摘要：杨氏设计出的双缝干涉实验比较巧妙，对研究物理学重要现象――光的干涉开辟了新的视角。他最先运用光的叠加原理对光的干" />
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再议杨氏双缝干涉实验
2015年9期目录
&&&&&&本期共收录文章20篇
　　摘要：杨氏设计出的双缝干涉实验比较巧妙，对研究物理学重要现象――光的干涉开辟了新的视角。他最先运用光的叠加原理对光的干涉进行解释，并首次测定出了光的波长，在物理学中的光波动学说研究中做出了重要贡献。在杨氏双缝干涉实验设计中狭白光为何也可以产生出双缝干涉？波长在发生变化时对干涉条纹有什么样的影响？在小孔的后面加上透明的介质薄膜后干涉条纹的会发生怎样的变化？进行了思考与探讨。 中国论文网 /9/view-7142996.htm　　关键词：双缝干涉 杨氏 干涉条纹 狭缝 　　杨氏双缝干涉实验使人们认识到光不但具有粒子性，同时光也是一种波，它具有波的各种特性，比如干涉、衍射。同时该实验还表明光不是机械波，是概率波。在这个实验中，人们也对这个实验的一些环节产生了疑问，如狭缝s是否一定要存在等。而这些关于杨氏双缝实验的问题及疑问却很值得我们去思考、去探讨。 　　一、干涉概述 　　当空间频率与振动方向相同、相位差不变的两束光波在空间相遇时，在波重叠区域，某些点振动加强，某些点振动减弱，因而在空间形成强弱相间的稳定明暗或彩色条纹的现象，这种现象称为光的干涉。光的干涉是光的波动性的最好说明。日常生活出现的一些现象，比如小孩用肥皂吹出来的泡泡上，在太阳光的照射下呈现出的五颜六色，还有下过雨后的柏油路面上，在太阳光的照射下，我们可能观察到油膜的彩色图案等，都是由于光的干涉而形成的现象，都可以波动性来解释。要产生光的干涉现象，必须具备一定的条件，首先两束光的频率要相同，其次两束光的振动方向也要相同并且两束光的相位差必需恒定，具备这样的两束光我们称为的相干光。 　　二、杨氏双缝干涉 　　杨氏在十九世纪初就用非常巧妙的方法设计出了通过相位差对光的干涉进行研究的方法。并应用用叠加的原理阐述光与波一样也会发生干涉现象，为后来量子力学的发展奠定了坚实的基础。他在《自然哲学讲义》里第一次提道了了这个实验---杨氏双缝干涉实验。后来这个实验成为物理学史上最经典的五个实验之一，这个实验做起来非常简便，只需要一支蜡烛，两张不透光的纸，一张白纸就能做这个实验，首先把一支点燃的蜡烛放在其中开了一个小孔的不透光纸前面，在纸的后面就形成了一个点光源，然后在这张纸后面再放一张开了两道平行的狭缝的纸，在这张纸后面再放一张白纸当光屏，这样从小孔中透出的烛光穿过两道狭缝投到白纸上，就会出现干涉条纹，这就是著名的双缝干涉实验。杨的著作《自然哲学讲义》就好比在科学界平静的水面上投入了一颗石子，一石激起千层浪，光的微粒说和光的波动说两大学术界又展开了针缝相对的争论，但由于当时以牛顿为首的光的微粒说占主导地位。当时人们对光的本质属于探索初期，主要观点分为牛顿的微粒说和惠更斯等人的波动说。惠更斯的观点：光是一种纵波，光是机械振动在“以太”中的传播。杨则提出光是一种横波，它的著作受尽了权威们的嘲笑和讽刺，近20年间无人问津，杨为了反驳专门撰写了论文，但由于他的知名度很低，加之一些权威的作祟，无处发表，没办法只好自己印成小册子。但是据说发行后“只卖出了一本”。原因很简单，在此之前人们一直认为光是纵波，直到1819年法国年轻工程师菲涅耳，当时他才31岁，在《关于偏振光线的相互作用》论文里，才提出了光是横波的概念。 　　