教材“薄膜干涉”教學(xué)釋疑

郭金虎

（江蘇省興化中學(xué)，江蘇 興化 225700）

薄膜干涉是人教版教材中3-4的學(xué)習(xí)內(nèi)容，它是光的干涉的重要應(yīng)用，然而教材只要求學(xué)生初步了解其原理和應(yīng)用，故教材只對(duì)這部分知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹.但由于這部分知識(shí)的抽象性，在教學(xué)過程中，學(xué)生對(duì)課本的一些現(xiàn)象感到難以理解，并由此提出了不少問題.現(xiàn)對(duì)這些問題歸納、分析如下.

問題1.兩個(gè)獨(dú)立光源為何不相干？薄膜干涉實(shí)驗(yàn)中，相干光又是如何獲得的？

通常的獨(dú)立光源不相干的原因是：光的輻射一般是由原子的外層電子激發(fā)后自動(dòng)回到正常狀態(tài)以光的形式把能量放出所形成的.由于輻射原子的能量損失，加上和周圍原子的相互作用，個(gè)別原子的輻射過程是雜亂無章而且常常中斷，持續(xù)時(shí)間甚短，即使在極度稀薄的氣體發(fā)光情況下，和周圍原子的相互作用已減至最弱，而單個(gè)原子輻射的持續(xù)時(shí)間也不超過10－8s.當(dāng)某個(gè)原子輻射中斷后，它自身或者其他的原子又受到激發(fā)重新輻射，但卻具有新的初位相.這就是說，原子輻射的光波并不是一列連續(xù)不斷、振幅和頻率都不隨時(shí)間變化的簡(jiǎn)諧波，即不是理想的單色光.此外，不同原子輻射的光波波列的初相位之間也是沒有關(guān)聯(lián)的.這些斷續(xù)、或長(zhǎng)或短、初相位隨機(jī)的波列的總體，構(gòu)成了非相干的光波.

相干條件：

（1）參與疊加的光波頻率必須相同.

（2）各光波在疊加點(diǎn)引起的振動(dòng)必須有相互平行的振動(dòng)分量.

（3）各光波在疊加點(diǎn)引起的振動(dòng)之間必須有恒定的相位差（不同疊加點(diǎn)可有不同的相位差）.

通常要同時(shí)實(shí)現(xiàn)以上3個(gè)條件，最有效的方法是將同一光源發(fā)出的一列光波用一定的方法分為兩部分，使它們具有相同的頻率和振動(dòng)方向及恒定的相位差，重新構(gòu)成相干光源，才能產(chǎn)生相干光波.其一是分波面法，即在同一波面上兩固定點(diǎn)光源發(fā)出的光產(chǎn)生干涉的方法為分波面法，如楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)、洛埃鏡實(shí)驗(yàn)等；其二是分振幅法，即一束光線經(jīng)過介質(zhì)薄膜的反射與折射，形成的兩束光線產(chǎn)生干涉的方法為分振幅法，如薄膜干涉、等厚干涉等.

薄膜干涉中的相干光就是薄膜前后兩表面反射回來的光.

問題2.為什么薄膜干涉只對(duì)“薄”膜而言？厚膜為什么不能產(chǎn)生干涉？

在薄膜干涉中，“薄”是能形成干涉條紋的重要條件，即膜的厚度必須要小于波列的長(zhǎng)度，這樣經(jīng)膜前后表面反射的兩列波才具有相位上的相關(guān)性.“厚”的膜因?yàn)榻?jīng)前后表面反射的光波相遇后已不具備了相位上的相關(guān)性，故不能滿足干涉第3個(gè)必要條件，是不會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的.資料顯示，白色光源的相干時(shí)間 Δt＝3×10－15s，相干長(zhǎng)度只有Δl＝9000?，是很短的.因此，在檢查平面時(shí)（如圖1），氣槽實(shí)際上是很薄的，經(jīng)氣槽上下表面反射的兩波列實(shí)際上是同一波列分出的兩列波，滿足相位上的相干性，所以能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，如氣槽很厚，也是不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的.而標(biāo)準(zhǔn)件的厚度因遠(yuǎn)大于波列長(zhǎng)度，故經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)件上下兩表面反射的波列已經(jīng)不是同一列波，因而不能產(chǎn)生干涉條紋.

