專利名稱：雙縫干涉模擬儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本儀器屬于光學(xué)教學(xué)儀器，它用于大學(xué)物理教學(xué)，是學(xué)生做光的干涉實(shí)驗(yàn)的器材。
通常，傳統(tǒng)的雙縫干涉儀是通過許多光學(xué)器件(如單色光源，透鏡，雙縫，測(cè)微目鏡等)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其設(shè)備較復(fù)雜，價(jià)格也較貴。普遍使用(特別是廣大的中學(xué)與中專)，目前尚有困難。
用同心圓弧表示波峰、波谷及疊加后的干涉圖象，是通常的表達(dá)方法。在國(guó)內(nèi)的一些大學(xué)物理或光學(xué)教材中有所采用。如《物理》下冊(cè)南京工學(xué)院編；國(guó)外教材《大學(xué)物理》第四冊(cè)F.Sears著中譯本惲英譯等。但這些教材上的圖只是個(gè)示意圖。既缺乏完整，又不準(zhǔn)確，是個(gè)固定的圖象，不能用來(lái)作實(shí)驗(yàn)演示，更不能作定量測(cè)量。
本儀器的目的是要提供一種新的雙縫干涉的裝置，既能定性演示，又能定量測(cè)量，而價(jià)格低廉，利于普及推廣。本儀器采用模擬的方法，演示光波的干涉；定量驗(yàn)證楊氏干涉(雙縫)的公式，驗(yàn)證明紋，暗紋間距公式，驗(yàn)證明紋方程和暗紋方程；演示衍射光柵原理；定量測(cè)定最大干涉級(jí)數(shù)。
本儀器的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本儀器則通過用波帶片模擬光波，再通過疊加，模擬雙縫干涉，從而進(jìn)行上述的那些實(shí)驗(yàn)。
本儀器裝置可分為幾部分，它們是干涉成象裝置，調(diào)節(jié)平移裝置和光源照明裝置三部分。
干涉成象裝置系波帶片及其固定裝置所組成。波帶片用明暗象間的同心圓模擬點(diǎn)光源所發(fā)出的光波。它有兩類一類是半波長(zhǎng)的波帶片，用明，暗圓弧的不同寬度表示不同的波長(zhǎng)。本儀器中有兩種，分別模擬的波長(zhǎng)為λ＝1.2mm和λ＝1.5mm。這一類表示法在國(guó)內(nèi)書刊中未曾見過。另一類是以實(shí)線，虛線圓弧表示光波波峰與波谷，這是常見的表示方法(如前文所述)。現(xiàn)制成透明的波帶片，不僅準(zhǔn)確，可以作定量測(cè)量，而且通過照明，形象直觀明顯。用兩片疊加后，可觀察到明暗相間的條紋。通過調(diào)節(jié)模擬光源間的距離，可看到干涉條紋的變化。同時(shí)，為了觀測(cè)記錄，在波帶片上印有標(biāo)尺，可直接讀出數(shù)據(jù)，而不必另用直尺。這種模擬是分波陣面法而產(chǎn)生的干涉，籍助片上的標(biāo)尺，可以讀出干涉條紋中明紋和暗紋離開中心位置的距離，明紋或暗紋的間距。從而驗(yàn)證楊氏雙縫公式(1)和間距公式(2)明紋位置X＝ (KLλ)/(d) k＝0，1，2...，n (1)暗紋位置X＝ ((2K＋1)Lλ)/((2d)) k＝0，1，2，...，n明暗紋間距Δλ＝ (Lλ)/(d) (2)調(diào)節(jié)平移部分(裝置)系一滑動(dòng)機(jī)構(gòu)和夾緊波帶片裝置。它的作用是調(diào)節(jié)模擬點(diǎn)光源的距離，帶著一波片，并使它作嚴(yán)格的平行移動(dòng)。使兩模擬點(diǎn)光源的連線平行于模擬屏。從而驗(yàn)證公式(1)，(2)中，由于d不同而引起明紋，暗紋位置X變化和明紋或暗紋間距△X的變化。
