等厚干涉實驗教學設計與討論

王利福 丁昌江

【摘要】文章針對大學物理等厚干涉實驗進行了教學討論。增加了該實驗與日常生活現象的聯系，實際應用的教學實踐。

【關鍵詞】大學物理實驗；教學設計；應用

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】B 【文章編號】2095-3089（2017）31-0009-01

光的本性是具有波粒二象性，等厚干涉實驗各高校普通物理實驗的一個經典實驗，這一實驗是光的干涉實驗，說明光具有波動性。本文試圖從激發學生興趣，開拓視野的角度進行教學設計。具體實施方案如下。

一、課題引入，頭發絲直徑的測量

我們每天都在打理自己的頭發，那么我們是否知道頭發絲的直徑有多大呢？或者我們想知道不同人的頭發絲直徑的差別怎么辦？實驗室提供的儀器有米尺、50分度游標卡尺、千分尺、兩塊玻璃磚、牛頓環、讀數顯微鏡、鈉光燈。可以用上述普通測長儀器諸如米尺，卡尺、千分尺能測量出來么？怎么設計？

二、期望學生討論得出以下方案

方案1：利用上述傳統測長儀器直接測量。頭發絲直徑約零點零幾毫米。由于這幾種儀器的最小刻度值及誤差分別為，米尺（1mm，Δ=±0.1mm），50分度卡尺（0.02mm，Δ=±0.02mm）、千分尺（0.01mm，Δ=±0.004mm），可見用上述儀器無法測量或者誤差較大。

方案2：可以將頭發絲密繞在一支鉛筆上，測出總長除以環數可得直徑。當然這種方案操作難度大，因為頭發絲不易密繞。這種方案誤差較大。

方案3：利用讀數顯微鏡直接測量頭發絲直徑。讀數顯微鏡的分度值為0.01mm，儀器誤差Δ=±0.005mm，而且顯微鏡中的準線叉絲相比頭發絲直徑，不可忽略，所以這種方案也不可行。

那么我們就需要一個合適的尺子，這種尺子的最小刻度值要很小，才有可能測出直徑來。引導學生利用大學物理課程學習等厚干涉的知識能否實現呢？怎么設計？可以引導學生翻閱大學物理書，或者網絡查詢，分組討論。

期望學生得到方案4：將頭發絲加在兩塊玻璃磚的一側，構成空氣劈尖。放置于讀書顯微鏡下，用鈉光燈照射，觀察等厚干涉現象并進行測量，如圖1。

等厚干涉與日常現象的聯系。引導學生討論等厚干涉與日常生活中有哪些現象有關。肥皂泡上的彩色條紋，雨后水面上的油膜以及金屬氧化物表面的彩色條紋，還有自然界中一些昆蟲（蜻蜓、蝴蝶）翅膀上的彩色條紋都是等厚干涉現象。

根據等厚干涉理論可以推出空氣劈尖上觀察到的明暗相間干涉條紋，相鄰條紋之間的厚度差，這厚度差，λ為鈉燈的波長589.3nm，=294.65nm就相當于一把尺子的最小刻度值，劈棱處為暗條紋且對應的厚度為零，如果知道被測物是第N級暗條紋，則被測厚度。實際操作中可以測出條紋密度n，再測出劈棱至被測物的總長L，則N=L·n。

這種方案的精度很高，相當于我們的尺子的誤差Δ=±294.65nm。

三、拓展及應用

我們找到了一把空氣劈尖能夠測量微小厚度的尺子，可以測量線膨脹系數。劈尖實際中還有什么應用呢？根據劈尖等厚干涉的原理我們還可以測量劈尖夾角、測量入射光的波長、或者檢測光學平面的平整度、測液體的折射率等。

參考文獻

[1]秦克誠.物理學與生活[M].北京市：電子工業出版社，2010年.

[2]呂軍 王景峰.大學物理實驗[M].北京市：高等教育出版社，2015年.

[3]遠德玉，毛天玉.實驗教學的由來和發展[J].高等教育研究，1981（1）：61.

作者簡介：王利福（1980-），男，漢族，內蒙古呼和浩特市人，碩士，內蒙古工業大學講師，研究方向：大學物理及實驗教育。