《光的干涉》中應(yīng)注意到的隱性知識(shí)

趙曉光

‘光的干涉是高中物理‘光一章中重要的一節(jié)課。通過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐，筆者發(fā)現(xiàn)這節(jié)課存在一些做為教者應(yīng)注意到的隱性的知識(shí)。這里所說(shuō)“隱性知識(shí)”是指對(duì)于學(xué)生不要求掌握，但對(duì)于教者應(yīng)該具備的知識(shí)。如果教者在這些知識(shí)上存在欠缺、不清、理解偏頗，在課堂教學(xué)活動(dòng)中，既可能誤導(dǎo)學(xué)生，又可能想當(dāng)然地對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)做錯(cuò)誤的分析，甚至錯(cuò)誤地拓展基礎(chǔ)知識(shí)。歸根結(jié)底，影響了學(xué)生對(duì)知識(shí)的正確理解與掌握。下面就幾個(gè)隱性知識(shí)點(diǎn)與同行共同切磋。

一、如何理解干涉條紋的亮度與寬度

由于光的干涉的實(shí)質(zhì)就是光波的疊加，根據(jù)波的疊加原理可以得出：條紋各處的亮度實(shí)

際是不同的。就亮條紋而言，同一條亮條紋中間位置最亮，相當(dāng)于機(jī)械波中振動(dòng)加強(qiáng)區(qū)域；同一條暗條紋中間位置最暗，相當(dāng)于機(jī)械波中振動(dòng)減弱區(qū)域其間是從最亮向最暗的過(guò)渡區(qū)域。在視覺(jué)上，由于我們是根據(jù)進(jìn)入眼中光的強(qiáng)弱來(lái)感知亮暗變化的，所以，當(dāng)相鄰區(qū)域間亮度相差不很大，我們就容易認(rèn)為是一個(gè)亮度相同的區(qū)域，從而形成亮條紋與暗條紋都有一定的寬度的視覺(jué)結(jié)果（如教材中首頁(yè)的彩圖）。正因?yàn)槿绱耍晕覀冄芯扛缮鏃l紋時(shí)，更有價(jià)值的是相鄰的亮（或暗）條紋間的距離，即‘相鄰兩條亮紋（或暗紋）間的距離，而非條紋的寬度。

二、如何獲得單色平行光及觀(guān)察干涉條紋

教材中針對(duì)薄膜干涉現(xiàn)象應(yīng)用，列舉了‘用干涉法檢查平面的平整程度的實(shí)例，并輔以插圖，在插圖中可以觀(guān)察到，射向透明樣板的光線(xiàn)是平行光束。那么，如何從普通光源獲得平行光呢？

如圖1所示，光源S（例如鈉燈）發(fā)出的單色光通過(guò)透鏡折射，基本就成為平行光束，再經(jīng)一個(gè)放置方向與水平成450角的透明薄玻璃片G反射后，就得到教材插圖中所示的單色入射光線(xiàn)。由于干涉條紋比較細(xì)，在觀(guān)察分析干涉條紋時(shí)，不宜用眼睛直接來(lái)觀(guān)察，而是利用讀數(shù)顯微鏡Ms來(lái)觀(guān)察測(cè)量條紋的曲直及間距等情況。

三、為何不考慮透明樣板上、下表面反射光的干涉

在上面‘用干涉法檢查平面的平整程度的實(shí)例中，通過(guò)對(duì)插圖的觀(guān)察分析可以發(fā)現(xiàn)，在反射光線(xiàn)中，除了教材中提到的‘空氣層的上下兩個(gè)表面反射的兩列光波…外，在透明樣板的上表面也反射了光波。若將透明樣板視為薄膜，為何不考慮樣板上、下表面反射的光的干涉現(xiàn)象呢？

原因一：普通光源包含大量的發(fā)光原子或分子，光源發(fā)光實(shí)際上是這些發(fā)光原子或分子受激輻射現(xiàn)象。根據(jù)量子理論，發(fā)光原子或分子每次發(fā)光的持續(xù)時(shí)間極短，每次發(fā)出的有一定長(zhǎng)度的光波稱(chēng)為波列。由于大量的發(fā)光原子或分子所發(fā)出的波列是隨機(jī)的，所以波列之間振動(dòng)的方向可能不同，也無(wú)固定的相位關(guān)系，因而彼此間發(fā)出的波列不符合相干條件。由此看來(lái)，只有從同一個(gè)波列分出的兩個(gè)分波列才有可能發(fā)生干涉。由于普通光源的相干長(zhǎng)度很小，只有毫米（或厘米）數(shù)量級(jí)。所以，若使某個(gè)波列經(jīng)透明樣板上、下表面反射的兩個(gè)分波列在樣板的上表面發(fā)生相遇情形，透明樣板的厚度應(yīng)很薄。

但由于透明樣板過(guò)厚，致使從上、下兩表面反射的兩個(gè)分波列由于光程差過(guò)大，沒(méi)有出現(xiàn)在上表面相遇情形，這樣就不會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象。

原因二：光形成明顯穩(wěn)定的干涉的條件是存在相干光源，“相干光源”教材中的說(shuō)明是‘兩個(gè)振動(dòng)情況總是相同的光源，振動(dòng)情況相同不僅指頻率相同，振動(dòng)方向相同，位相恒定，還要求相干光源發(fā)出的光振幅相當(dāng)。為了便于說(shuō)明，我們借用機(jī)械波的波形圖，如圖虛線(xiàn)1、2表示兩個(gè)相干光源的振動(dòng)情況，兩者振幅相差較大，實(shí)線(xiàn)表示疊加后的振動(dòng)情況（圖2、3分別表示加強(qiáng)干涉與削弱干涉的情形），可以看出疊加后的振幅與1的振幅相近，所以不可能觀(guān)察到干涉條紋。

由于透明樣板的厚度較大，致使從上、下兩表面反射的光由于振幅相差很大，因而就不能觀(guān)察到干涉條紋。

綜合以上兩種情形，這就是不考慮透明樣板上、下表面反射光干涉的原因。正因如此，空氣膜的厚度顯然必須很薄，所以插圖中薄片的厚度也就只相當(dāng)一、兩張薄紙的厚度而已。

四、為何光程差不是空氣薄膜厚度的二倍

在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，有些教師誤將課本中在對(duì)雙縫干涉中亮（或暗）條紋成因的說(shuō)明簡(jiǎn)單應(yīng)用在分析薄膜干涉中，即認(rèn)為：經(jīng)薄膜前后兩表面反射的光線(xiàn)的光程差是薄膜厚度的二倍。實(shí)際上，要對(duì)具體問(wèn)題加以區(qū)別。

理論與實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)而在界面上反射，且入射角接近零度（正入射）或900（掠射）時(shí)，反射光要產(chǎn)生數(shù)值為π的位相突變；當(dāng)光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，反射光不產(chǎn)生位相突變。這種現(xiàn)象稱(chēng)為“半波損失”。

結(jié)合這一理論，可以分析出：在空氣膜的上表面（標(biāo)準(zhǔn)板下表面）發(fā)生反射時(shí)，沒(méi)有發(fā)生半波損失，但在空氣膜的下表面（光學(xué)平面）反射時(shí)，出現(xiàn)了半波損失現(xiàn)象。

如圖4所示，設(shè)此處空氣膜厚度為h，根據(jù)上面分析，經(jīng)空氣膜上、下兩表面反射后的光線(xiàn)1、2間的光程差為δ=2h+ 。