DIS光强度传感器实验成果

有了DIS光强度传感器，即可借助其强大的图线功能来进行广泛的研究性、探索性实验，使光学实验教学走出现象观察和简单验证的局限。

1.双缝干涉

使用DIS光强度传感器、竖式光具座、DIS配套光源（激光光源）、偏振片和缝距d为0.08mm的双缝，双缝至DIS光强度传感器的距离L为43.5cm。打开配套光源的开关，使用偏振片将光强调整到适当大小（以消除图线“平顶”现象为准），得到如图2—8—4所示的干涉图线。调整双缝与DIS光强度传感器的距离L为53cm，得到如图2—8—5所示的干涉图线。

图2—8—4　双缝至DIS光强度传感器的距离为43.5cm时所示的光强度图线

图2—8—5　双缝至DIS光强度传感器的距离为53cm时所示的光强度图线

观察分析两图中光强条纹与光强图线的对应关系，可见图2—8—4中光强条纹的宽度小于图2—8—5中光强条纹的宽度。进而使用软件工具测量Δx，可得：当L1＜L2时，Δx1＜Δx2，即Δx与L成正比。

保持L不变，换用缝距d为0.1mm的双缝，可观察到条纹的间距变窄了：当d1＜d2时，Δx1＞Δx2，即Δx与d成反比。

根据公式“λ=d×Δx/L”计算得出，实验用激光束的波长λ约为0.632 8μm。当L、Δx和d发生变化时，λ在实验误差范围内保持不变。

2.单缝衍射

使用DIS光强度传感器、竖式光具座、DIS配套光源（激光光源）、偏振片和缝宽为0.08mm的单缝，单缝至DIS光强度传感器的距离L为60～70cm。打开配套光源的开关，使用偏振片将光强调整到适当大小（以消除图线“平顶”现象为准），得到如图2—8—6所示的衍射图线。

图2—8—6　单缝至光强度传感器的距离为60～70cm时所示的光强度图线（缝宽为0.08mm）

观察图中光强条纹，可见其遵循以下规律：中央条纹最亮，同时也最宽，约为其他明条纹宽度的两倍；中央条纹两侧，光强度迅速减小，直至第一暗条纹；随后光强又逐渐增大成为第一明条纹，依此类推。

分析图中光强条纹与光强图线的对应关系，可见光强条纹的明暗、宽窄都对应着光强图线的高低及宽窄。

改变单缝与光传感器的间距L，可见条纹和光强度图线基本不发生变化。换用缝宽为0.1mm的单缝，可见单缝变宽，且光强条纹变窄的同时亮度增加，对应的光强度图线中央峰变窄、变高（图2—8—7）。

图2—8—7　单缝至光强度传感器的距离为60～70cm时所示的光强度图线（缝宽为0.1mm）

由此可知，光的衍射仅与缝的宽度有关。缝宽越大，光强度（光的能量）越集中于中央条纹，所形成的图线中央峰窄而高。随着缝宽进一步加大，衍射图线的中央峰将被压缩成一条亮线，基本观察不到衍射波形。此时可以认为光是沿直线传播的。因此，光的衍射实验是对光的波动特性的最直接、最有力的支持。而在此实验中，DIS提供的光强图线为学生深入认识和理解衍射现象提供了重要帮助。

3.光栅衍射

使用DIS光强度传感器、竖式光具座、DIS配套光源（激光光源）、偏振片和光栅，光栅至DIS光强度传感器的距离L为60～70cm。打开配套光源的开关，使用偏振片将光强调整到适当大小（以消除图线“平顶”现象为准），得到如图2—8—8所示的光栅衍射图线。

图2—8—8　光栅至光强度传感器的距离为60～70cm时所示的光强度图线

光栅都是由多条宽度和间距都相等的窄缝组成的，光通过光栅中的每一条窄缝后，都发生衍射，在某些方向上出现明条纹。各条单缝衍射产生的明条纹比较宽，互相重叠，由于从各缝射来的光波的互相干涉，结果又在叠加区域产生许多明暗条纹。观察图2—8—8中的光栅衍射图线，可见该图线的包络线（或称“包际”“外廓”）符合单缝衍射的光强分布规律。

