DIY实验课堂:激光微米尺

标签: diy 实验 课堂 | 发表时间:2011-09-25 05:14 | 作者:(author unknown) icosane
出处:http://www.guokr.com/
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DIYer:TheHomebrewGuru
制作时间:1小时
制作难度:★★★☆☆
GEEK指数:★★★★★

编译来源



1   了解实验原理

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  • 这是一个非常简单的实验,但背后的概念可能会引起一些混乱(毕竟这是量子物理嘛)。基本上我们知道物质表现的像实在的固体,但是当到达粒子的尺度时,它们的行为将趋向于海浪和声音那样的波动。这里的波动简单而言就像池塘中的涟漪,具有波动性质的粒子移动时它们像涟漪一样从源向外辐射。

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  • 我们知道任何实在的固体都只应该存在于一个位置,而不应该同时在多个地方出现,但是涟漪这样的波动能够同时穿过多个物体。问题是如果一个物质具有波动特性,当它们与其它物体互动时波动特性会消失并表现出粒子性。换句话说,当我们想看到它的波动性质,同时在多个位置观察到它时,这家伙会对自己说“噢,他们会抓到我!我要赶紧表现的像个实体粒子一样!”
  • 尽管它们有这样的行为特征,我们还是能够设法捕捉到它们的波动性质。双缝干涉实验能帮我们做到这一点。如果一个实体粒子穿过屏障上的两个狭缝,我们知道它会像固体颗粒一样穿过并击中后面的屏幕。而如果是波穿过这样的狭缝,它们会互相干涉,在后面的屏幕上形成复杂的图样。

2   材料

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● 现在你需要去弄个激光笔。如果你有多种颜色的激光笔,你就可以用它们做出丰富多彩的实验!任何颜色的激光笔都能用。
○ 胶带
○ 强力胶
○2个订书钉
○ 橡皮筋
○ 1些硬卡纸
○ 1条细绳
○ 1张纸
○ 1支铅笔
○ 1条皮尺
○ 以及1根头发。黑色的头发最好,其他的也行,但是在测量头发宽度的时候会有少许误差。

3   制作狭缝

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  • 首先要做的是用钉书机和一小片纸板做个结构将发丝支撑在空中。你可以让头发垂直或水平于地面,这个并不重要。但是重点在于发丝需要平直,并且悬在空中。这里的头发起了双缝的作用,光波可以从发丝的上方或下方通过,但是会被中间的发丝阻挡。这就像双缝实验中,物体可以从任何一个缝经过,但是无法通过双缝之间的阻挡物。

4   设置激光器

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  • 在这个实验中我们将要射向狭缝的“物体”是一束光。光到底是一种波还是分开的粒子呢?答案是两者都是。光子足够小,以至于它既能表现出波动性又能表现出实体粒子一样的特性。将橡皮筋在开关按钮上缠紧,这样即使你不按着开关激光指示器也会产生激光。现在将你的“狭缝”放在桌面的尽头,然后让激光直射在发丝上。你可能已经在墙上看到光波的波纹了!如果你想看到的就只有这些,那么这样就够了。
  • 现在我们要用这个方法,经过神秘的大宇宙的启示(作者的笔记里如是说)来获得那根发丝的宽度。用一小片纸垫高激光笔,使它发出的光线不用手持也能刚好能照射在发丝上,然后用胶带固定住。

5   记录测量结果

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  • 你的装置离墙面越远,获得的结果就更为准确,所以将桌子拉远一些是个明智的选择。将细绳的一端粘在墙上中间那个最亮的光斑上,然后将它拉直到激光与头发的交汇点。在这里剪断细绳并测量长度,最后将细绳粘在墙上的一端取下来。
  • 在墙上的光斑处贴上一条胶带,然后用铅笔标记出每个光斑的位置。
  • 请记住激光越亮,波长越短,装置到墙的距离越远,最后你对发丝宽度的测量就越准确。

6   代入公式

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  • 我已经完成了所有的数学运算,所以你需要做的就是把测量结果代入公式,然后发丝的宽度立等可取!
  • 你可能需要知道你用的激光器波长,这通常可以在激光笔外面的小标签读到。激光波长以纳米为单位,不同颜色的激光波长不同,绿激光和红激光有着不同的波长(常见的:红光650nm,绿光532nm,蓝光450nm/405nm)。确保把所有的单位换算成米,不这么做的话结果会相差很多个数量级!如果只想量出头发的宽度,那么这个实验就完成了。大多数人的头发宽度在10um~200um之间。得出这个结果表示,你已经成功做出了自己的“量子千分尺”。
  • 我第一次和朋友佩德罗一起做这个实验时,计算出了点问题(计算出来的头发宽度远比预计的大)。我们不知道究竟是哪里出了问题,但是我们用了网上找到的双缝干涉公式,它们和其他的实验结果不甚符合。看起来许多网上的公式都只是双缝干涉图样的近似模型,结果中所有的亮点距离彼此相等,这是不够准确的。为了修正这一点,我们推导了一个能尽可能准确计算测量结果的公式,参数包括光点个数n,波长λ(lambda),首尾光点之间的距离x和中心光斑到激光照射点的距离L,如果你想知道它的名字,我们将之命名为奈斯特-阿梅尔方程或者奈斯特-阿梅尔推导。
  • 不要害怕数学公式,所有你要做的事就是把需要的数字代入其中。注意当我说最大值的时候,我指的是光斑中心亮度最大的地方。此外,变量x是最大的光点到最外侧的光点的距离,变量m指的是从中心的亮斑开始数起的光点数,不包括中心亮斑本身。

7   扩展阅读

查找以下概念的相关知识有助于进一步了解量子力学。

1.德布罗意波(物质波)
2.相对论质量(质能方程)
3.量子超距作用(量子纠缠)
4.海森堡测不准原理
5.量子擦除实验

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