光源照裝置分是為了給干涉成象提供一明亮而均勻的照明，為此采用了熒光燈和乳白玻璃。用熒光燈是為了減少發(fā)熱，提高發(fā)光效率，這樣既增強(qiáng)了干涉成象的照度，又使儀器箱內(nèi)的溫度不高，同時(shí)熒光燈又能產(chǎn)生較柔和的光線，光線再通過乳白玻璃，變成漫透射，使照明較為均勻。另外在光源箱內(nèi)涂有增強(qiáng)反光的涂料，進(jìn)一步提高照明的均勻度。這樣在乳白玻璃面上成為一發(fā)出白色熒光的面光源。
本儀器跟傳統(tǒng)的雙縫干涉儀相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)1.形象直觀，展示了光波的干涉過程和干涉的明紋，暗紋位置。傳統(tǒng)的儀器，只能在屏上觀察到干涉的最終結(jié)果，而屏以前的干涉過程就無(wú)法觀察到。
2.能進(jìn)行多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，一儀多用。除了跟傳統(tǒng)儀器一樣能驗(yàn)證楊氏干涉公式和明，暗紋間距公式外，還可以驗(yàn)證明紋方程和暗紋方程，測(cè)定最大干涉級(jí)數(shù)和定性觀察光柵原理的現(xiàn)象。
3.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。由于完全不用傳統(tǒng)的光學(xué)器件，免除了昂貴的費(fèi)用，使成本大大降低，便于更多的大學(xué)，大專和高級(jí)中學(xué)采用和推廣。
4.使用方便，操作易學(xué)。不須暗室，在一般教室中就能做。學(xué)生掌握使用容易，且可幾人同時(shí)觀測(cè)，利于討論研究。而傳統(tǒng)儀器則無(wú)能為力。
下面結(jié)合圖象介紹本儀器的實(shí)施。


圖1是本儀器的總裝配立體圖。下面結(jié)合
圖1詳細(xì)說(shuō)明本儀器的具體裝置的細(xì)節(jié)，各部分聯(lián)接，用途和實(shí)施的辦法。
(2)，(3)，(4)，(5)組成調(diào)節(jié)平移裝置，平移裝置架(2)(見圖2)用螺栓固定在熒光面板(6)上?；瑒?dòng)機(jī)構(gòu)(4)(見圖4)，其內(nèi)部有一基準(zhǔn)面，(4)與平移裝置架用螺栓聯(lián)接后，其基準(zhǔn)面為一豎直平面，與熒光面板所在平面垂直；與基準(zhǔn)面相吻合的滑塊，可在基準(zhǔn)面上滑動(dòng)，滑塊上有一拔叉伸出槽外，從滑紐(5)中的小方孔穿過，并連成一體，最后與夾緊裝置(3)(見圖3)固定連接。夾緊裝置由有間隙的兩薄片構(gòu)成，兩薄片在一側(cè)面相連，并在其中較大一片的間隙處貼一層膠布，使最終的間隙寬度為0.2mm，以便夾緊活動(dòng)波帶片。夾緊裝置上劃有標(biāo)記線，它與基準(zhǔn)面相平行?；~(5)(見圖5)是滑塊拔叉上分出的垂直分叉，當(dāng)手驅(qū)動(dòng)滑紐時(shí)，能帶動(dòng)夾緊裝置(3)作水平移動(dòng)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)平移活動(dòng)波帶片的目的。
干涉成象裝置的位置(8)是用虛線表示的。它由固定波帶片及其固定裝置和活動(dòng)波帶片組成。固定裝置為一薄透明有機(jī)玻璃片，把固定波帶片貼在上面，并保證它有準(zhǔn)確的位置，即確保片上標(biāo)記線AA與滑動(dòng)機(jī)構(gòu)中的滑動(dòng)面平行。只要按照規(guī)定安裝固定片就能滿足上述要求?；顒?dòng)片的固定方法是片上標(biāo)記線AA與調(diào)節(jié)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)中夾緊活動(dòng)片的標(biāo)記線重合時(shí)，就能保證活動(dòng)片在平移時(shí)，其標(biāo)記線AA始終與滑動(dòng)機(jī)構(gòu)中的滑動(dòng)平面相平行。從而滿足了固定片與在不同位置時(shí)，其標(biāo)記線AA始終重合，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)要求。
