双缝衍射现象的实验研究

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２８卷第４期　物　理实　验　ＶｏＩ．２８　Ｎｏ．４　Ａｐｒ．，２００８　２００８年４月　ＰＨＹＳＩＣＳ　ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＴＩＯＮ　双缝衍射现象的实验研究　刘　燕，耿书娟，周　岚　（扬州大学物理科学与技术学院，江苏扬州２２５００２）　摘　要：双缝衍射是指被单缝衍射调制的双缝干涉现象．以定性分析双缝衍射光强分布为基础，对双缝衍射实验过　程中出现的各级明条纹中心的光强并不相等，且包络内中间光强并不是最大的现象作了深入分析和研究，并指出这些现　象出现的原因．　关键词：双缝衍射；光强分布；夫琅禾费衍射　中图分类号：０４３６．１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５—４６４２（２００８）０４—００３卜Ｏ３　１　引　言　杨氏双缝干涉实验是物理学中的基本实验之　一双缝衍射是指一种被单缝衍射调制的双缝干　涉或２束单缝衍射光的相干叠加．对于夫琅禾费　双缝衍射实验的光强分布情况，许多文献都已做　过详细的探讨，这里不再赘述．　．根据光的干涉理论，单色光通过双缝形成的　干涉图样应为明暗相间的直线形条纹，且各级亮　图２为双缝衍射实验的示意图，其中缝宽为　ｂ，双缝中心间距为ｄ．当平行光垂直入射在２个　纹中心强度相等，相邻亮纹等间距口］．而实验中，　往往测得的双缝干涉光强分布曲线与理论曲线存　在较大差异：各级明纹中心的光强并不相等，中心　最强ｌ２］．近年来，很多文献对双缝衍射的光强分　等宽的双缝时，由于两狭缝的衍射光束的相互干　涉，使衍射图样的主最大区域和次最大区域内分　裂出等宽度的双缝干涉条纹，单缝衍射光强的分　布曲线构成双缝衍射极大值的包络线，如图１所　示（　一１０ｂ）［引．　布进行了理论探讨，笔者在实验时发现了一些与　理论上存在差异的实验现象．本文主要从实验的　角度对双缝衍射现象做进一步的研究与探讨．　２理论分析　在发生双缝干涉的同时，光通过单缝还要发　生衍射，所以双缝干涉要受到单缝衍射的影响．　因此实际上杨氏双缝实验中得到的应是双缝衍射　图样，其强度分布如图１所示嘲．　１．０　图２夫琅禾费双缝衍射实验　０　－０．２　．ｏ　１　０　０．１　０．２　０．３　工　一４４　Ａ　——　——（孚ｓｉ　　ｃｏｓ　，罢，２　　图１双缝衍射相对光强分布　收稿日期：２００７一ｏ９－１４；修改日期：２００７一ｌｌ—Ｏ８　作者简介：刘　燕（１９８４一），女，江苏盐城人，扬州大学物理科学与技术学院２００６级物理课程与教学论方向研究生．　指导教师：周岚（１９５９一），女，江苏姜埝人，扬州大学物理科学与技术学院副教授，研究方向为材料性能及物理课程与　教学论．　维普资讯 http://www.cqvip.com

３２　物理实验　第２８卷　其中　为每一缝上下两端点所发光波到达　２）激光与双缝之间增加一单缝，单缝距光源　３２　ｃｍ．在传统的杨氏双缝干涉实验中，光源是先　经过单缝后再通过双缝．这样可以保证透过双缝　为两缝对应点所发光波到达屏幕上考察　的２列子波来自光源的同一波面，即保证２束光　是相干的．而通常认为激光的相干性好，因此实　验时常不用单缝而直接照射双缝．　一…鹾　点所产生的相位差’商因子，ｃＯＳ２　称为双缝干涉因子．　…一　称为单缝衍射　但严格来讲，激光仍属于扩展光源．为此，在　激光与双缝之间加一单缝进行了几组实验发现，　３）以激光为光源，在双缝前加单缝，双缝后加　焦距为１９　ｃｍ凸透镜，探测器在透镜的焦平面上．　仍然出现两边光强略　于中间值的情况．　图１中的光强分布是夫琅禾费双缝衍射的结果．　它要求观察点和光源距双缝都是无限远．而上述　实验中，单缝到双缝以及双缝距屏的距离为有限　远，因此光波通过两狭缝发生的衍射从理论上讲　应该是菲涅耳衍射［２］，而非夫琅禾费远场衍射．　为此，在双缝前后分别加单缝和凸透镜，进行　探测器　观察，得到相对光强分布如图５所示，中间峰值最　大，完全符合夫琅禾费双缝衍射的光强分布趋势．　因此，可以确定，出现两边峰值比中间大的现象的　原因，与它不是夫琅禾费衍射有关．　图３实验装置示意图　３．２实验结果与讨论　１）激光直接照射双缝，如图３所示，通过调整　装置中双缝和探测器距离进行多次测量，得到图　４所示的相对光强分布图．　４０　３Ｏ　８　６　ｘ／ｍｍ　２Ｏ　图５双缝衍射相对光强分布图２　１Ｏ　从上面的分析可以发现，即便是激光且观察　屏放得离双缝较远（８０　ｃｍ），省略双缝后透镜的装　一　。　Ｏ　置仍不符合严格的夫琅禾费单缝衍射条件．　ｘ／ｍｍ　４）激光直接照射双缝，在双缝后加凸透镜．　从上面的实验可发现，出现两边光强值大于中间　光强现象的原因与它不是严格的夫琅禾费衍射有　关．为研究光源对实验是否有影响，笔者又在实　验３）的基础上去掉了双缝前的单缝，仅留双缝后　的凸透镜（以保证观察点无限远），用激光直接照　图４双缝衍射相对光强分布图１　对比双缝衍射的理论曲线发现，实验所得曲　线整体上符合双缝衍射图样的趋势，即衍射包络，　包络内是干涉条纹．但是，仔细观察发现中间光　强并不是最大，相对的两边光强比中间略高．　射双缝，实验发现：不加单缝，得到的相对光强分　维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期　刘燕，等：双缝衍射现象的实验研究　３３　布图仍与图４相似，即两边相对光强大于中间光　强．