激光笔在光学实验中的妙用

激光是上世纪60年代发明的一种光源。目前有三类常见的激光器：气体激光器，如氦氖激光器、氩激光器；固体激光器，如红宝石激光器；半导体激光器，如光驱的激光头、激光打印机的打印头等。激光笔属于半导体激光器，它具有能量输出稳定，体积小，结构简单，成本低等优点，但在色纯度和方向性方面则要比红宝石激光器和氦氖激光器要差一些，尽管如此，用它来做光学实验还是一种不错的光源。目前最常见的是发射红光的激光笔，波长在630～680nm之间，功率一般小于1mW，价格很便宜，很容易买到，一般作为儿童的玩具或激光教鞭；常见的还有发射绿光的激光笔，波长532±10nm，功率5～200mW不等，价格要贵一些，目前也很容易买到。小功率的激光笔应避免用眼睛直接对视，功率大于30mW的激光笔不要直射人体以免对人体造成伤害。

一、巧用烧瓶留光迹做几何光学实验

图1

教材中是用半圆形玻璃砖来观察光的全反射现象的，让白光沿着半圆形玻璃砖的半径方向射入，逐渐增大入射角，来观察实验的现象。该实验的弊端在于：当光线通过玻璃和空气时很难形成光迹，必须用强光加以照射，产生强光的光源体积大，调整不方便；由于使用器材的局限，实验只能在课堂上演示，学生课后很难进行自主实验探究。因此，笔者用激光笔与圆底烧瓶配合进行实验，取得了很好的实验效果。

实验所需的物品有：圆底烧瓶一只，激光笔一支，蚊香一段，水和牛奶少许。本实验的难点在于如何让光线在水和空气中清晰地显示出来。从垂直入射光的方向观察呈现一条光迹的现象叫“丁达尔现象”，是光线透过胶体时，胶体中分散质微粒发生散射引起的。分散质微粒大小一般不超过100nm，小于可见光波长(400～770nm)，因此，当可见光透过胶体时会产生明显的散射。胶体按分散质的不同，可分为气溶胶、液溶胶和固溶胶。如烟、云、雾是气溶胶，淀粉溶液、肥皂水、牛奶是液溶胶，烟水晶、有色玻璃、果冻是固溶胶。所以获得清晰的光迹关键是配制合理的胶体。在干净的烧瓶内注入半烧瓶水，滴入几滴牛奶，使牛奶与水均匀混合，牛奶不能加入太多，使液体略显乳白色即可，用激光笔照射能看到一条明显的光迹，而光迹的强度几乎没有减弱，这是最佳的显示效果。牛奶浓度太高，散射现象很明显，整个瓶子都会亮起来，形成的光迹反而会模糊不清，而且光迹的强度会减弱得很快，显示光迹的效果就不好。接着用细线悬挂一段蚊香，点燃后插入烧瓶的上半部，过一会儿将其取出，烧瓶的瓶口用塑料袋封闭，产生的烟雾也不能太多，烟雾太多，清晰的光迹也很难形成。演示时可用铁架台将烧瓶固定起来进行实验，这样能得到稳定的光迹，如图1所示。同功率的激光笔，绿光激光笔比红光激光笔更容易形成光迹，这是因为绿光处在人眼可见光响应的峰值，用绿光激光笔作光迹指示最合适。本实验可演示光在同一种均匀介质中是直线传播的、光的反射、光的折射等一系列几何光学的演示实验。

改进后的实验优点在于：实验的器材简易，操作方便，现象明显。本实验可作为课堂演示实验，也可指导学生进行课后自主实验探究，若没有圆底烧瓶可用鱼缸或其他玻璃容器代替。

二、巧在镜子背面划痕投射干涉图样

实验室有单缝宽度为0.4mm与0.8mm两种，双缝间距为0.18mm与0.36mm两种，用红色或绿色激光笔做实验，图样很清晰，很适合进行课堂演示实验。但学生若要进行自主实验，激光笔是可以买到的，而单缝与双缝却很难自制成功，学生课后自主探究实验就无法进行，能否自制单缝与双缝呢？笔者巧妙地在镜子背面划出单缝与双缝，用它们来做实验，得到的图样也很清晰。

图2

实验所需的物品有：小镜子一块，双面刀片（剃须刀片）两片，小刀，直尺等。镜子背面一般有反射层与保护层组成，在镜子背面用刀片在尺子的引导下划一条直线，刀片划破这两层便会留下一条痕迹，这样一条单缝就刻出来了。用激光笔从镜子背面照射这条痕迹，使激光投影到距单缝约1m远的白墙上，形成光的衍射图样，如图2(a)所示。多次刻划同一条直线便会留下较宽的缝隙，用激光笔照射得到不同的单缝衍射图样。进行双缝干涉实验要困难些，原因是在镜子背面形成两个间距在1mm以下的双缝较难办到。笔者用两片双面刀片在镜子背面划痕得到了理想的双缝，具体做法是：用两片双面刀片叠在一起，刀口平齐，捏紧，在直尺的引导下，在镜子背面划一条直线，两片刀片同时划破保护层与反射层，从远处看由于保护层的剥落看似只有一条缝，近看则在反射层留下了间距约为一块刀片厚度的双缝，用激光笔从背面照射双缝，使激光投影到距双缝约3m远的白墙上，形成双缝干涉图样，如图2(b)所示。在两片刀片之间夹一张纸，刻一块间距大一些的双缝，用激光笔照射得到不同的双缝干涉图样。

