什麼是楊氏雙狹縫干涉計算器?
這個工具用來模擬經典的楊氏雙狹縫實驗,正是這個實驗以干涉現象證明了光具有波動性。當同調(相干)光通過相距 \(d\) 的兩道狹窄縫隙時,兩道光波會彼此疊加,並在距離 \(L\) 的螢幕上形成一連串明暗交錯的條紋。本計算器可協助你求出任一亮紋的位置、相鄰條紋之間的間距,以及對應的繞射角度。
如何使用
請依序輸入:光的波長(單位為奈米,可見光大約落在 380–750 nm)、狹縫間距(單位為公釐 mm)、到螢幕的距離(單位為公尺 m),以及亮紋級數 \(m\)(m = 0 為中央極大值,m = 1 為第一條亮紋,以此類推)。計算器會回傳亮紋位置 \(y\)(單位 mm)、繞射角度 θ(單位為度),以及相鄰亮紋之間的間距。
公式說明
當兩道光的路徑差恰好等於波長的整數倍時,便會產生建設性干涉(相長干涉):
$$d\cdot\sin\theta = m\lambda$$在角度很小的情況下,\(\sin\theta \approx \tan\theta = y/L\),於是可推得方便好用的亮紋位置公式
$$y = \frac{m\lambda L}{d}$$相鄰亮紋之間的間距為
$$\Delta y = \frac{\lambda L}{d}$$與級數無關。
實例演算
假設 \(\lambda = 500\ \text{nm}\)、\(d = 0.1\ \text{mm}\)、\(L = 1\ \text{m}\),且 \(m = 1\)。先換算單位:\(\lambda = 5\times10^{-7}\ \text{m}\),\(d = 1\times10^{-4}\ \text{m}\)。代入後
$$y = \frac{1 \times 5\times10^{-7} \times 1}{1\times10^{-4}} = 5\times10^{-3}\ \text{m} = 5\ \text{mm}$$條紋間距同樣為 5 mm,而 \(\sin\theta = m\lambda/d = 0.005\),因此 \(\theta \approx 0.2865°\)。
常見問題
小角度近似一定成立嗎?\(y = m\lambda L/d\) 這個公式假設 θ 很小(只有幾度)。本計算器輸出的繞射角度 θ 是用精確的 \(d\cdot\sin\theta = m\lambda\) 關係求得,因此在角度較大時,建議將兩者互相對照。
什麼是亮紋級數 m?它代表從中央往外數的亮紋數目。m = 0 是中央的主極大;m 值越大,亮紋離中心越遠。
為什麼波長要用 nm、d 要用 mm?這些是實驗室中最自然的常用單位;為求計算一致,計算器內部會把所有數值統一換算成公尺。