逍遥学能 2016-06-29 08:59
高中物理教学中，在讲到光的衍射时，为使泊松亮斑实验演示更简易直观、材料易得，笔者发现用直径为6mm的小钢珠和壹圆的硬币作为圆屏，效果十分理想，本文以小钢珠为主进行研究。
一、演示实验在室外进行
选择适当大小的小钢珠，将它与屏幕放在激光束的适当位置，可以使衍射图样获得足够高的亮度和足够大的尺寸。演示可以在教室走廊里进行，为使衍射图样清晰度高，在阳光照射不到时或晚上进行最好。
1.取直径为6mm的小钢珠为研究对象，激光器距小钢珠约4m，屏幕则是距小钢珠20m远的白色光滑墙壁。
取一个显微镜配备的盖玻片(1.8cm×1.8cm，厚度为0.18mm)，用302胶水将钢珠粘在盖玻片中心位置，再将盖玻片粘在一条形金属片上，如图1所示。待凝固后，将金属片用夹持物夹住，固定在光路中，并使光束沿着盖玻片平面的法线直接照射到小钢珠上。
在屏幕上，我们可看到如图2所示的衍射图样(实际上是笔者将纸铺在屏幕上衍射图样处，抓住主要细节临摹的示意图，黑线条代表亮条纹，颜色深浅表示亮条纹的强弱)，该图样直径大于10cm，效果非常理想。
实验还发现，激光束与盖玻片平面法线所成的角不是太大时，或者用厚度大的载波片(7.5cm×5cm，厚度1mm)代替盖玻片时，或者将盖玻片翻过来，让激光先通过盖玻片然后再照到钢珠上时，衍射图样觉察不出有明显变化。
这种小钢珠，不仅大小适中，而且在自行车维修铺，废弃的这种钢珠俯后皆是。
由于盖玻片有效面积稍小，下面的研究，在无特殊说明时，都是用载波片来装载小钢珠的。
2.换直径大于6mm的钢珠来实验，可发现，随着直径的增加，几何阴影区的亮圆环趋于更细、更暗，直至消失，而阴影区的中心始终有亮斑，甚至用强磁铁吸住一小铁钉，将壹元的硬币吸附于钉子下端来实验(载波片有效面积有限，而要使光衍射，须使光射到障碍物边缘，由于光束传播中逐渐变粗，故采用此法，且硬币须向屏幕靠近)，也能在阴影中心看到一个较暗的光斑，尽管此时其余的阴影区已完全变暗了，阴影外侧的明暗圆环也已不够明显了。
这类尺寸的钢珠，装载不太方便。
需要说明的是，用壹圆的硬币演示，实验效果会让学生惊叹不已。
3.若取直径小于6mm的钢珠实验，几何阴影区明暗环更粗、更亮，效果亦佳。只是钢珠太小，不直观。
二、实验在室内进行
上述各项实验之所以要求长距离，是受光束太细这一因素制约造成的。要在室内进行，需要扩束。
最简单的办法是用凹透镜来扩束。如图3。
这里仍用直径为6mm的小钢珠，衍射图样可呈现在教室后面墙壁上。透镜位置要适当，不能使墙上的光斑过大，以避免光斑亮度过低。它和载波片(其上载有小钢珠，可用胶粘在光学实验中专用金属杆上)可置于光距座上。笔者用焦距为8cm的凹透镜置于激光器输出口处，让光沿主光轴通过，小钢珠距透镜0.9m，距教室后墙壁约10m。若不放透镜和钢珠，墙壁上的光斑直径约为3cm，用透镜不放钢珠时，约为8cm，放上透镜和钢珠后，衍射图样直径约12cm。
用小钢珠作为圆屏，实验效果是很理想的。直径为6mm的小钢珠，可为实验材料之首选。至于硬币的使用不再赘述。