(1)，(6)，(7)是光源照明裝置的外觀部分。箱體(1)，箱體上放置一塊用白色有機(jī)玻璃制成的熒光面板(6)，面下有熒光燈及電器電路(見圖9)，琴式開關(guān)(7)，控制電路的通斷。
圖6的干涉成象圖，明顯地呈現(xiàn)出明暗相間的輻射狀區(qū)域，明區(qū)表示干涉加強(qiáng)區(qū)，暗區(qū)表示干涉減弱區(qū)，標(biāo)記線BB相當(dāng)于光屏的位置，BB線上的明處與暗處相當(dāng)與雙縫干涉的明紋與暗紋的位置。在測(cè)量時(shí)，都從明處與暗處的中間量起。測(cè)出明紋與暗紋離開中X間位置的距離可以驗(yàn)證公式(1)，測(cè)出明、暗紋的間距可以驗(yàn)證公式(2)。用手驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)紐，調(diào)節(jié)兩模擬縫的距離，則可驗(yàn)證公式(1)，(2)中x∝ 1/(d)△x∝ 1/(d)換用不同的模擬波長(zhǎng)的波帶片，可驗(yàn)證公式(1)，(2)中x∝λ，△x∝λ。
圖7的干涉圖象，是用兩片以實(shí)線和虛線表示的波帶片疊加后所得的干涉圖象。其模擬縫寬為50mm。把屬于同一級(jí)的明紋都用實(shí)線聯(lián)起來(lái)，稱為明紋軌跡。把屬于同一級(jí)的暗紋都用虛線聯(lián)起來(lái)，稱為暗紋軌跡。在明紋軌跡上選幾個(gè)點(diǎn)，測(cè)出其x、y座標(biāo)，可與明線方程y=kλ2[1+x2(d2)2-(kλ2)2]12,]]>k＝0，1，2，...(3)算出的理論值相比較，從而可以得到驗(yàn)證。同理，可以驗(yàn)證暗紋方程。
y=(2k+1)λ4[1+x2(d2)2-(kλ2)212,]]>k＝0，±1，±2，...(4)圖8是相同的波帶片重疊，它們的圓心相隔等距時(shí)所模擬的三縫干涉圖象?？汕宄乜闯鲈趦善^大的明區(qū)中還有一小片明區(qū)。這是模擬在兩個(gè)主極大間中夾有一個(gè)次極大，且主極大的區(qū)域變窄。如果用更多波片重疊，則在兩個(gè)主極大間的次極大也愈多。且次極大的亮度也愈弱，主極大的區(qū)域也就愈窄。波帶片數(shù)多到次極大的亮度趨于零時(shí)，在很亮很窄的主極大中，有很寬的一片暗區(qū)。這就是多縫干涉或衍射光柵的原理。
最大干涉級(jí)數(shù)KMax可按定義求出。取小于 (d)/(λ) 的正整數(shù)為KM，即Km＜ (d)/(λ) 。而干涉條紋的等距條件為實(shí)際干涉級(jí)數(shù)K滿足K＜＜KMax從圖6和圖7可以明顯看出，圖6干涉條紋間距的均勻性比圖7好。
圖6，KMax＝7，實(shí)際取K＝3。在3級(jí)以內(nèi)，則干涉條紋是等距的。滿足K與KMax差大。
圖7，KMax＝4，實(shí)際取K＝2，在兩級(jí)以內(nèi)，明、暗紋干涉條紋間相差較大。這就是K與KMax差小。不滿足干涉條紋等距的條件。
圖9是光源照明裝置電路圖和外觀圖。
圖10是無(wú)標(biāo)尺波帶片，模擬的波長(zhǎng)λ＝1.2mm。
圖11是帶標(biāo)尺波帶片，模擬的波長(zhǎng)λ＝1.5mm。
圖12是帶標(biāo)尺波帶片，模擬的波長(zhǎng)λ＝10mm。
