跳到主要内容
返回项目

光与光学

卧室墙上的双缝实验

在黑纸上割出两道缝,让激光穿过去,得到那个曾让物理学家认定光是波的条纹图案。然后用这些条纹,量出一个尺子根本放不上去的间距。

困难 · 2小时

卧室墙上的双缝实验

简介

两道缝、一束激光、一面墙。如果光只是一串小小的子弹,你会预期看到两道亮条纹,每道缝后面各一道。但你得到的不是两道,而是一整排,间隔均匀,中间夹着黑暗的空隙。

这是物理学中被重复得最多的实验,而你卧室墙上的这个版本就是同一个实验。难的地方不在物理,而在于把两道缝割得足够近。

原理说明

从两道缝出发的波,在到达墙上每一点时所走过的距离略有不同。当这个差值恰好是波长的整数倍时,两列波对齐并相加,形成一道亮条纹;当它是半个波长时,两者相消,留下黑暗。这就是干涉,而只有波才会这样。条纹的间距,通过一个简单的关系式与光的波长和两缝的间距联系在一起,这意味着你可以反过来用它:测量相隔几毫米的条纹,算出一个根本无法直接测量的缝间距。

分步说明

  1. 1

    把黑纸平整绷紧地贴在卡纸的窗口上并用胶带固定。先把它举到灯前看一看:如果光能透过纸本身,条纹就会被冲淡,你需要换更不透光的材料。

  2. 2

    在大人协助下,在黑纸上割出两道笔直平行的缝,长约1厘米。把刀片靠着尺子,一次拉过去。两道缝要尽可能靠近,远小于一毫米。

  3. 3

    把卡纸架好,让激光同时穿过两道缝,并继续射到至少3米外的墙上。所有东西都用胶带固定,因为卡纸一旦移动,测量就作废了。

  4. 4

    把房间弄暗。由大人把激光对准两道缝射过去。调整到你看见的是一排点或条纹,而不是一团光斑。只看到一团,说明要么两缝相距太远,要么光束只穿过了其中一道。

  5. 5

    以米为单位量出黑纸到墙的距离并记下来。把它叫做 L。

  6. 6

    在墙上,一次性量过尽可能多的条纹,从第一条中心量到最后一条中心,然后除以你数到的间隔数。这个平均值就是你的条纹间距 y。一次量好几条,正是让结果准确的关键。

  7. 7

    计算两缝间距:d 等于波长乘以 L,再除以 y。红色激光笔大约是650纳米,也就是0.000000650米。你的答案应该落在零点几毫米的量级上。

先看这个

同一套装置的家庭版演示。在动手割缝之前值得先看一遍,好知道墙上真正成功的图案应该是什么样子。视频为英文。

条纹测量

在不动任何东西的前提下,把同一个图案测量三次。如果三个答案对不上,问题出在测量上,而不是物理上。

次数到墙的距离 L (米)一次量了几条总宽度 (毫米)条纹间距 y (毫米)算出的 d (毫米)
行 1, 次数行 1, 到墙的距离 L (米)行 1, 一次量了几条行 1, 总宽度 (毫米)行 1, 条纹间距 y (毫米)行 1, 算出的 d (毫米)
行 2, 次数行 2, 到墙的距离 L (米)行 2, 一次量了几条行 2, 总宽度 (毫米)行 2, 条纹间距 y (毫米)行 2, 算出的 d (毫米)
行 3, 次数行 3, 到墙的距离 L (米)行 3, 一次量了几条行 3, 总宽度 (毫米)行 3, 条纹间距 y (毫米)行 3, 算出的 d (毫米)

d 等于 0.000000650 乘以 L,再除以 y,而 y 要先换算成米。在毫米和米之间差了一千倍,是几乎每个人都会犯的错误。