光的双缝干涉

实验八 光的双缝干涉

一、 实验目的

1. 掌握如何指导学生做好光的双缝干涉实验的主要环节。

2. 分析做好该实验的要点。

3. 掌握实验仪器的结构与安装调试。

二、 实验器材

光具座（J2507型），双缝干涉实验仪（J2515型），学生电源等。

三、 仪器结构及安装调试

该实验所用光具座由铸铁支架，双圆柱导轨，滑块，透镜等零部件组成。双缝干涉实验仪的光路图如图8-1所示，结构图如图8-2所示。

图8-1 J2515型双缝干涉实验仪光路图

1.灯泡 2.照明透镜 3.遮光板 4.滤色片 5.单狭缝 6.双缝 7.光屏 8.目镜 9.出射光瞳

图8-2 J2515型双缝干涉仪

1.灯泡 2.照明透镜 3.遮光板 4.滤色片及片座 5.单狭缝及缝座 6.单缝管 7.拔杆 8.遮光管 9.接长管 10.测量头 11.游标尺 12.滑块 13.手轮 14.目镜 15.半圆形支架环整台仪器由光源及照明系统、双缝座、观察系统、测量系统（即测量头）及遮光管等主要部件组装而成。

各部件的主要结构如下：

1. 光源及照明系统

主要包括：12V /15V 的光源灯泡，由学生电源供电；照明透镜使用ｆ=50mm的双透镜；滤色片为光学玻璃片，厚度2mm，红色滤色片的峰值波长λ红=6600±100埃，绿色滤光片的峰值波长λ绿=5350±100，还有单缝等。(由于12V的灯光的强度不够大，因此本实验选用220V/50W的灯泡)

2. 双缝座

是一个圆形罩座。双缝镶嵌装在罩座中心的长方形槽孔里面，双缝中心位于罩座的轴线上，双缝采用真空镀铬工艺制作在玻璃片上，双缝中心距d;其中一块为0.250 0.003mm,另一块为0.200 0.003mm。

3. 观察系统

由毛玻璃屏（即光屏）和目镜组成。在玻璃屏上的干涉条纹可以用眼睛直接观察或用目镜放大观察

4. 测量头

测量头包括目镜、游标卡尺、分划板、滑块、手轮等。目镜可以前后移动，用以调焦，分划板上刻有分划线，其形状如图8-3所示。目镜、游尺中的游标、分划线都固定在滑座内左右移动，同时带动目镜、游标、分划板移动，在视场中可以看到分划线与干涉条纹作相对移动移动的距离可以从标尺中读出，测量头滑块的移动范围为0～20mm，游标尺的最小读数为0.02mm.

图8-3

5. 遮光管

遮光管是一根钢管，另外附有一根胶木的接长管，单缝座、双缝座、测量头等都安装在遮光管上。遮光管的轴线为干涉仪器的光轴，双缝至光屏（即划分板）之间的距离；当遮光管不加接长管时，L1=600±2mm, 当遮光管加上接长管后，L2=700±2mm。

仪器的安装与调节

双缝干涉仪是由各部件组装而成，实验时，学生要自己安装调节好仪器，做好实验及测试前的准备工作，同时通过安装与调节与调节熟悉仪器的结构、性能、。

安装步骤如下：

1. 把两个半圆形支架环等高地固定在光具座的滑块上，遮光管架在支架环上，并使遮光管的轴线与光具座的导轨基本平行。

2. 在遮光管的一端装上双缝座，并转动双缝座，使双缝基本上与水平平面垂直。然后再双缝的外面套上单缝管，双缝座固定螺钉嵌在单缝管的定位槽内，这时，单缝、双缝基本平行。

3. 在单缝前端的光具座滑块上装上照明透镜及灯泡（灯泡灯丝与单缝之间距离大约为25cm）。接通电源，点亮灯泡用两次成像法调节光源、透镜、单缝中心共轴。然后把透镜固定在离开灯丝大约5cm的地方。

4. 在遮光管的另一端安装好观察系统，慢慢地移动（左右移动）拨杆，调节单缝与双缝平行，直至看到最清晰的干涉条纹。

5. 测量单色光波长时，要卸下观察系统，安上测量头，在单缝前面加上滤色板，先调节目镜，在视场中能同时清晰地看到分划线和干涉条纹，然后绕光轴转动测量头使三垂线与干涉条纹平行，固定好测量头后即可进行观察或测量。安装好的干涉仪外观可对照图8-2。

6. 低压电源实验中采用的电源为“J1202-1型”学生电源。在实验中，如发现过载指示灯亮，表示输出电源已超过额定值，应断电源，检查过载原因，切勿让仪器在长时间的过载情况下工作。实验过程中如果发现仪器接通电源后，工作指示灯不亮，或者工作指示灯亮而无稳压输出，此时应切断电源，检查原因。

