杨氏双缝干涉实验 第一步：现象与核心概念的引入 想象一下，你向平静的水面同时投入两粒小石子。两粒石子激起的圆形水波纹会向外扩散并相互重叠。在某些区域，两个波纹的波峰相遇，叠加形成更高的波峰（波谷相遇形成更深的波谷），这称为 相长干涉 ，水面的起伏加剧。在另一些区域，一个波纹的波峰与另一个波纹的波谷相遇，它们相互抵消，水面几乎平静，这称为 相消干涉 。 杨氏双缝干涉实验 就是将水波的这种干涉现象，首次清晰、定量地展示在光的世界中，从而证明了光具有波动性。 第二步：实验装置的精简描述 实验装置的核心非常简单： 一个单色点光源 ：例如在强光源前加一个滤色片和一个小孔，发出单一波长（如红光）的光，以确保光的相干性。 一个刻有两条非常靠近的平行狭缝的挡板 ：这块板称为“双缝板”。两条缝的宽度和间距必须非常微小（通常零点几毫米量级），且完全相同。 一个观察屏 ：放置在双缝板后方一定距离处，用于接收图案。 光从点光源发出，照射到双缝板。根据惠更斯原理，每条狭缝都可以看作是一个新的次波源，向前方发射子波。由于这两条缝被同一个光源照亮，它们发出的光波是 相干 的（频率相同、振动方向相同、相位差恒定）。 第三步：干涉图样的形成原理 这是最关键的一步。光波从两条缝S1和S2同时发出，在观察屏上的任意一点P相遇。 关键量是 光程差 ：即从S1到P的距离与从S2到P的距离之差，记为 ΔL。 干涉条件 ： 如果光程差 ΔL 等于波长的整数倍（即 ΔL = kλ， k=0, ±1, ±2...），那么两列波在P点将是波峰与波峰相遇（或波谷与波谷相遇），发生 相长干涉 ，P点亮度最大，形成一条 明条纹 。中心位置（k=0）称为 中央明纹 。 如果光程差 ΔL 等于半波长的奇数倍（即 ΔL = (k+1/2)λ， k=0, ±1, ±2...），那么两列波在P点将是波峰与波谷相遇，发生 相消干涉 ，P点亮度最暗，形成一条 暗条纹 。 第四步：定量分析与图样特征 通过几何关系（设定双缝间距为d，缝到屏的距离为D，且D远大于d），可以推导出屏上明暗条纹的位置（以中心为原点）： 明纹位置 ： x = k * (λD/d) 暗纹位置 ： x = (k+1/2) * (λD/d) 由此可知干涉图样的特征： 等间距平行条纹 ：条纹是一系列平行于双缝的明暗相间的直条纹。 条纹间距公式 ：相邻两条明纹（或暗纹）中心的距离 Δx = λD/d。这是一个极其重要的公式。 公式的物理意义 ：条纹间距 Δx 与光的波长 λ 成正比。因此，如果用白光做实验，不同颜色的光会形成间距不同的彩色条纹，仅中央明纹为白色，两侧呈彩色。同时，条纹间距与双缝到屏的距离D成正比，与双缝间距d成反比。 第五步：实验的深远意义与扩展应用 历史意义 ：托马斯·杨在1801年完成此实验，为光的 波动说 提供了决定性的证据，颠覆了当时占统治地位的牛顿粒子说。 测量波长 ：该实验是历史上第一个精确测量可见光波长的方法。通过测量d、D和Δx，即可由公式 λ = (Δx * d) / D 计算出光波的波长。 原理的普适性 ：它揭示了任何波动都具有干涉这一本质特征。后来，电子、中子甚至大分子的双缝干涉实验相继成功，成为物质波（量子力学）的奠基性实验，揭示了微观粒子的波粒二象性。 现代应用 ：其原理是许多现代干涉测量技术（如干涉仪、光栅光谱仪）的基础，广泛应用于测量微小长度、折射率、表面平整度以及天体测量等领域。