初中物理告诉我们,光是沿直线传播的。然而,遇到障碍物的光并不会就此消失,反而会绕过障碍物出现在几何影区,这一现象被称为“光的衍射”。今天我们将会使用生活中常见的钢尺、光盘和弹簧来演示光的衍射现象。
“钢尺衍射”实验
实验器材:激光笔,钢尺(刻度间距分别为0.5 mm和1 mm),屏幕
实验操作:将钢尺(刻度间距0.5 mm)和激光笔水平放置在桌面,垫高激光笔,保证激光笔射出的光打在钢尺中央。移动屏幕,观察衍射条纹。改用刻度间距1 mm的钢尺重复上述操作,对比前后衍射条纹的差异。
实验现象:钢尺衍射的条纹是直线、有间距相同的暗斑。与刻度间距0.5 mm的钢尺相比,1 mm钢尺的刻度间距更大,衍射条纹的暗斑间距更小。
实验原理:要想解释“钢尺衍射”实验的奥秘,首先要了解什么是光的干涉。作为一种电磁波,两束光的振动会发生叠加。如果峰对峰、谷对谷,叠加振幅增大,称为干涉相长;反之,峰谷相抵,叠加振幅变小为0,称为干涉相消。那么想要判断光的干涉是极大还是极小,则需了解一束光比另一束落后多少。如果落后整数倍波长,就是干涉相长;如果落后半整数个波长,就是干涉相消。
“光盘衍射”实验
实验器材:光盘,手机手电筒,垫起手机的书
实验操作:将光盘放在桌上,打开手机手电筒,使用书籍把手机垫起来。移动光盘位置使得其中心位于手电筒正下方,再调节手机高度直至出现明显的实验现象。
实验现象:圆环状彩色条纹
实验原理:与钢尺类似,光盘表面被精密地刻上了许多间距相等的凹槽。当把光源对准光盘中央时,对于在一个圆环上的刻痕,他们到光源的光程差相等,所以他们同时是干涉极大或极小,组成圆环状条纹。
“弹簧衍射”实验
实验器材:激光笔,圆珠笔的弹簧,垫起激光笔的书,悬挂弹簧的支架,屏幕
实验操作:用支架把弹簧挂起,固定弹簧,保持弹簧竖直。用书垫起激光笔,调节俯仰角以及高度,使得激光入射弹簧中央。保持激光笔位置不动,缓缓移动弹簧并且调节支架高度,使得激光垂直入射弹簧刻度处,观测条纹。
实验现象:出现两束条纹、成X状。两束条纹中心更亮,条纹间距几乎相同。
实验原理:弹簧的形状是一条螺旋线,在一个平面上,它的投影是两排细丝,并且细丝的间距以及倾角都相等。对于每一排细丝,它们之间就像之前钢尺一样,排成了一排间距相等的格子,各自形成一束条纹。X状条纹便是由两排细丝分别衍射形成的。