四、 实验内容

实验之前，应首先按图8-2所示的仪器外形图，结合实物熟悉各个部件名称、结构、作用，按照前面所述的“仪器的安装与调节”安装调节好实验仪器。在这一过程中结合你自己的实践总结出指导中学生做该实验时，在安装调节仪器中的操作要领与应该注意的事项。

1.观察白光的干涉现象

用白炽灯做光源，调节好仪器后，接通电源，即可用光屏和目镜观察到干涉现象（若用测量头观察时，游标读数调节在10mm左右）；在视场中可以看到彩色的干涉条纹，彩色的排列以零级亮条纹为中心左右对称。在第一级亮条纹中，红色在最外侧。

2.观察单色光干涉现象

在观察到白光的干涉条纹之后，在单缝前面依次加上红色或绿色滤色片。即可以看到红黑相间或绿黑相间的干涉条纹，观察中你会发现：在实验装置相同的条件下（即仅是改变滤色片，仪器的各个部分均不改变）之下，红色光的干涉条纹间距与绿色光干涉条纹间距不同，哪个宽？为什么会有这种现象？

3.测量单色光的波长

当仪器安装调节完毕，装好所要测定的单色光（红光或绿光）的滤色片，即可进行测量。首先，转动测量头上的手轮，把分划线对准最左边的一条干涉亮条纹或暗条纹，记下它在游标卡尺上的读数X1。然后，转动左手轮，把分划线移向右边，对准第n条干涉亮条纹或者暗条纹，一般n取值在5～7左右，此时记下游标尺的读数Xn,如图8-4所示。最后可计算出相邻两条亮条纹或暗条纹之间的距离为：

所以待测单色光的光波波长为

请参阅教材，导出上述公式。式中d为双缝中心距离，其数值刻在双缝座上，安装时注意记下d的数值。 为双缝至屏（即分划板）之间的距离，当遮光 管未加接长管时λ=600mm。

图8-4

为了减少误差，X1、Xn的读数应当重复测量几次，计算时 取其平均值。

另外要注意，分划线对准干涉条纹时，应把干涉条纹嵌在其中两根分划线之间，若干涉条纹较宽时，可按图8-5（a）的方法嵌入，若干涉条纹比较窄，要按图8-5（b）的方法嵌入。

实验时对同一单色光应依次改变双缝中心距d(即改换双缝)，改变双缝至屏之间的距离l，再进行分析在各种条件之下产生误差较小或较大的主要原因，研究在现有的条件下，怎样尽量减少测量误差。然后，改换单色光（即换装滤色片），重复上面的测量。

图8-5

注意事项

1. 仪器中各个部件不经允许不得随意拆开。

2. 滤色片，双缝及单缝如落有灰尘及污点，应用擦镜纸或干净的软布轻轻揩擦。

3. 双缝座，测量头及接长管安装到遮光管上时要装到底，即定位阶梯紧密接触，否则会使l变大，影响实验结果。

4. 接通电源之前，电源电压要放到最低档，然后逐档升高到额定电压，切不可一开始通电就放在额定电压档，否则会把学生电源的次级保险丝烧断。

五、实验数据

1、L=600mm ,d=0.20mm ,红光 

=6.42mm，与标准偏差180nm

2、L=600mm ,d=0.20mm ,绿光

=5.56mm，与标准偏差210nm

3、L=600mm ,d=0.25mm ,红光

=6.51mm，与标准偏差90nm

4、L=700mm ,d=0.25mm ,红光

=6.49mm，与标准偏差110nm

六、对实验的思考改进

1.取消聚光透镜

聚光透镜虽然能对光线起到一定的会聚作用，但效果不理想。因为灯泡到透镜的距离等于透镜的焦距，灯泡发出的光只有一小部分进入透镜，会聚后通过滤光片和单缝的就更少了。所以看到的干涉条纹亮度不足，难以进行测量。灯泡发出的光是向四面八方发散的，距离越远，光的强度就越弱。为了尽量增加照射到单缝上的光的强度，在实验中取消了灯泡与单缝之间的聚光透镜，把灯泡尽量向单缝靠近。或者在灯泡和遮光管之间接一段不透明的管子，加强灯泡光照到单缝的强度。

2.采用激光笔作光源

为了进一步增加照射到单缝上的光的强度，考虑用激光作为光源。但这种方法只能用来研究红光的干涉。

3.用直灯丝灯泡作光源

这样经过聚光透镜后形成一条直线直接打到单缝上，提高入射光强度。

4.调节单双缝平行的调节杆操作起来不太方便，是否可以在遮光筒上装个精密调节旋钮之类的装置来实现单双缝的平行调节，这个有待研究。