圖1

問題3.當(dāng)皂液薄膜前后表面反射回來的兩反射光的光程差為半波長(zhǎng)奇數(shù)倍時(shí)得到的是暗條紋，偶數(shù)倍得到的一定是明條紋，對(duì)嗎？

這種說法是錯(cuò)誤的.造成這一錯(cuò)誤的主要原因是沒有考慮薄膜反射中的半波損失問題.

圖2

問題4.在肥皂薄膜的兩側(cè)，都能看到明暗相間的干涉條紋嗎？

圖3

如圖3所示，教材中明確指出：“把酒精燈放在金屬絲圈上的肥皂薄膜前，就可以在薄膜上看到火焰的反射像，像上出現(xiàn)了明暗相間的條紋.”這是因?yàn)閺哪さ那?、后表面分別反射回來的兩列波疊加產(chǎn)生的結(jié)果.所以教師在分析這一現(xiàn)象時(shí)，常強(qiáng)調(diào)指出觀察者和燈應(yīng)在肥皂膜的同一側(cè)，甚至有的書中還肯定了在肥皂膜背光面看不到干涉條紋，但在學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)時(shí)，有的提出在膜的另一側(cè)看到了明暗相間的橫向條紋.筆者也的確觀察到了這一現(xiàn)象.究竟孰對(duì)孰錯(cuò)呢？筆者認(rèn)為：在肥皂膜的另一側(cè)也能觀察到干涉條紋，但比較模糊.當(dāng)觀察者和燈在膜的同一側(cè)時(shí)，看到的是反射光的干涉條紋；當(dāng)觀察者和燈在膜的兩側(cè)時(shí)，看到的是透射光的干涉條紋，且反射條紋的明暗與透射條紋的明暗是互補(bǔ)的.我們知道：當(dāng)光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時(shí)，在分界面處，反射光波會(huì)發(fā)生180°的位相突變（相當(dāng)于半個(gè)波長(zhǎng)的損失）；但當(dāng)光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，反射光波卻沒有這種突變.至于透射光波，則不發(fā)生位相突變.因而，當(dāng)膜的厚度達(dá)到其前后表面的反射光產(chǎn)生相消的效果時(shí)，該處將出現(xiàn)透射明條紋；若膜前后表面反射光產(chǎn)生相長(zhǎng)的效果時(shí)，該處將出現(xiàn)透射暗條紋.透射光干涉條紋的清晰程度遠(yuǎn)不如反射光干涉條紋的清晰程度，這是因?yàn)榉瓷涔饣旧蠈儆诘确p光干涉，而透射光的振幅則由于膜的吸收相差懸珠.

問題5.為什么在計(jì)算增透膜的厚度時(shí)沒有考慮半波損失呢？

圖4

問題6.薄膜是否越薄越好？

薄膜的厚度過薄時(shí)，又會(huì)發(fā)生不同的現(xiàn)象.當(dāng)薄膜的厚度d若遠(yuǎn)比λ小，則反射后兩相干光束之間的光程差這時(shí)已主要是由于在薄膜兩表面反射時(shí)的額外光程差，而與在薄膜中的幾何路程長(zhǎng)短即入射角的大小實(shí)際上已沒有關(guān)系.在這種情況下光程差永遠(yuǎn)等于λ/2，永遠(yuǎn)發(fā)生相消干涉.這也可用肥皂薄膜來觀察.取一個(gè)潔凈的線框，浸入肥皂溶液中，取出時(shí)，使框面豎直.肥皂膜由于重力作用而逐漸變薄.在透射光中，由于沒有額外光程差，所以看起來薄膜透明無色.

總結(jié)：我們只要稍留意一下就不難發(fā)現(xiàn)，這部分教材蘊(yùn)含著豐富的培養(yǎng)能力的因素.隨著近代物理學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，適當(dāng)?shù)丶訌?qiáng)這部分內(nèi)容的教學(xué)是很有必要的.在課堂教學(xué)中，教師要充分挖掘教材隱藏的深層次的內(nèi)涵，充分發(fā)揮教材的作用，同時(shí)也不拘泥于教材，最終使教與學(xué)達(dá)到和諧統(tǒng)一.

1 陸光華.“薄膜干涉”教學(xué)難點(diǎn)突破［J］.中學(xué)物理教學(xué)參考，2007（6）.

2 姚啟鈞.光學(xué)教程［M］.北京：高等教育出版社，1995.