自制“泊松亮斑”实验仪器

摘要

总结出“泊松亮斑”实验在课堂上演示成功的关键环节：首先要选取合适的光源，激光光源是最理想的选择；其次可通过凹透镜让激光光路有一定的发散；最后是制作、选取以及固定圆屏的方法。将激光笔、凹透镜和“泊松亮斑”片固定在亚克力圆管上，自制了一套“泊松亮斑”演示实验仪器，介绍了仪器的制作材料、制作过程和使用方法等。

Graphical abstract

关键词

泊松亮斑 / 激光笔 / 凹透镜 / 光源 / 衍射

“泊松亮斑”是人教版普通高中教科书物理选择性必修第一册第四章第5节光的衍射中的重要内容^［1］。很多教师对“泊松亮斑”实验进行了深入的研究。笔者通过关键词“泊松亮斑”在知网搜索到100多篇论文，研读了其中与中学物理实验相关度较高的50多篇论文。总结出“泊松亮斑”实验要能在课堂上演示成功的几个关键环节：第一，光源的选取，随着激光的发明，近几十年光源已经不再是问题。第二，通过凹透镜让激光光路有一定的发散。第三，圆屏的制作和固定。圆屏的制作有很多种方法，如李兆顺^［2］采用小钢珠作为圆屏，用磁铁和大头针悬挂法固定小钢珠；詹顺凤^［3］在薄玻璃片上滴墨自制圆屏；李俊丽^［4］在薄玻璃上用胶水粘小钢珠自制圆屏；张云阶^［5］使用大头针和漆包线自制圆屏等。文献中的设计和制作，都能观测到比较好的“泊松亮斑”实验现象，然而大部分实验的操作都比较麻烦，课堂上进行演示实验需要耗费太多的时间。基于此，笔者将激光笔、凹透镜和“泊松亮斑”片固定在亚克力圆管上，自制了一套“泊松亮斑”实验仪器，实验装置轻便、美观，实验操作简单、效果明显。

1 实验装置及制作材料

（1） “泊松亮斑”实验仪器装置如图1所示，由激光笔、凹透镜、“泊松亮斑”片及其固定装置等组成。

（2） 制作材料及工具：激光切割机、亚克力板、亚克力管（内径49 mm，外径55 mm，长300 mm）、凹透镜、激光笔、“泊松亮斑”片、502胶水等。

2 制作步骤

（1） 用激光切割机将3 mm厚的亚克力板按照图2所标尺寸切割。

（2） 激光笔固定装置。将5个外径为49 mm、内径为21.5 mm的圆环用502胶水粘在一起，将激光笔插入小圆孔中，如图3所示，激光笔的直径与内圆直径相同，正好卡紧。

（3） 凹透镜固定装置。将3个外径为49 mm、内径为30 mm的圆环用502胶水粘在一起，并将直径为30 mm、焦距为75 mm的凹透镜卡在小圆环中。如图4所示。

（4） “泊松亮斑”片固定装置。将3块外边为长方形、中间直径为55 mm的圆环亚克力板，外边为长方形、中间为小长方形板，两条小长方形板，以及外边为长方形、中间为3个小长方形板从下往上依次叠在一起并用502胶水粘贴好，如图5所示。

（5） 仪器组装。将凹透镜及固定装置插入亚克力圆管中，距离右端约100 mm，将“泊松亮斑”片固定在固定装置上并卡在亚克力圆管的左端，将激光笔固定装置插入亚克力管的右端并靠近边沿位置，将外边为长方形、中间直径为55 mm的圆孔板卡在亚克力圆管的外径上作为支架，仪器即组装完成，如图1所示。

3 实验仪器的使用

打开激光笔，让激光光源正对“泊松亮斑”片上直径为2.0 mm的小黑圆，观察此时的“泊松亮斑”实验现象。移动“泊松亮斑”片，让激光正对直径为1.5 mm的小黑圆，观察此时的“泊松亮斑”实验现象。移动“泊松亮斑”片，让激光正对直径为1.0 mm的小黑圆，观察此时的“泊松亮斑”实验现象。观测到的实验现象如图6所示，从以下3种图案可以看出，该实验不仅可以观测到黑圆的“泊松亮斑”，还可以观测到黑色标注2.0、1.5、1.0字样的衍射现象。同时，黑圆直径越小，衍射圆环更明显，亮斑更亮。

4 实验仪器的优点

该实验仪器具有轻便、美观、操作简单等特点，能够在课堂上顺利进行“泊松亮斑”实验演示。通过实验观察，可以发现衍射现象与黑圆直径的关系，进一步加深对光衍射的理解。

5 结语

将“泊松亮斑”实验与物理学史相结合，以此激发学生的学习兴趣，提高教学质量。在关于光的“微粒说”与“波动说”之争中，“泊松亮斑”为“波动说”提供了坚实证据，如果将该实验在课堂上展示出来，配合物理学史的叙述与讲解，既能很好地激发学生的学习兴趣，调节学习氛围，也能加深学生对衍射这一概念的理解^［6］。

参考文献

[1] 人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中教科书物理选择性必修第一册［M］.北京：人民教育出版社，2019.

[2] 李兆顺.泊松亮斑演示［J］.物理教师，1994（Z1）：34.

[3] 詹顺凤.泊松亮斑与圆孔衍射的实验演示［J］.实验教学与仪器，2004，21（07）：53-54.

[4] 李俊丽.巧妙演示泊松亮斑［J］.物理通报，2008（12）：55.

[5] 张云阶.室内用大圆盘演示泊松亮斑一法［J］.实验教学与仪器，1994，11（Z1）：20.

[6] 沈卫.泊松亮斑的实验演示与教学启示［J］.物理教学探讨，2021，39（04）：53-56.

基金资助

湖南省教育科学“十四五”规划2021年度省级一般课题“新教材背景下高中物理实验教学数字化实践研究”(XJK21CJC010)