自制双缝的方法还有许多，如用蜡烛火焰熏黑无色透明玻璃片，然后用两片双面刀片在熏黑的一面划线也可以得到双缝；用细铜丝插在两片双面刀片刀刃中间形成的双缝，将它们焊接固定好也可以得到双缝。本实验自制双缝的优点在于：实验所需的材料易找，制作容易成功，在镜子背面刻出的线条不易被擦除，可以长时间保存。这使学生课后进行自主实验探究成为可能。但由于玻璃与双面刀片操作不当极易划伤人的手，在指导学生制作时应格外小心。

三、巧用杯口形成液膜反射干涉图样

薄膜干涉实验是光学中一个重要的演示实验，若按教材介绍的方法进行实验，弊端在于：干涉条纹可见度小，大多数学生看不到烛焰的像，更谈不上观察膜薄干涉现象；肥皂液膜由铁丝圈产生，比较容易破裂，即使能观察到实验现象，观察时间也不够持久。笔者的改进在于：让肥皂液膜在茶杯口形成，改用带图案的激光照射肥皂液薄膜，反射到白墙上进行观察，这大大提高了实验的可见度和持久性。

实验所需的物品有：茶杯、配制的肥皂液、带图案的激光笔。激光笔产生图案的原理是让激光通过一个塑料片，塑料片是用全息照相技术拍摄的照片，转印到模具上，成批压制而成的，因为全息照相技术保留了图像的相位信息，就算你把塑料片切成1/4大小，用激光照射依然能够投射出完整的图像，只不过图像的分辨率会差一些。一般的玩具激光笔所配的套头在5个以上。本实验投射的图案是一个“发光的灯泡”，中间标有“idea”四个英文字母。笔者认为，

图3导致肥皂液膜很快破裂的原因之一是液膜中水分蒸发太快，水蒸发时，液膜表面一破，整个液膜就消失了，往肥皂液中加入甘油能减缓水的蒸发，经多次试验，在配制肥皂液时，采用洗洁精、水、甘油按1∶3∶1的比例混合形成的肥皂液，能使液膜保持比较长久的时间。辨别肥皂液好坏的标志是吹一个肥皂泡，用蘸了肥皂液的手指轻轻接触肥皂泡，肥皂泡不会破裂说明配制的肥皂液较理想。用茶杯倒扣在肥皂液里，然后拿出，一个圆形的肥皂液膜便在杯口形成，让液膜竖直放置，正对液膜观察日光灯的像，能看到彩色的明暗相间的条纹，则说明楔型的肥皂液膜已经形成，可以进行下一步实验。在光线较暗的房间里，用带图案的激光笔发出的光射向肥皂液膜，经液膜反射的光投影到白墙上，调整激光笔、液膜与墙的位置，在白墙上便会形成如图3所示明暗相间的图样。

实验表明，在茶杯口形成的肥皂液膜对肥皂液的配制比例并不十分苛刻，很容易在茶口形成液膜；杯口形成的液膜有一面被杯子封闭起来，这比用铁丝圈形成的液膜减缓了水分的挥发，阻隔了一半外界对液膜的干扰，使液膜能保持更久的时间，这样有利于较长时间地观察实验现象；肥皂液膜与茶杯是一个整体，移动液膜只需移动杯子，十分方便，且移动时也不易使液膜破裂。本实验所需器材都取自日常生活用品，且很容易做成功，可指导学生进行课后自主实验探究。

本文以激光笔为光源改进了三个光学演示实验，实验现象都十分明显，这不但为教师课堂演示光学实验提供了有益的参考，还为学生课后自主探究光学实验提供了成功的案例。用激光笔改进的物理实验还有很多，如显示物体微小形变实验、牛顿环实验、泊松亮斑实验、测工件平整度实验、激光通信演示实验、激光防盗报警演示实验等，这些实验也值得我们进行研制、改进与创新。

参考文献

［1］吕秋波.对光学演示实验的改进［J］.中学物理教学探讨，2007，22（4）：59-60.

［2］冯遵栋.薄膜干涉实验的改进［J］.中学物理教学参考,2004，33（1）：26-27.

［3］沈钟,赵振国,王果庭.胶体与表面化学（第三版）［M］.北京:化学工业出版社,2004.

［4］姚启钧.光学教程（第二版）［M］.北京:高等教育出版社,1989.

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(责任编辑黄春香）

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