三、杨氏双缝干涉实验的讨论与思考 　　杨氏双缝干涉实验如上图所示。在图中我们可知，如果D、λ是一定值的时候，则e和d是成反比例的，此时d越小，则条纹分辨就会越清晰。如果λ1和λ2是成整数比的时候，则某些级次的干涉条纹就会发生重叠现象。如果换用白光进行本实验， 就会在中央会出现白色亮纹，同时其他各级次的条纹就会形成一个彩色光谱，即从中央向外由紫到红排列的彩色条纹。 　　1.为什么白光也能产生双缝干涉 　　两个相干的光的频率一样是满足相干条件的，但是白光中的光源比较多、波长长短不一样。此时，人们会问为何白光也可以发生双缝干涉呢？我们不可否认，白光含有频率不一样的可见光，而频率不一样的光波彼此之间是不相干的。不过，在通过两缝射出来的白光，存在频率一样的单色光，而此时就会发生干涉现象。S属于白光光源的时候，那么从s所发出来的任一长度波长的任何一个光波均会照在s1与s2上面，因此，s1发出的任一个光波均可以在s2中寻找到与自身相干的波。s1与s其实就是满足相干条件的白光光源，而每一种长度的波长的光都可以在观察屏上面产生一组杨氏条纹。各个波长产生的杨氏条纹叠加起来就会形成干涉图样。因为，各个单色光均处于中央线上面，其相位差均为0，其振动均需要加强，为此各个单色光可在中央线上出现明纹，所以我们看到中央明纹属于白色的。 　　2.光源S位置与实验结构对干涉条纹的影响 　　①光源S位置变化时：比光源S是向上移，则零级明纹会往下移，其干涉条纹会整体往上平移；反之如果S是向下移，则干涉条纹又会整体往上发生平移，但无论是光源S如何移动，是不会影响条纹之间的间距的。 　　②双缝之间的距离d发生变化时：如果d增大，则e减小，零级明纹的中心位置是会发生变化的，其条纹会变密。如果d逐渐减小，则e会逐渐增大，而条纹则会变成稀疏。 　　③双缝和屏幕的间距D变化时：如果D减小，则e会减小，但零级明纹中心的位置不变，条纹间距变密。如果D逐渐增大，则e会增大，其条纹是会变稀疏的。 　　3.小孔后加透明介时，对干涉条纹的影响 　　①如果在S1后面加透明介质薄膜，零级明纹就会上移到点P，干涉条纹均会同时整体往上发生平移。那么移过条纹的数目为：Δk=（n-1）t/λ；而条纹移动的距离则可通过 OP=Δk?e进行计算得到。 　　②如果在S2后面加透明的介质薄膜的话，则干涉条纹就会发生下移。 　　4.波长、单色光、复色光对干涉条纹的影响 　　当使用不同波长的单色光做杨氏双缝干涉实验时，在光屏上出现的干涉条纹各级的强度大体保持不变，是等间距并明暗交替条纹，并且条纹宽度会随着单色光的波长增大而相应的变宽。如果换用复色光白光照射，就会在光屏形成七彩条纹，条纹分面规律为中间是白纹，其余各级依次为由紫到红的彩色条纹。彩色条纹中，相同波长的光干涉加强的位置与使用单色光时相同。在较高干涉级中，还可以观察到红光越过高一级紫光位置的情况。 　　四、小结 　　杨氏双缝干涉实验的设计为我们研究量子物理学打下了坚实的基础。本文通过研究，认为狭缝s的存在是有必要的；白光也能产生双缝干涉；波长及装置结构变化时干涉条纹的移动和变化呈现一定的规律的；在小孔后加透明介质薄膜，干涉条纹变化也是有规律的。 　　参考文献： 　　[1]姚启钧.光学教程[M].北京：高等教育出版社，2008. 　　[2]谢敬辉.物理光学教程[M].北京理工大学，2011. 　　[3]张建秋.杨氏干涉条纹的理论分析与实验观察[J].新疆职业大学学报，）：79-80.
