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杨氏双缝干涉实验的可视化解释

2018-03-05吴迪青徐文华

物理通报 2018年3期
关键词:波形图光波单元格

吴迪青 徐文华

(浙江省余姚市第四中学 浙江 余姚 315400)

一直好奇于杨氏双缝干涉实验的干涉图样和解释,总想看个究竟,但是苦于现在研究方法的局限和现有理论的抽象,无法看到图样产生的内在的更加具体的机制和可视化解释,用Excel的数据和形的结合,才解决了这个困扰多年的问题,第一次看到用Excel画出来的干涉图样产生的原理图时,自己都有点不敢相信,把Excel的数据和形结合的功能发挥到了极致,成功看到了杨氏双缝干涉图样的内在面貌.

1 杨氏双缝干涉实验的波函数模型

如图1所示,是杨氏双缝干涉实验的装置图.

图1 杨氏双缝干涉装置示意图

点光源S经双缝S1和S2,在光屏上M点叠加,为分析方便只研究图示平面内的叠加,同时把S1和S2看成点光源,那么,光波在M点的叠加可以看成平面波的叠加,经过双缝的两列波函数可设成

其中p为空间点(x,y,z),r1和r2为M点到S1和S2的距离,t为时间变量.

那么在屏幕上的M点叠加后的波函数为

ψ(t,x)=ψ1(p,t)+ψ2(p,t)

其中x为M点到O点的距离.这里不作纯理论推导,我们用Excel的图形功能做可视化的研究.

2 用Excel作出叠加后的波函数

2.1 模型的数化

由图1中几何关系可知

设照射光光波的波长λ=6 000×10-10m,光速c=3×108m/s,双缝与光屏的距离L=2 m,双缝间距d=0.2 mm.

2.2 数据形成

的计算式,然后选中E2,鼠标移动至单元格右下角,出现“+”时,按住鼠标右键向下拖,智能复制公式,形成屏幕上不同位置对应的r1数据;

G列单元格:光程差r2-r1,G2单元格输入“=F2-E2”,然后选中G2,鼠标移动至单元格右下角,出现“+”时,按住鼠标右键向下拖,智能复制公式,对应的r2-r1数据;

H列单元格:经过S1的光在屏幕上对应时间的位移,H2单元格输入“=$B$9*SIN(($B$3*

$D$2)-($B$4*E2)+$B$5)”,即

的计算式,按同样的操作智能复制H2单元格,形成y1数据;

I列单元格:经过S2的光在屏幕上对应时间形成的位移,I2单元格输入“=$C$9*SIN(($C$3*

$D$2)-($C$4*F2)+$C$5)”,即

的计算式,按同样的操作智能复制I2单元格,形成y2数据;

J列单元格:光屏上距离中心O点为x的位置坐标,依次输入“0,0.000 187 5,…”间隔0.000 187 5,形成x数据;

K列单元格:波y1和y2的叠加,K2单元格输入“=H2+I2”,智能复制形成y1+y2数据.

建立好数据后如图2所示.

图2 初始化数据图

2.3 绘制波形图

2.3.1 选中J列和K列数据,点击菜单插入图表,选择带平滑线的散点图,形成两列光波在屏幕上叠加后的波形图,如图3所示.

图3 t=0 s时的叠加波形图

这是t1=0 s时对应的波形图,看似杂乱无规律可言,难道数据错误了?作时间t2=0.25×10-15s的波形图尝试,选中单元格H1,H2,I1,I2,K1,K2复制到相应的L,M,N单元格,更改名称为y11,y21和y11+y21,把L2单元格内容改成“=$B$9*SIN(($B$3*$D$3)-($B$4*E2)+$B$5)”,即取D3单元格储存的时间t,同理把M2单元格内容改成“=$C$9*SIN(($C$3*$D$3)-($C$4*F2)+$C$5)”,最后选中L2,M2,N2智能复制形成t2时间的数据,得到t2时间的波形图,如图4所示.

图4 t=0.25×10-15 s时的叠加波形图

依然看不出有什么规律.但是仔细比较两图发现x=0.003 m这一点位移都是零,是不是杨氏双缝干涉的规律本该就是如此,用同样的方法作出其他时间的波形图,把多时间的波形图进行重叠处理,惊喜地发现了杨氏双缝干涉图像的本质面貌,看多时间叠加图,如图5所示,图形的包络线就是该处振动的振幅大小.

图5 相差为零的多时间波形叠加图

由光的波动理论可知,光的强度与光波振幅成正比,用Excel自动取包络线值,平方后作出光强模拟分布图,如图6所示,图中缺陷是线不圆滑,是由于时间间隔取得太大,图线不够多造成图线不精细.

图6 相差为零的光强模拟分布图

2.3.2 可视化解释

按杨氏双缝干涉实验的规律可知:x=0处是中央亮条,而一级亮条的位置

一级暗条的位置

图5中可以看出,x=0,x=0.006 m 处的振幅A=0.006 m,是振动加强的点,分别是中央亮条和一级亮条的中心位置,x=0.003 m处的振幅A=0 m,是振动减弱的点,为一级暗条的中心位置.图6是对应位置的光强模拟分布,这与实验规律完全相符,要得到更多明暗条的中心位置可以添加数据.

如果要得到相位差为π的两列光波干涉的多时间波形叠加图,只要在单元格B5输入波1的初相位零,单元格C5输入波2的初相位π,就可以得到,如图7所示,从图中包络线可以形象地看出x=0位置是中央暗条的中心位置,x=0.003 m位置是第一亮条的中心位置.

图7 相差为π的多时间波形叠加图

还可以验证实验装置的参数对干涉的影响,如d和L的改变,只要改变相应的单元格数据即可,这里不一一验证了,有兴趣的朋友可以去做做.

回想起初看到t1时刻的波形图时对图形的怀疑,原因是因为驻波的波形干扰了我们,以为杨氏双缝干涉的波形图也该是规规矩矩的标准图,虽然有理论合成的方程式,但没有看到过实际合成的波形图,这种Excel数形结合的方法应用到物理中来收到了较好的效果,使得本来不易研究的物理问题变得简单、形象、直观,让我们看到了物理现象最本质的东西.

1 吴迪青.用Excel仿真模拟中学物理规律.物理教师,2017(3):63~65

2 吴迪青.Excel仿真模拟及卫星轨道计算.物理教学,2017(3):59~60

3 陈森,郭敏勇,张师平,等.杨氏双缝干涉一种简便的波函数解释.大学物理实验,2014(6):38~39

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