權(quán)利要求1.一種雙縫干涉模擬儀，可做模擬和觀測(cè)雙縫干涉的裝置，本裝置包括發(fā)出白色熒光的面光源，置于面光源上的干涉成象裝置，保證成象裝置可移動(dòng)部分能平移的調(diào)節(jié)平移裝置；其特征是干涉成象裝置系采用模擬光波的波帶片疊加而產(chǎn)生干涉有裝置，模擬在空間和光屏上產(chǎn)生明暗相間的干涉分部；調(diào)節(jié)平移裝置由平移裝置架，固定于該架中的滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，與滑動(dòng)機(jī)構(gòu)中的滑塊相聯(lián)的夾緊裝置和調(diào)節(jié)夾緊裝置位置的滑紐組合而成，通過調(diào)節(jié)滑紐，可移動(dòng)夾緊裝置，帶動(dòng)夾在其中的活動(dòng)波帶片，可得不同的雙縫間距，觀察到不同的干涉分布，并能作定量測(cè)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙縫干涉模擬儀，其特征是干涉成象裝置為一固定的波片，與另一活動(dòng)的波帶片，它們重疊時(shí)，產(chǎn)生干涉分布，波帶片的圓弧線的寬度為模擬光波的半波長(zhǎng)，固定片有標(biāo)尺，活動(dòng)片不帶標(biāo)尺，并都有定位標(biāo)記。
3.如權(quán)利要求2所述的雙縫干涉模擬儀，其特征是用實(shí)、虛圓弧線表示波峰，波谷，用實(shí)虛曲線模擬干涉加強(qiáng)，減弱的位置，并印有標(biāo)尺，可供測(cè)量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙縫干涉模擬儀，其特征是調(diào)節(jié)平移裝置為一滑動(dòng)式平移機(jī)構(gòu)，當(dāng)手驅(qū)動(dòng)滑紐時(shí)通過本裝置帶動(dòng)活動(dòng)的波帶片平移，平移后確保波帶片上的AA標(biāo)記線和BB線仍然與固定的波帶片上相應(yīng)部分重合，滑動(dòng)平移機(jī)構(gòu)的基準(zhǔn)面為一豎直平面，固定的波帶片上的標(biāo)記線AA與其相平行，與基準(zhǔn)面相吻合，并可滑動(dòng)的滑塊，有水平及垂直兩個(gè)分叉，水平分叉與波帶片的夾緊裝置相連，垂直分叉與滑紐相連。
5.如權(quán)利要求4所述的雙縫干涉模擬儀，其特征是滑動(dòng)式平移機(jī)構(gòu)與活動(dòng)波帶片之間的夾緊裝置，該裝置能夾住活動(dòng)的波帶片，并使其作平移，該裝置由相距0.2mm的兩薄片構(gòu)成，兩片在一側(cè)面相連，并在一片上貼一層膠布，以便夾緊和增大摩擦力，在裝置上劃有標(biāo)記，以便使活動(dòng)波帶片AA線與基準(zhǔn)面相平行。
專利摘要一種雙縫干涉儀，屬物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器，用模擬法完成楊氏雙縫干涉等五項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。本實(shí)用新型由干涉成象裝置、調(diào)節(jié)平移裝置和光源照明裝置組成，干涉成象裝置由疊加的波帶片構(gòu)成，調(diào)節(jié)平移裝置由平移裝置架，固定于該架中的滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，夾緊裝置和調(diào)節(jié)其位置的滑紐組成。光源照明裝置由熒光燈，乳白玻璃構(gòu)成，為干涉成象提供一柔和而均勻的照明。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是形象直觀，一儀多用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需暗室，成本低廉，便于推廣。
文檔編號(hào)G09B23/00GK2055282SQ8820544
公開日1990年3月28日 申請(qǐng)日期1988年5月16日 優(yōu)先權(quán)日1988年5月16日
發(fā)明者程復(fù)興 申請(qǐng)人:程復(fù)興