“泊松亮斑”的演示方法及其創(chuàng)新應(yīng)用*

(重慶市江津中學(xué)校,重慶 402260)

“泊松亮斑”表明了光的波動(dòng)特性,但礙于實(shí)驗(yàn)條件和方法的限制,很多教師并未在課堂上為學(xué)生演示該實(shí)驗(yàn)。筆者對“泊松亮斑”的實(shí)驗(yàn)演示進(jìn)行了研究,在此與同行分享。

1 實(shí)驗(yàn)原理簡介

當(dāng)點(diǎn)光源發(fā)出的單色光照射在小圓板或圓珠時(shí),會(huì)在之后的光屏上出現(xiàn)環(huán)狀的互為同心圓的衍射條紋。由于光波繞過圓板或圓珠的邊緣在陰影區(qū)域的中心疊加時(shí),子波的相位相同,故在同心圓的圓心處會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小亮斑,這個(gè)亮斑被稱為“泊松亮斑”。

為了達(dá)到清晰的演示效果,筆者采用圖1所示方案：激光器發(fā)出的平行光束經(jīng)過調(diào)焦透鏡后,擴(kuò)散光束再通過一個(gè)圓鋼珠,就能在光屏上得到帶有“泊松亮斑”的衍射圖樣(如圖2)。通過透鏡將平行激光束變?yōu)榘l(fā)散光束,與點(diǎn)光源的光線相似,可在光屏上展現(xiàn)出對比度高的“泊松亮斑”。

圖1

圖2

2 實(shí)驗(yàn)裝置的具體制作

泊松亮斑的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，其部件包括：小型固體激光器(波長650nm,功率為250mW)、調(diào)焦透鏡、蓋玻片、圓鋼珠(直徑0.5mm,取自圓珠筆筆頭)。

圖31底座 2可轉(zhuǎn)光具座 3微調(diào)旋鈕 4固體激光器5調(diào)焦鏡頭 6微調(diào)平臺(tái) 7光具架 8滑塊9可旋轉(zhuǎn)光具座橫截面 10衍射片

制作時(shí),可直接在固體激光器前端加裝調(diào)焦鏡頭,省去了圖1中可調(diào)節(jié)透鏡組,可使激光光源便攜小巧,且能根據(jù)需要通過調(diào)焦鏡頭將光束調(diào)節(jié)為發(fā)散光束。激光器下方的微調(diào)平臺(tái)固定在光具座上,調(diào)節(jié)微調(diào)平臺(tái)上的兩個(gè)旋鈕,可使光束在垂直于長木板的豎直平面內(nèi)進(jìn)行二維移動(dòng)。制作一個(gè)理想的衍射圓屏是本裝置的一個(gè)亮點(diǎn)，找一支用完墨水的圓珠筆芯,將筆頭里直徑為0.5毫米圓鋼珠取出,用夾具將其夾在兩塊清潔的蓋玻片之間。由于蓋玻片透明度高且厚度很小,故其對光路的影響可忽略,蓋玻片中固定的鋼珠充當(dāng)了理想的障礙物(圓屏)。相較于其他實(shí)現(xiàn)泊松亮斑的方法,本方案利用生活中常見的圓珠筆頭中鋼珠作為障礙物,排除了除圓珠外其他衍射物的干擾,所獲得的衍射圖樣只有較純粹的“泊松亮斑”,便于直觀清晰地識(shí)別。

裝置使用時(shí),教室的墻壁可作為光屏,根據(jù)演示需要,可通過調(diào)節(jié)調(diào)焦鏡頭，改變墻壁(光屏)上光斑的大小和亮度；改變圓珠和光束匯聚點(diǎn)O的距離,亦可調(diào)節(jié)光斑的大小。考慮到實(shí)驗(yàn)裝置要便于教師授課時(shí)使用,也可以去掉很多精密調(diào)節(jié)裝置,使整個(gè)裝置便攜小巧(如圖4)，可用塑料夾子代替夾具將鋼珠固定在兩片透明潔凈的蓋玻片間。

圖4

圖5

除了用于演示“泊松亮斑”,本實(shí)驗(yàn)裝置還可實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展,將鋼珠替換成細(xì)鋼絲等物品,得到不同類型的衍射圖樣。圖5所示衍射圖樣的障礙物依次為：左上為直徑0.60mm的大頭針、右上為兩根垂直交叉的細(xì)銅絲(橫截面直徑0.12mm)、左下和右下分別為大頭針的針尖和針帽。

3 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新：動(dòng)態(tài)泊松亮斑的實(shí)現(xiàn)

如果衍射物處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),可以得到動(dòng)態(tài)的衍射圖樣,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)功能的充分挖掘。

筆者設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn),可以利用光的衍射檢驗(yàn)透明水體中是否存在肉眼不可見的固體小顆粒,也可以利用光的衍射觀察水中固體顆粒的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)。如圖6所示，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理為：當(dāng)激光束照射到一滴透明水滴時(shí),其內(nèi)部處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的微小固體顆?？沙洚?dāng)衍射物,在光屏上呈現(xiàn)運(yùn)動(dòng)著的“泊松亮斑”圖樣。

圖6

實(shí)驗(yàn)裝置包括小型固體激光器、調(diào)焦鏡頭、注射器、三腳架、光屏和長木板(如圖7)。具體制作方法如下：將固體激光器、三腳架、光屏置于同一直線上。固體激光器射出端加裝調(diào)焦鏡頭,使激光束的光斑大小可調(diào)。激光器下方的微調(diào)平臺(tái)固定在光具座上,調(diào)節(jié)微調(diào)平臺(tái)上的兩個(gè)旋鈕,可使光束在垂直于長木板的豎直平面內(nèi)進(jìn)行二維移動(dòng)。在長木板側(cè)面設(shè)置一固定支架,固定支架可以固定在長木板側(cè)面的不同位置,固定支架可將注射器固定在木板上方,但固定支架本身不在光路上。長木板上標(biāo)有刻度,可以記錄固定支架和光屏的位置,便于在下次實(shí)驗(yàn)中快速得到理想的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

圖7

使用時(shí),先將待檢的透明水樣(可以用雨水、池塘水、魚缸水等)

吸入注射器,再將注射器固定在支架上,推動(dòng)注射器活塞并使注射器末端懸停一滴水滴。打開激光器開關(guān),調(diào)節(jié)微調(diào)平臺(tái)使激光光束對準(zhǔn)懸停水滴,再通過調(diào)節(jié)激光器前端的調(diào)焦鏡頭使激光束照射到水滴上。由于透明水體中的不透明固體顆粒處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),且其尺寸可滿足明顯衍射現(xiàn)象的產(chǎn)生條件,故能在光屏上觀察到一些移動(dòng)的衍射圖樣(如圖8)。仔細(xì)觀察運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的衍射圖樣,有很

圖8

圖9

多圓斑的中心是亮的,即運(yùn)動(dòng)的“泊松亮斑”(如圖9)。由于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可視性、啟發(fā)性強(qiáng),可使學(xué)生對衍射現(xiàn)象有更為豐富的理解。

使用生活中簡單易得的材料(如圓珠筆筆頭、注射器等),經(jīng)過科學(xué)合理的設(shè)計(jì),可讓很多經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)服務(wù)于物理教學(xué),提升學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)。