅后的衍射现象，如图6-e和图6-f所示。43SHIYAN JIAOXUE YU YIQI2023年第9期实验改进与创新4结语对教材演示实验装置进行创新设计并用于课堂，既能丰富学生的感性认识，又可达成探究式教学目标，同时其具有以下特点。（1）实验改进装置均为原创。更重要的是，突破了光的波动性教学这一大难题。（2）装置选材常见，制作简单。选取的器材如半导体激光器等均容易购买得到，配件制作工艺也极为简单，教师可单独快速完成。（3）演示装置便携性好、可视度高，且具有体积小、重量轻等优点。例如，在课堂演示时，教师可以在学生座位间走动，用白纸代替光屏，直接将干涉或衍射图样投射到学生面前，弥补了学生远距离观察的缺点，学生观察效果较好。（4）演示过程趣味性浓、可操作性强。像单缝、双缝、障碍物等均可由学生动手制作，而头发丝更是生活中常见的实物，教学中学生兴趣极为浓厚；激光器支架和衍射片支架均可左右、上下调节，每次演示操作都能高效地完成，极为方便。（5）装置实用功能丰富，可演示以下几个实验。双缝干涉。同时，可以探究条纹间距与双缝宽度、双缝到屏距离的关系。单缝衍射。其中，单缝宽度可调，可探究发生明显衍射的条件。障碍物衍射。障碍物均为生活中常见的实物，如大头针、头发丝等。泊松亮斑。圆屏可由学生现场制作，现象非常明显。光的偏振。学生利用偏振片深入探究，可激发探究热情。显示微小形变。可应用于“弹力”一课中，只需要在衍射片支架上安装平面镜即可。（本演示装置获得2011年浙江省创新实验评比一等奖）参考文献1 人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-4 M.北京：人民教育出版社，2008abcdef图5单缝宽度由宽变窄时，衍射条纹的变化情况a 泊松亮斑b 大头针针尖衍射c 大头针针尾衍射d 头发丝衍射e 正方形孔衍射f 三角形孔衍射图6光经过不同障碍物后的衍射图样 44