可见，这一现象的出现也与光源有关．　的距离为１　ｍ左右）来测定的光强分布，所得结　果的误差较大．因此建议该实验可以另设置选做　部分，让有兴趣的同学观察放置透镜后的光强分　布趋势，从而进行比较，给学生直观的印象．　综上所述，双缝衍射实验的光强分布主要受　光源、光学仪器分辨能力影响，因此实验上想要得　到理想的双缝衍射图样，必须符合夫琅禾费衍射　的条件．当然，实验过程还受到探测器、环境等因　素的影响，因此实验时需进行多次的重复测量，综　合考虑各因素的影响，尽可能地减小实验误差．　参考文献：　［１］姚启钧．光学教程［Ｍ］．３版．北京：高等教育出版　社，２００２：１１２—１３０．　［２］赵升频．杨氏双缝干涉实验条纹光强分布Ｉ－Ｊ］．重　４　结　论　物理实验中常将激光看作理想的相干光源，　但从上面的分析可知，虽然激光的方向性好，光束　庆工学院学报，２００６，２０（２）：１１７—１１８．　［３］　郭悦韶．运用仿真技术讨论夫琅和费双缝衍射现象　［Ｊ］．三明学院学报，２００６，２３（４）：３８５—３８８．　［４］童菊英，曾平飞．浅析双缝干涉和双缝衍射Ｉ－Ｊ］．台　州学院学报，２００２，２４（３）：４４—４７．　细锐，但严格来讲，它仍属于扩展光源，而扩展光　源照射下的双缝干涉只是属于部分相干干涉，其　光强的分布与完全相干的情况还是有差异的．　另外，虽然探测器离双缝较远（１　ｍ左右），但　［５］周岚．大学物理实验［Ｍ］．苏州：苏州大学出版社，　２００６：１４８—１５２．　［６］徐娌梅，郑飞跃，黄曙江．用激光单缝衍射实验仪做　扩展实验［Ｊ］．物理实验，２００７，２７（６）：４２—４３．　整个装置仍不严格符合夫琅禾费远场衍射的条　件．因此在很多学校均开设的“单缝衍射的光强　分布和缝宽的测定”实验中［５］，省略聚焦透镜，仅　将观察屏放在单缝较远处（实验中屏到单缝之间　［７］康智慧，姜云，高锦岳．光的干涉衍射综合实验仪　－ＩＪ］．物理实验，２００６，２６（３）：３４—３８．　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｏｆ　ｄｏｕｂｌｅ　ｓｌｉｔ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　ＬＩＵ　Ｙａｎ，ＧＥＮＧ　Ｓｈｕ—ｊｕａｎ，ＺＨＯＵ　Ｌａｎ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ　２２５００２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｏｕｂｌｅ　ｓｌｉｔ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｄｏｕｂｌｅ　ｓｌｉｔ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ　ｍｏｄｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　ｓｉｎｇｌｅ　ｓｌｉｔ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｉｇｈｔ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｏｕｂｌｅ　ｓｌｉｔ　ｄｉｆ—　ｆｒａｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｍｅｎｔ　ｐｈｅｎｏｍｅｎａ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｌｉｇｈｔ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｒｉｎｇｅ　ｃｅｎｔｒｅｓ　ａｔ　ａｌｌ　ｌｅｖｅｌｓ　ａｒｅ　ｎｏｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ，ａｎｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｅｎｔｒａｌ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｎｖｅｌｏｐｅ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｔｈｅ　ｓｔｒｏｎｇｅｓｔ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｓｉｓｅｄ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．　Ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎｓ　ｆｏｒ　ｔｈｏｓｅ　ｐｈｅｎｏｍｅｎａ　ａｒｅ　ｐｉｏｎｔｅｄ　ｏｕｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｏｕｂｌｅ　ｓｌｉｔ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ；ｌｉｇｈｔ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；Ｆｕａｕｎｈｏｆｅｒ　ｄｉｆｆｒａｔｉｏｎ　［责任编辑：郭伟］