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    會“拐彎”的光

    2022-03-22 01:44:34
    科學(xué)大眾·小諾貝爾 2022年2期
    關(guān)鍵詞:雙縫波谷拐彎

    “未見其人,先聞其聲”,這句話的意思是隔著障礙物,未見到人,卻聽到了他的聲音。是什么造成這種現(xiàn)象呢?這是因為聲音的本質(zhì)是一種在空氣中傳播的波,它就像能拐彎一樣,可以繞過障礙物傳播。

    那么,光的本質(zhì)是什么呢?一直以來,無數(shù)科學(xué)家都在思考這個問題。對于很多人來說,光是一種粒子,因為它總是直射,似乎也繞不過障礙物。然而,英國物理學(xué)家托馬斯·楊在1801年做了一個雙縫干涉實驗,證明了光也具有波動性。假日期間,我也在思考這個問題,并嘗試用家里能找到的簡單物品做了雙縫干涉實驗。

    實驗器材

    紅色激光筆、紙卡片、筆、刻度尺、卷尺、美工刀、白板(圖1)。

    實驗原理

    通過查找資料,我明白兩列波同時傳播時會在空間某點疊加起來。如果在這一點兩列波總是波峰與波峰相遇、波谷與波谷相遇,那么在該點波的強度會增大(圖2)。相反,如果在這一點兩列波總是波峰和波谷相遇,那么在該點,兩列波相互抵消,波的強度為零(圖3)。這就是波的干涉現(xiàn)象。比如我們常見的水波,兩個水波相遇后,在重疊的地方就會形成干涉的波紋。

    如果光具有波動性,那么來自同一個光源的兩束光通過不同路徑傳播后,會形成類似的明暗相間的干涉圖樣。為了生成兩個來自同一光源的光束,通常是在一個隔板(本實驗中用的是紙卡片)上刻兩條細的縫隙讓光源(實驗中的光源由激光筆提供)照射上去。

    實驗步驟

    1.制作雙縫

    先在一張撲克牌大小的紙卡片上畫兩條平行的細線,兩條線間隔1毫米(圖4a),然后用美工刀沿每條線刻出一道窄縫,縫的邊緣盡量光滑。

    2.擺放器材

    將紙卡片豎直放在激光筆前方,用卷尺量出距卡片前方2米處,擺放白板,也可用白色墻壁代替,把卡片和激光筆固定起來(圖4b)。

    3.生成干涉圖像

    接下來是實驗的最重要環(huán)節(jié),打開激光筆,讓發(fā)出的激光對準卡片上的雙縫,不斷調(diào)整位置,使透過雙縫的激光在白板上形成圖像,最后對圖像進行拍照。

    當激光筆和卡片擺放適當時,可以看到激光經(jīng)過卡片上的雙縫射出后,神奇的事情發(fā)生了:激光打到白板上,形成了一條條間隔均勻的明亮紅色光條紋(圖5a),兩條相鄰光帶之間是暗條紋,即激光在那里減弱消失。在夜晚關(guān)上室內(nèi)的燈時,看到的效果更好,可以看到更多條紋(圖5b)。如果光不具有波動性,我們只能在白板上看到兩條亮紋。

    然而,在這個實驗中,我們觀察到了十幾條亮紋,從而驗證了光具有波動性。另外,可以看到中心的亮紋最亮,兩邊的亮紋逐漸變暗。但是,在離中心10厘米處還是可以觀察到亮紋。如果把激光直接照射到白板上,只會在中心位置看到一個亮點?,F(xiàn)在,亮紋出現(xiàn)在了激光直接照射不到的地方。這里,光就像是拐彎了一樣,讓我感覺非常神奇!

    實驗結(jié)論

    這個實驗并不是一次就成功的。一開始,我用像手機自帶的手電筒那樣的白光光源,發(fā)現(xiàn)沒辦法形成條紋。查找資料后,我發(fā)現(xiàn)白光是多種顏色的光混合在一起的,每一種顏色光的波長都不同,無法形成干涉圖像。所以,最好是用單色光源。后來,我在家里發(fā)現(xiàn)了一個紅色激光筆。激光是一種單色光,有固定的波長,比較適合用來做雙縫干涉實驗的光源。

    換了激光筆后,果然出現(xiàn)了明暗條紋,但條紋不是很清晰,亮條紋都連在一起,暗紋部分比較少。我仔細觀察了紙卡片上的雙縫,發(fā)現(xiàn)雙縫的邊緣不平整。調(diào)整后,最終成功實現(xiàn)干涉條紋。

    通過這個實驗,我不僅掌握了一些做實驗的基本步驟,同時對光的波動性有了更深的了解,還激發(fā)了自己的興趣并嘗試思考問題和解決問題。

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