4.光强与光源距离的关系

在暗环境下，使用功率为5W的小灯泡为实验光源，由直流稳压学生电源为其供电，保持电压为4V。当小灯泡与DIS光强度传感器的距离为33cm时，得到如图2—8—9所示的光强度图线；当距离增加到39cm时，得到如图2—8—10所示的光强度图线。

比较图2—8—9、图2—8—10可见：随着距离增加，光强度在减弱。图2—8—9、图2—8—10中的光强度图线存在一定的起伏与躁动，说明小灯泡的发光强度在小范围内波动，其主要原因在于电源输出的影响。

图2—8—9　电压4V、小灯泡与光强度传感器的距离为33cm时所示的光强度图线

图2—8—10　电压4V、小灯泡与光强度传感器的距离为39cm时所示的光强度图线

5.小灯泡发光强度与电压的关系

在暗环境下，使用功率为5W的小灯泡为实验光源，由直流稳压学生电源为其供电。小灯泡与DIS光强度传感器的距离为22cm。保持该距离不变，当电压为4V时，得到如图2—8—11所示的光强度图线；当电压为6V时，得到如图2—8—12所示的光强度图线。

图2—8—11　电压4V、小灯泡与光强度传感器的距离为22cm时所示的光强度图线

图2—8—12　电压6V、小灯泡与光强度传感器的距离为22cm时所示的光强度图线

比较图2—8—11、图2—8—12可见：随着供电电压增加，光强度在增强。

6.烛光的光强

在使用“Cd”（坎德拉）为光强单位之前，“烛光”曾经作为光强度的标准计量单位被使用多年。探照灯、照明弹等都以“××万烛光”来说明其亮度。尽管我们日常使用的蜡烛与定义“烛光”时使用的蜡烛不同，但探究一下其发光强度还是有一定意义的。

在暗环境下，保持烛光与DIS光强度传感器的距离为32cm不变，点亮一支蜡烛，待其烛光稳定后，得到如图2—8—13所示的光强度图线；将蜡烛的数量依次增加到两支、三支和四支，分别得到图2—8—14～2—8—16所示的光强度图线。

图2—8—13　一支蜡烛与光强度传感器的距离为32cm时所示的光强度图线(www.xing528.com)

图2—8—14　两支蜡烛与光强度传感器的距离为32cm时所示的光强度图线

图2—8—15　三支蜡烛与光强度传感器的距离为32cm时所示的光强度图线

图2—8—16　四支蜡烛与光强度传感器的距离为32cm时所示的光强度图线

比较图2—8—13～图2—8—16可见：随着烛光数量增多，光强度在增强。

7.不同物质的透光性能研究

使用DIS配套光源（激光光源），保持光源与DIS光强度传感器的距离为46m不变。打开配套光源的开关，令光线直接照射在DIS光强度传感器上，得到如图2—8—17所示的光强度图线。

观察图2—8—17可见，由于光线直射，且光源与传感器之间没有任何遮挡，光强度图线呈现出“平顶”状，说明此时传感器测得的光强度已经超出了软件的显示范围。

图2—8—17　激光光源与光强度传感器的距离为46cm时所示的光强度图线

在DIS光强度传感器上方2cm处平放一张80g复印纸，得到如图2—8—18所示的光强度图线。此时图线出现“平顶”现象，原因是传感器测得的光强度也超出了软件的显示范围。将复印纸的数量依次增加为两张、三张，得到如图2—8—19、2—8—20所示的光强度图线。观察可见，复印纸具有一定的透光性。随着复印纸数量的增加，透光性逐渐减弱。当使用三张复印纸的时候，光强度已被大幅度削弱。