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xzbu发布此信息目的在于传播更多信息，与本网站立场无关。xzbu不保证该信息（包括但不限于文字、数据及图表）准确性、真实性、完整性等。为什么蜡烛不是单色光却能做杨氏双缝实验？
【W先生的回答(16票)】:
【还是先放个结论吧。结论就是：用日光、烛光、手电等是可以做杨氏干涉实验的，但是需要加单缝和滤波片。】
【另外，一般的白光也不是不能干涉，只是相干性太差，一般只能看到零级条纹，有可能也能看到一级二级，但更多就不行了。滤波之后相干性提高，则可以看到更多级的条纹。
给的高中物理教材配图，我感觉这不是日光、烛光等热辐射的光源能做到的，倒像是氙气灯或者日光灯这样涉及分子里的能级跃迁的光源。这两类光源，虽然都是发白光，但是时间相干性是不同的（原理在评论区有提到）。更极端的例子是白光激光，虽然也是白光，但时间相干性和一般激光无异。我说日光、烛光，需要先滤波才能干涉，应该是没问题的。有异议的欢迎批评指正。】
回答你的问题之前，首先要看看干涉是什么。干涉的本质就是同频率的波在不同相位下发生叠加。根据相位差的不同，叠加会出现相长或相消或介于两者之间的情况。假设两束光叠加之前，振幅都是
，那它们的光强就都是
。有这两束光叠加，有下面几种情况：
1、不发生相干。两者的光强简单相加，总的光强为
2、相干相长。如果叠加时是波峰对应着波峰、波谷对应着波谷，那两束光叠加后振幅变成
，光强变为
，称为相干相长；
3、相干相消。如果叠加时是波峰对应着波谷、波谷对应着波峰，那两束光叠加后振幅变成
4、介于2、3之间的情况，光强在
之间变化。
上面四种情况中，1是不相干的叠加，2、3、4都是相干的叠加。那什么情况会出现非相干叠加，什么情况是相干叠加呢？相干叠加的条件是：波长相等，且有稳定的相位差。波长如果不相等，两个波存在频率差
，那么假如在
时两个波的波峰对上了，是相干相长，瞬时的光强为
，但因为波长不同，慢慢它们的波峰就错开了，经过
这么长时间后就变成波峰对波谷的相干相消了，瞬时的光强变为
。瞬时光强以
之间变化， 平均的光强就是
，也就是相当于没有发生干涉。相位差如果不稳定，会出现跟上面类似的情况，有时候波峰对波峰，有时候波峰对波谷，平均来看光强是
，相当于没有发生干涉。
波长相等比较好理解。那什么情况下光源的相位会不稳定呢？原因在于一般的光源远非理想光源。所谓理想光源，是指相干时间无限长的点光源。通俗点说，就是一个点源，会源源不断的、连续的发出同一频率的电磁波。但一般的光源不是。这体现在空间和时间两方面。
空间上，一般的光源是个很大的东西，它里面各个部位都能发光，且不互相影响。这意味着光源上某一点发出的光和另一点发出的光之间的相位差是随机的。光源上有无穷个这样独立发光的点，互相之间的相位差都是随机的，对于这样的光源发出的一束光，虽然它们看起来是“共同进退”，但其实是“各怀鬼胎”。你将这束光拦腰切一刀，光从光源出来走到这个截面上经过的时间是相同的，但截面上不同点之间并没有固定的相位差。严格说，两点之间距离很近时有固定的相位差，距离越远相位差的随机性越大，当远到一定距离后，这两点之间基本没什么联系了，相位差基本完全随机。描述同一时间的截面上相位差的随机性与距离的关系的指标，称为空间相干性。空间相干性好，说明同一时间的截面上，很远的点之间还有着确定的相位差；空间相干性不好，说明同一时间的截面上，只有非常近的点之间才有着确定的相位差。
