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DIY實驗課堂：激光微米尺手工電子DIY教程

電子DIY 閲讀(1.97W)

DIY實驗課堂：激光微米尺Gure>

DIYer:TheHomebrewGuru 製作時間:1小時 製作難度:★★★☆☆ GEEK指數:★★★★★

 

1   瞭解實驗原理這是一個非常簡單的實驗，但背後的概念可能會引起一些混亂（畢竟這是量子物理嘛）。基本上我們知道物質表現的像實在的固體，但是當到達粒子的尺度時，它們的行為將趨向於海浪和聲音那樣的波動。這裏的波動簡單而言就像池塘中的漣漪，具有波動性質的粒子移動時它們像漣漪一樣從源向外輻射。 

我們知道任何實在的固體都只應該存在於一個位置，而不應該同時在多個地方出現，但是漣漪這樣的波動能夠同時穿過多個物體。問題是如果一個物質具有波動特性，當它們與其它物體互動時波動特性會消失並表現出粒子性。換句話説，當我們想看到它的波動性質，同時在多個位置觀察到它時，這傢伙會對自己説“噢，他們會抓到我！我要趕緊表現的像個實體粒子一樣！”儘管它們有這樣的行為特徵，我們還是能夠設法捕捉到它們的波動性質。雙縫干涉實驗能幫我們做到這一點。如果一個實體粒子穿過屏障上的兩個狹縫，我們知道它會像固體顆粒一樣穿過並擊中後面的屏幕。而如果是波穿過這樣的狹縫，它們會互相干涉，在後面的屏幕上形成複雜的圖樣。 

2   材料● 現在你需要去弄個激光筆。如果你有多種顏色的激光筆，你就可以用它們做出豐富多彩的實驗！任何顏色的激光筆都能用。

○ 膠帶

○ 強力膠

○2個訂書釘

○ 橡皮筋

○ 1些硬卡紙

○ 1條細繩

○ 1張紙

○ 1支鉛筆

○ 1條皮尺

○ 以及1根頭髮。黑色的頭髮最好，其他的也行，但是在測量頭髮寬度的時候會有少許誤差。

 

3   製作狹縫首先要做的是用釘書機和一小片紙板做個結構將髮絲支撐在空中。你可以讓頭髮垂直或水平於地面，這個並不重要。但是重點在於髮絲需要平直，並且懸在空中。這裏的頭髮起了雙縫的作用，光波可以從髮絲的上方或下方通過，但是會被中間的髮絲阻擋。這就像雙縫實驗中，物體可以從任何一個縫經過，但是無法通過雙縫之間的阻擋物。 

4   設置激光器在這個實驗中我們將要射向狹縫的“物體”是一束光。光到底是一種波還是分開的粒子呢？答案是兩者都是。光子足夠小，以至於它既能表現出波動性又能表現出實體粒子一樣的特性。將橡皮筋在開關按鈕上纏緊，這樣即使你不按着開關激光指示器也會產生激光。現在將你的“狹縫”放在桌面的盡頭，然後讓激光直射在髮絲上。你可能已經在牆上看到光波的波紋了！如果你想看到的就只有這些，那麼這樣就夠了。現在我們要用這個方法，經過神祕的大宇宙的啟示（作者的筆記裏如是説）來獲得那根髮絲的寬度。用一小片紙墊高激光筆，使它發出的光線不用手持也能剛好能照射在髮絲上，然後用膠帶固定住。 

5   記錄測量結果你的裝置離牆面越遠，獲得的結果就更為準確，所以將桌子拉遠一些是個明智的選擇。將細繩的一端粘在牆上中間那個最亮的光斑上，然後將它拉直到激光與頭髮的交匯點。在這裏剪斷細繩並測量長度，最後將細繩粘在牆上的一端取下來。在牆上的光斑處貼上一條膠帶，然後用鉛筆標記出每個光斑的位置。請記住激光越亮，波長越短，裝置到牆的距離越遠，最後你對髮絲寬度的測量就越準確。 

6   代入公式我已經完成了所有的數學運算，所以你需要做的就是把測量結果代入公式，然後髮絲的寬度立等可取！你可能需要知道你用的激光器波長，這通常可以在激光筆外面的小標籤讀到。激光波長以納米為單位，不同顏色的激光波長不同，綠激光和紅激光有着不同的波長（常見的：紅光650nm，綠光532nm，藍光450nm/405nm）。確保把所有的單位換算成米，不這麼做的話結果會相差很多個數量級！如果只想量出頭髮的寬度，那麼這個實驗就完成了。大多數人的頭髮寬度在10um~200um之間。得出這個結果表示，你已經成功做出了自己的“量子千分尺”。我第一次和朋友佩德羅一起做這個實驗時，計算出了點問題（計算出來的頭髮寬度遠比預計的大）。我們不知道究竟是哪裏出了問題，但是我們用了網上找到的雙縫干涉公式，它們和其他的實驗結果不甚符合。看起來許多網上的公式都只是雙縫干涉圖樣的近似模型，結果中所有的亮點距離彼此相等，這是不夠準確的。為了修正這一點，我們推導了一個能儘可能準確計算測量結果的公式，參數包括光點個數n，波長λ（lambda），首尾光點之間的距離x和中心光斑到激光照射點的距離L，如果你想知道它的名字，我們將之命名為奈斯特-阿梅爾方程或者奈斯特-阿梅爾推導。不要害怕數學公式，所有你要做的事就是把需要的數字代入其中。注意當我説最大值的時候，我指的是光斑中心亮度最大的地方。此外，變量x是最大的光點到最外側的光點的距離，變量m指的是從中心的亮斑開始數起的光點數，不包括中心亮斑本身。 

標籤： DIY 課堂 微米 激光 月餅diy體驗
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