图2—8—18　激光光源与光强度传感器的距离为46cm时所示的光强度图线（放一张纸）

图2—8—19　激光光源与光强度传感器的距离为46cm时所示的光强度图线（放两张纸）

图2—8—20　激光光源与光强度传感器的距离为46cm时所示的光强度图线（放三张纸）

保持上述实验中的光源至传感器的距离不变，把透光物质更换成水，就可以进行另外一项有趣的实验：研究液体的清浊度。在半径为4cm的圆形玻璃培养皿中加入100ml左右的清水，液面高度达到2cm，将盛水的培养皿置于DIS光强度传感器上方2cm处。打开配套光源的开关，得到如图2—8—21所示的透过清水及培养皿的光强度图线。此时传感器测得的光强度也已经超出了软件的显示范围，图线出现了“平顶”现象。在清水中滴入蓝色墨水并搅拌均匀，观察随着滴入墨水的增加，光强度图线的变化情况。图2—8—22、2—8—23、2—8—24分别为滴入九滴、十三滴和十七滴蓝墨水后得到的光强度图线。

图2—8—21　激光光源与光强度传感器的距离为46cm时所示的光强度图线（清水）

图2—8—22　激光光源与光强度传感器的距离为46cm时所示的光强度图线（滴入九滴墨水）

图2—8—23　激光光源与光强度传感器的距离为46cm时所示的光强度图线（滴入十三滴墨水）

图2—8—24　激光光源与光强度传感器的距离为46cm时所示的光强度图线（滴入十七滴墨水）

8.光的偏振

使用DIS配套光源（激光光源），光源与DIS光强度传感器的距离为35cm。

在DIS光强度传感器上方17cm（L=17）处放置两片偏振片，使两偏振片的偏振方向相同。打开配套光源的开关，得到如图2—8—25所示的光强度图线，可见此时传感器测得的光强度已经超出了软件的显示范围，出现了图线“平顶”现象。慢慢旋转其中一偏振片，可见光强度图线大幅度降低（图2—8—26～2—8—28所示），转过90°时，光强度减至最弱，几乎观察不到图线。继续转动，可见光强度又逐渐增强，转过180°时，光强又恢复到最大。

偏振实验—对光波动学说最简单的证明：

直到现在，笔者手里还存着好几套偏振片。甚至最近，还曾经借助偏振片下的彩虹效应，来对塑料的受力效应进行过相关检测，而且乐此不疲。在光偏振原理已经广泛应用于生产生活之后，教师没有理由在教学过程中不向学生强调：光波动学说的原理，已经广泛应用于液晶屏幕上了。因此，我们学习和认识波动光学，还需要额外动员吗？

图2—8—25　激光光源与光强度传感器的距离为35cm时所示的光强度图线（放置两片偏振片）

图2—8—26　激光光源与光强度传感器的距离为35cm时所示的光强度图线（将其中一片转90°）

图2—8—27　激光光源与光强度传感器的距离为35cm时所示的光强度图线（将其中一片转180°）

图2—8—28　激光光源与光强度传感器的距离为35cm时所示的光强度图线（将其中一片转270°）

实验中如果使用一片偏振片，在其转动时也会观察到光强度出现上述变化，这说明激光本身也是偏振光。因为激光具有偏振的特性，所以在实验中可使用偏振片将激光的强度调整到适当范围，避免“平顶现象”的发生。

近年来，光学研究走在了物理学的前沿，且具有高度整合各学科知识的特征。光学的进步已成为新技术、新工艺、新材料发展演进的先导。例如，新型超大规模集成电路的制造工艺，就是基于纳米级紫外光蚀刻技术的发明和应用。因此，让中学生理解光学、重视光学是非常必要的。

DIS光强度传感器及其配套实验装置的研发和应用，不仅为贯彻上海二期课改物理教材的理念提供了载体，而且为物理教材增添了现代科学技术的气息，充分体现了教材中STS的要求。