自制多功能光学教具

摘要

传统光学演示教具J2552双缝干涉与单缝衍射观察仪体积较大且笨重，仅能进行双缝干涉与单缝衍射实验，功能相对单一，并且调节烦琐。该仪器的光学现象还容易受外界干扰，不易观察。自制的多功能光的衍射教具利用生活中常见的物品以及软磁铁与载玻片制作，能实现双缝干涉、单缝衍射、小孔衍射、圆孔衍射等多种光学实验，功能多样。利用双凹透镜对激光进行扩束，还能复现高难度的“泊松亮斑”。该多功能光学教具制作简单，功能多样，方便调节，现象明显。

Graphical abstract

关键词

光的衍射 / 双缝干涉 / 双凹透镜 / 泊松亮斑 / 光学教具

传统光学演示教具J2552双缝干涉与单缝衍射观察仪体积较大且笨重，调节烦琐，稍有晃动就观察不到实验现象，因此在分组实验时学生很难观察到实验现象，教学效果差。此外，该教具能实现的功能有限，例如衍射现象中有名的“泊松亮斑”无法呈现。为解决以上问题，笔者自制了一套多功能光学教具。

1 教学用途

（1） 探究双缝干涉条纹的影响因素。

（2） 探究单缝衍射现象与缝宽、波长的影响因素。

（3） 观察小孔（圆孔、方孔、矩形孔、三角孔）衍射以及生活中的衍射（防窥膜的光栅衍射、弹簧衍射、大头针与发丝的衍射）。

（4） 演示“泊松亮斑”。

2 教具组成与制作

2.1 教具组成

铁架台，激光笔，自制扩束装置，自制磁吸式固定架与贴片（含单缝、双缝、三角孔、矩形孔、方孔、圆孔、大头针、发丝、圆盘），弹簧，防窥膜，光屏。

2.2 教具制作

受透镜组激光扩束装置启发^［1］，制作了更简单的扩束装置。由雪弗板裁切后粘连而成，一端粘有双凹透镜，另一端粘有软磁片，用来固定贴片。固定架也由雪弗板制作，中间镂空，两侧贴上软磁片，用于固定贴片。带有不同间距的双缝，不同缝宽的单缝以及各种小孔的贴片是在网上购买的，再粘上软磁片即制得。圆盘用打孔器打孔获得，再用两块载玻片将其夹住^［2］，粘上软磁片，就获得了圆盘贴片。其他贴片制作过程同理。

3 实验装置

两种装置示意图分别如图1、图2所示。

4 应用方法

4.1 探究双缝干涉的影响因素

用铁架台固定红色激光笔，将自制磁吸式遮光片粘在自制支架上，移动支架，使红色激光刚好穿过双缝，在光屏上观察衍射现象，记录条纹间距；移动光屏的位置，观察条纹间距的变化；换用不同间距的双缝，观察衍射图样的变化；换用绿色激光笔，重复实验。

4.2 探究单缝衍射的影响因素

用铁架台固定红色激光笔，将自制磁吸式遮光片粘在自制支架上，移动支架，使红色激光刚好穿过单缝，在光屏上观察衍射现象。换用不同缝宽单缝，观察衍射图样的变化；换用绿色激光笔，重复实验。

4.3 观察小孔衍射、防窥膜的衍射以及弹簧衍射

换用带有小孔的磁吸式遮光片，将其固定在支架上，移动位置，使激光刚好穿过小孔，在光屏上观察衍射图样。移开支架，让激光穿过防窥膜，观察衍射图样；换用弹簧，重复实验。

4.4 观察“泊松亮斑”

将激光扩束装置置于激光笔前，获得大直径激光束。将自制磁吸式圆盘障碍物固定在扩束装置另一端，调整圆盘位置，直至观察到“泊松亮斑”。

4.5 观察大头针、发丝的衍射

将自制的磁吸式固定大头针吸在扩束装置另一端，调整大头针位置，直到能观察到大头针衍射现象；换用自制发丝贴片，重复实验。部分实验现象见图3至图8。

5 作品改进与创新点

（1） 装置简便。原有的J2552双缝干涉与单缝衍射观察仪笨重，且组装、调节不便；本套实验装置制作简单，将挡光物制作成磁吸式贴片，方便固定与调节，学生可以自己动手制作，也可以推广应用，从而为学生分组实验打下基础。

（2） 多功能性。一套实验装置，可以完成多种实验：探究双缝干涉、单缝衍射的影响因素，观察生活中的衍射现象等。

（3） 现象明显。利用激光扩束，使得部分衍射现象更为明显，再结合信息技术手段，利用手机投屏，使得实验现象更易观察。

（4）突破难点。利用自制教具复现了“泊松亮斑”，突破了教学难点^［3］。

参考文献

[1] 杨异秉，周旭孟.基于激光扩束的泊松亮斑实验方案［J］.物理教师，2022，43（01）：54-55.

[2] 刘剑锋，朱向阳.对“泊松亮斑”实验的研究［J］.中学物理教学参考，2016，45（11）：62-64.

[3] 中华人民共和国教育部. 普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020.