时间上，光源里的发光单元（比如分子）并不连续发光，而是发发停停，至于什么时候发光是随机的。但是因为各个发光单元相互独立的随机发光，因此总体来看感觉不到不连续。就好像合唱的时候唱一个持久的音，大家陆陆续续的随机换气，但听众听起来这个音是一直持续下去的。一般的光源里，一个发光单元的各次发光是独立的，也就是在间断前后发出的光的相位差是随机的。这意味着沿着一条光线看（即不考虑空间上的差异），不同时间发出的光之间有随机的相位差。描述同一空间上相位的随机性与时间间隔的关系的指标，称为时间相干性。比如如果不考虑空间相干性的话，假设一束光的时间相关长度是1米，那么把这束光分出一半，绕一段路，再试图跟原来的那一半发生干涉，如果绕的光程小于1米，就可以发生干涉，大于1米就不能发生了，因为大于1米之后两者之间的相位差变成随机的了。
一般的光源，比如太阳、蜡烛等等，都是非常不理想的光源，它们的时间相干性和空间相干性都很差。直接用太阳、烛光等通过双缝是看不到干涉条纹的。两个双缝距离很远（空间方面），而且光走到两个缝的光程也不一定一样（时间方面），因此两个缝作为惠更斯原理中的次级波源，互相没有稳定的相位差（时、空相干性差），也就看不到干涉条纹。
激光是一个时空相干性都非常好的光源，当然可以用来作双缝干涉实验。那有没有方法不用激光，就用烛光或者日光呢？答案是有的。其实只要解决好时间相干性和空间相干性的问题就行。
空间相干性方面，可以在双缝之前放一个单缝，让单缝作为波源。单缝横向很窄，因此作为光源，发出的光在横向有不错的空间相干性。在单缝后面再放双缝，双缝的方向和单缝平行，这样空间相干性的问题就解决了。
时间相干性方面稍微麻烦一点。一般日光、烛光等靠发热来发光的光源，时间相干性太差，尽量不要用它们。日光灯、钠灯等辉光、荧光的光源会好很多。比如我以前实验课上就是用钠灯透过单缝然后再经过双缝，然后就可以看到干涉条纹了。当然如果你非要用日光、烛光来做光源，也不是不行，但是要先滤波。
的回答提到要在双缝之前加有色玻璃，其实就是在滤波，通过滤波的方式增加时间相干性。也可以用用棱镜将不同波长的波从空间上展开，然后用一个单缝作滤波片，只让一个波长的波透过，别的波长的波都被挡住。单缝后面再放双缝和屏，就能在屏上看到干涉条纹了。
的答案提到单色性，说“单色性越好相干性越高”。这个有些道理，但是不准确，也不该将它和时间、空间相干性并列。光源的时间相干性跟光源的线宽有等价性，但是跟单色性没有。这里要注意线宽和单色性的区别了——线宽宽的单色性一定不好，但是线宽窄的单色性不一定好。线宽是指的光谱中某一根谱线的宽度，如果一个光谱由多个窄线宽的谱线组成，那它也不是单色的，但是因为它每个谱线的线宽窄，所以相干性好。激光里也有非单色的"白光"激光（比如锁模激光），有着很宽的光谱，但它的时空相关性都很好，原因是这个宽光谱实际上由仪器难以分辨的一根根窄的谱线组成，每个谱线线宽都很小。小结一下，单色性是跟时间相干性相联系的，单色性好，时间相干性一定好，但是单色性差，时间相干性不一定差；而线宽和时间相干性则是一一对应的，线宽窄，时间相干性一定好，线宽宽，时间相干性一定不好。
~~~~~~~~~~~~~~~~~补充~~~~~~~~~~~~~~~~~
评论区有些深入的探究，就不搬过来了。对激光、信号处理等有兴趣的朋友可以点开看看。
【KXWang的回答(3票)】:
W先生 说的应该是是对的（我没细看，太长了）。要是用蜡烛的话需要用个狭缝，不过不见得要加滤波片，效果如图：
人教版（大纲版）的高中物理课本，大概是第三册，前面的彩图有一张。
蜡烛的主要的问题应该是太暗了。不过用蜡烛的好处是比较安全，光学实验室的仪器都是摆在很低的位置，做实验调整的话要弯下腰去动，就是为了避免被激光亮瞎狗眼。
