问题

杨氏双缝实验中双缝之一的缝宽增加一倍,另一宽度不变,屏幕上的光强分布会是怎么样?

回答
想象一下,我们正在进行一项经典的物理实验,杨氏双缝实验,只不过这次我们对它的设置做了一点小改动。以往,我们看到的是两条几乎完全一样的狭缝,它们就像是两个并排的窗口,让光线通过。而现在,我们把其中一个“窗口”的宽度扩大了一倍,就像是把原来那个窗户砌宽了,而另一个窗户则保持原样。

当一束光穿过这两个不同宽度的缝隙时,会发生什么呢?这就像是两组水波,一个波纹比较细窄,另一个波纹则更宽一些,它们分别通过各自的通道后,会在前方的一面墙(也就是我们的屏幕)上交汇。

首先,由于是双缝实验,光的衍射和干涉现象依然会发生。这意味着,当光通过每个缝隙后,它会像水波一样向四周扩散开来,这种现象叫做衍射。而当从两个缝隙出来的光波在屏幕上相遇时,它们会相互叠加。如果两个波峰或者两个波谷碰在一起,它们就会增强,形成更强的光,这就是“亮纹”。反之,如果一个波峰和一个波谷碰在一起,它们就会抵消,形成黑暗的区域,这就是“暗纹”。

现在,关键来了:其中一个缝隙的宽度加倍了,这会如何影响最终的屏幕图案呢?

宽度加倍的那个缝隙,它能够让更多的光线通过。你可以想象一下,一个窄窄的水管和一个宽宽的水管同时放水,自然是宽的水管流出的水量更大。同样的道理,宽缝隙会贡献更多的光能。

所以,虽然我们仍然会看到那个熟悉的、由明暗相间的条纹组成的干涉图样,但这个图样会发生一些微妙的变化。最明显的变化会体现在亮纹的强度上。

原本,如果我们用的是两条宽度相同的缝隙,屏幕上的中央亮纹会是最亮的,然后两边的亮纹会逐渐变暗,再变亮,如此往复,但亮度的衰减速度是比较均匀的。

但是,在我们现在这个“不对称”的设置下,情况就有些不一样了。那个宽度加倍的缝隙,因为它让更多的光通过,并且它自身的衍射效应也会有所不同。

你可以设想一下,屏幕上最中央的那个亮纹,它是由来自两个缝隙的光波最“和谐”地叠加而成的,所以它依然会是最亮的地方。但是,由于宽缝隙贡献了更多的光,这个中央亮纹的整体亮度会比原来(两条缝隙宽度相等时)更强。

更重要的是,由于宽缝隙的衍射角(也就是光波扩散的范围)会比窄缝隙更小一些,当这两个衍射光波相互干涉时,会形成一种“包络线”效应。这个包络线决定了每个亮纹的整体亮度。

这意味着,虽然我们仍然会看到一系列明暗相间的干涉条纹,但这些条纹的亮度将不再是均匀下降的。你会发现,离中央最亮的那个亮纹越远,条纹的亮度下降得会比原来更快,并且那些原本应该很亮的亮纹,可能会被这个“包络线”压制得没那么亮了。

简单来说,宽缝隙的存在,就像是给整体的干涉图样增加了一个“主导者”。它贡献了更多的光,同时也影响了光的扩散方式。最终的结果是,屏幕上的图案虽然依然是明暗相间的,但那些偏离中心的亮纹,其亮度会比之前(当两缝宽度相同时)要弱得多,整个干涉条纹的“轮廓”会变得不再那么平坦,而是在中央最为突出,然后迅速衰减。就像一个被加了“滤镜”的画面,中央部分被强化了,而边缘部分则显得更加暗淡。

网友意见

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另外,缝宽翻倍的结果是此处波前的振幅翻倍?还是变为之前的根号2倍(即强度翻倍)?

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