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头发衍射计算器
如果我告诉你,使用头发衍射计算器,你可以用光来测量一根头发的宽度,你会怎么想?听起来像魔法?也许需要超能力?不,这只是物理学!没什么可怕的,我们创建了一个计算器、一个视频,以及网络上最好的解释来帮助你理解什么是衍射,以及如何在家中舒适地利用激光的(超)能力!
说实话,科学中最无聊的部分就是做计算。故事、奇怪的现象和常见物品的超酷用途才是我们都想要和喜爱的。这就是为什么我们在Omni制作了这个计算器;你可以计算头发的宽度,了解背后的物理学...而且永远不必做任何计算(如果你不想的话)。所以来吧,了解物理学中最著名的实验,以及如何用激光笔测量你自己的头发!
喜欢看而不是读?通过我们为你制作的这个视频学习你需要的一切。
创建(头发)衍射图样来测量距离
虽然听起来违反直觉,但测量距离最精确的方法之一是使用光,特别是激光。虽然你可以使用世界上最昂贵、最精密的设备,但你真正需要的只是在任何大商店都能买到的东西。
实验材料:
- 激光笔将是我们的光源
- 卷尺或直尺帮助我们进行粗略测量
- 一根头发(如果你想测量头发的宽度,这很重要)
- 胶带和纸笔用于方便操作
将激光照射到头发上,观察它在墙上形成的"阴影"。你会看到这不是阴影,而是由明暗斑点形成的虚线图案。令人震惊,对吧?这就是物理学家所说的衍射图样。
测量从中央最亮点到图案中第一个暗点的距离。选择右边还是左边的并不重要;科学不是政治 😜
衍射图样背后的数学原理
相消干涉要求波之间传播路径的差异是波长(λ)的奇数倍。对于相长干涉(亮点),我们需要该波长的整数倍。
其中n是我们测量的暗点位置(通常n=1),θ是从头发到衍射图样中心和从头发到暗点中间形成的(微小)角度。
因为D远大于w,角度θ非常小,我们可以使用近似:sin(θ) ≈ x/D
其中D是头发到墙的距离,w是头发宽度,x是从衍射图样中心到暗点的距离,λ是激光波长。
不要做穴居人 - 使用头发衍射计算器!
让我们从最简单、最明智的选择开始:使用头发衍射计算器。我们稍后有时间深入研究实验的数学和几何,但如果我们只想测量东西,我们就可以这样做。
测量头发宽度需要的数据:
- 从头发到看到衍射图样的墙面的距离
- 激光的波长(通常印在激光器本身的警告标签上)
- (可选)暗点的位置
- 从衍射图样中心到你选择的暗点的距离
- 暂停一秒,享受工作完成的成就感!
注意,我们甚至没有提到任何公式或数学概念...因为如果你只想要数字,就没有必要陷入解方程和记住如何计算三角函数的困扰中。
超越数字:理解物理学
如果说在Omni有一件我们喜爱的事,那就是让每个人的生活更轻松;这就是为什么我们制作计算器,这也是为什么我们制作了一个视频,详细解释当激光照射到头发上时光会发生什么,以及这如何让我们测量所述头发的宽度。
波干涉和惠更斯原理: 当激光击中头发时,头发的每一点都成为波的次级发射器。由于实验配置,我们可以假设只有从头发边缘发射的那些波会到达墙面。到目前为止,我们应用了惠更斯-菲涅尔原理。
当从稍微不同位置发射的波在墙面再次相遇时,它们会彼此稍微失相,因此会产生干涉图样。干涉是波相互作用的方式,大致来说,有两种类型:相长干涉(亮点)和相消干涉(暗点)——这正是我们在墙上看到的。
历史意义: 头发衍射只不过是你可以通过使用光栅获得的更一般现象的特殊情况。这个实验基于科学史上可以说是最重要和最著名的实验:杨氏双缝实验,它证明了光既是粒子又是波的奇妙性质。
衍射图样显示我们的世界比科幻小说更疯狂
这可能看起来像一个没有任何现实世界™好处的有趣实验,但我们在这里要反驳这一点。首先,你已经了解了波干涉和惠更斯原理。这些是理解波如何表现的两个最重要的概念。
但是,如果这对你来说还不够,让我们指出这个实验基于科学史上可以说是最重要和最著名的实验:杨氏双缝实验。在1801年,托马斯·杨想要一劳永逸地解决关于光的本质的世纪辩论。
艾萨克·牛顿爵士和同伴们相信光是由微小粒子组成的,而克里斯蒂安·惠更斯和其他人相信光实际上是一种波。实验证明光是一种波,因为狭缝在它们后面创造了衍射图样。
辩论一直持续到一位名叫阿尔伯特·爱因斯坦的年轻德国物理学家因证明光实际上是由粒子组成而获得诺贝尔奖。再一次,现实比任何可以想象的小说都更奇怪。光既是粒子又是波。正如路易·德布罗意在上世纪初所展示的,一切都可以表现为波或粒子,这取决于情况。
常见问题
如何提高测量精度?
改善结果的简单方法是测量到第二、第三或第四个...暗点的距离,从而降低相对误差。如果你这样做,只需记住在计算器中将位置更改为正确的位置。通常,我们测量到第一个暗点的距离,因为数学更简单,但测量更远的暗点可以提高精度。
为什么我们看到的是衍射图样而不是简单的阴影?
这是因为光的波动性质。当光波遇到头发这样的障碍物时,会发生衍射现象。根据惠更斯原理,头发边缘成为次级波源,这些波相互干涉,在墙上形成明暗相间的条纹图样,而不是简单的几何阴影。
| 参数名 | 参数类型 | 默认值 | 是否必传 | 描述 |
|---|---|---|---|---|
| distanceToWallUnit | string | m | 否 | 头发到墙面距离的测量单位 |
| laserWavelengthUnit | string | nm | 否 | 激光波长的测量单位 |
| darkSpotPosition | integer | 1 | 否 | 选择测量的暗条纹位置,第一条暗条纹为1,第二条为2,以此类推。使用更高序号的暗条纹可以提高测量精度 |
| hairWidthUnit | string | μm | 否 | 计算结果头发宽度的显示单位 |
| distanceToDarkSpotUnit | string | mm | 否 | 中心到暗条纹距离的测量单位 |
| distanceToWall | number | 1.0 | 否 | 从头发位置到观察衍射图案的墙面之间的距离 |
| distanceToDarkSpot | number | 5.0 | 否 | 从衍射图案中心最亮点到选定暗条纹的距离 |
| laserWavelength | number | 650 | 否 | 激光笔的光波长,通常标注在激光笔的警告标签上 |
| 参数名 | 参数类型 | 默认值 | 描述 |
|---|---|---|---|
| hairWidthUnit | string | 头发宽度的测量单位 | |
| diffractionAngle | number | 从头发到衍射图案中心和暗条纹之间的夹角,单位为弧度 | |
| hairWidth | number | 通过衍射实验计算得出的头发宽度数值 | |
| calculationFormula | string | 使用的衍射计算公式说明 |
| 错误码 | 错误信息 | 描述 |
|---|---|---|
| FP00000 | 成功 | |
| FP03333 | 失败 |
参考上方对接示例