【W先生的回答(3票)】:
跟光源的相干长度有关，只要烛光的相干长度大于第n级条纹的光程差，就能出现第n级条纹。
再补充一下，单色性不是主要原因，蜡烛作为光源即使加了滤光片，效果也不会好的；这是由于蜡烛作为光源的发光机理导致其相干长度较短所导致的，具体不展开了。
烛光的相干长度我不清楚所以我不能断定蜡烛能不能做，不过倒是可以用双缝来测蜡烛的相干长度
【酱小酱的回答(1票)】:
杨氏干涉实验最初是用太阳光做的，托马斯杨对单色光和白光干涉都进行了描述。白光干涉是可能的，干涉图样就是各种颜色的条纹叠加，只有零级附近很少的条纹能被观察到，实验中可以看到彩虹一样的渐变颜色的条纹，非常漂亮。日常的光里，包括灯泡光烛光都是可以观察到干涉现象的，只是难易程度不一样。
干涉的难易程度取决于光的相干性。相干性有几个因素：1光的单色性，单色性越好相干性越高。2发光的稳定性，像蜡烛太阳这样的光源发出的光都会在极短的时间内发生随机相位跃变，跃变前后的光就不再相干了。3空间上，灯丝烛芯各个点发出的光相位是随机的，互不相干，所以杨氏干涉实验中经常是取一狭缝光源再经双缝干涉。
激光的单色性可以非常好，发光稳定性好，连续激光相干长度能达到数百米，特别容易就能看到条纹了。
【毛了了的回答(0票)】:
不行的 书上画的只是示意图
【艾金珂的回答(0票)】:
可能是问题太简单了，所以学术上都没人做，也可能是我没搜对关键词，如果写白光-双缝干涉的话会有很多的分析，但是问题是蜡烛给出的光貌似和一般情况的白光不一样，它更接近单色光。
上面是一个百度文库的讨论，可能是某个课程作业
最后作者的结论是：总之，最终的图样为一组亮暗不太清晰的对称性干涉图样。
物理通报 1965年有篇中学教学的文章
几个物理光学实验的探讨
【作者】 ；
【摘要】 &正& 一、用自制菲涅耳双面镜观察干涉条纹按照现行高中物理课本第三册第113节内容的要求,应该给学生演示菲涅耳双面镜的干涉现象。关于这个实验,有许多材料做过介绍,但是在实验过程中却往往得不到预期的效果。经过较长时间的摸索,我们认为做好这个实验的关键是双面镜制作过程的调整及观察过程中双面镜对缝的调整。事实证明,只要这两部分调整好了,那么,用蜡烛照亮狭缝时就可以从显微镜的目镜中观察到清晰的干涉条纹。此外,在较好的暗室中用500瓦的电灯做光源时,可以把干涉条纹投射到幕上。下面谈谈我们是怎样进行这一实验的。
其中有这样一段描述：
l ) 本实验所需的光源可以根据需要及 条件任意选用 .在没有电源设备的地方 ,可以用蜡烛，及煤油灯做光源 ( 在此情况下不能进行单色光的观察)为了把干涉条纹投到幕上 ,必须用 5 00瓦以上的白炽灯做光源.若用 目镜观察,最好是在狭缝上加有色玻璃 ,以得单色光的明暗条纹
杨的时代有没有加玻璃呢？不清楚那个时代的玻璃工艺。不过咱们物理学教学实验就不好说了，为了得到单色光的实验，说不定加过玻璃。不过我回忆高中的时候应该是用水波给我们演示的。
维基百科（英文）里，就在其他人验证杨的实验中提到了”wax“一词，candle是没有提到过的。
著名的科普大作量子物理学史话里，提到关于杨的比较好的传记是：Thomas Young natural philosopher这本书，网上没有电子版，豆瓣没搜到中文译本，不过亚马逊还在卖，作者是Alexander wood
其实我就是想知道杨当时是怎么做的实验，小盆友们自己用蜡烛光不用加有色玻璃的话是不是条纹很不好？
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