《光的干涉》中应注意到的隐性知识

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  ‘光的干涉’是高中物理‘光’一章中重要的一节课。通过多年的教学实践,笔者发现这节课存在一些做为教者应注意到的隐性的知识。这里所说“隐性知识”是指对于学生不要求掌握,但对于教者应该具备的知识。如果教者在这些知识上存在欠缺、不清、理解偏颇,在课堂教学活动中,既可能误导学生,又可能想当然地对基础知识做错误的分析,甚至错误地拓展基础知识。归根结底,影响了学生对知识的正确理解与掌握。下面就几个隐性知识点与同行共同切磋。
  一、如何理解干涉条纹的亮度与宽度
  由于光的干涉的实质就是光波的叠加,根据波的叠加原理可以得出:条纹各处的亮度实
  际是不同的。就亮条纹而言,同一条亮条纹中间位置最亮,相当于机械波中振动加强区域;同一条暗条纹中间位置最暗,相当于机械波中振动减弱区域其间是从最亮向最暗的过渡区域。在视觉上,由于我们是根据进入眼中光的强弱来感知亮暗变化的,所以,当相邻区域间亮度相差不很大,我们就容易认为是一个亮度相同的区域,从而形成亮条纹与暗条纹都有一定的宽度的视觉结果(如教材中首页的彩图)。正因为如此,所以我们研究干涉条纹时,更有价值的是相邻的亮(或暗)条纹间的距离,即‘相邻两条亮纹(或暗纹)间的距离’,而非条纹的宽度。
  二、如何获得单色平行光及观察干涉条纹
  教材中针对薄膜干涉现象应用,列举了‘用干涉法检查平面的平整程度’的实例,并辅以插图,在插图中可以观察到,射向透明样板的光线是平行光束。那么,如何从普通光源获得平行光呢?
  如图1所示,光源S(例如钠灯)发出的单色光通过透镜折射,基本就成为平行光束,再经一个放置方向与水平成450角的透明薄玻璃片G反射后,就得到教材插图中所示的单色入射光线。由于干涉条纹比较细,在观察分析干涉条纹时,不宜用眼睛直接来观察,而是利用读数显微镜Ms来观察测量条纹的曲直及间距等情况。
  三、为何不考虑透明样板上、下表面反射光的干涉
  在上面‘用干涉法检查平面的平整程度’的实例中,通过对插图的观察分析可以发现,在反射光线中,除了教材中提到的‘空气层的上下两个表面反射的两列光波…’外,在透明样板的上表面也反射了光波。若将透明样板视为薄膜,为何不考虑样板上、下表面反射的光的干涉现象呢?
  原因一:普通光源包含大量的发光原子或分子,光源发光实际上是这些发光原子或分子受激辐射现象。根据量子理论,发光原子或分子每次发光的持续时间极短,每次发出的有一定长度的光波称为波列。由于大量的发光原子或分子所发出的波列是随机的,所以波列之间振动的方向可能不同,也无固定的相位关系,因而彼此间发出的波列不符合相干條件。由此看来,只有从同一个波列分出的两个分波列才有可能发生干涉。由于普通光源的相干长度很小,只有毫米(或厘米)数量级。所以,若使某个波列经透明样板上、下表面反射的两个分波列在样板的上表面发生相遇情形,透明样板的厚度应很薄。
  但由于透明样板过厚,致使从上、下两表面反射的两个分波列由于光程差过大,没有出现在上表面相遇情形,这样就不会发生干涉现象。
  原因二:光形成明显稳定的干涉的条件是存在相干光源,“相干光源”教材中的说明是‘两个振动情况总是相同的光源’,振动情况相同不仅指频率相同,振动方向相同,位相恒定,还要求相干光源发出的光振幅相当。为了便于说明,我们借用机械波的波形图,如图虚线1、2表示两个相干光源的振动情况,两者振幅相差较大,实线表示叠加后的振动情况(图2、3分别表示加强干涉与削弱干涉的情形),可以看出叠加后的振幅与1的振幅相近,所以不可能观察到干涉条纹。
  由于透明样板的厚度较大,致使从上、下两表面反射的光由于振幅相差很大,因而就不能观察到干涉条纹。
  综合以上两种情形,这就是不考虑透明样板上、下表面反射光干涉的原因。正因如此,空气膜的厚度显然必须很薄,所以插图中薄片的厚度也就只相当一、两张薄纸的厚度而已。
  四、为何光程差不是空气薄膜厚度的二倍
  在教学中发现,有些教师误将课本中在对双缝干涉中亮(或暗)条纹成因的说明简单应用在分析薄膜干涉中,即认为:经薄膜前后两表面反射的光线的光程差是薄膜厚度的二倍。实际上,要对具体问题加以区别。
  理论与实验证明,当光从光疏介质射向光密介质而在界面上反射,且入射角接近零度(正入射)或900(掠射)时,反射光要产生数值为π的位相突变;当光从光密介质射向光疏介质时,反射光不产生位相突变。这种现象称为“半波损失”。
  结合这一理论,可以分析出:在空气膜的上表面(标准板下表面)发生反射时,没有发生半波损失,但在空气膜的下表面(光学平面)反射时,出现了半波损失现象。
  如图4所示,设此处空气膜厚度为h,根据上面分析,经空气膜上、下两表面反射后的光线1、2间的光程差为δ=2h+ 。
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