教材“薄膜干涉”教學釋疑

郭金虎

（江蘇省興化中學，江蘇 興化 225700）

薄膜干涉是人教版教材中3-4的學習內容，它是光的干涉的重要應用，然而教材只要求學生初步了解其原理和應用，故教材只對這部分知識進行簡單的介紹.但由于這部分知識的抽象性，在教學過程中，學生對課本的一些現象感到難以理解，并由此提出了不少問題.現對這些問題歸納、分析如下.

問題1.兩個獨立光源為何不相干？薄膜干涉實驗中，相干光又是如何獲得的？

通常的獨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后自動回到正常狀態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，個別原子的輻射過程是雜亂無章而且常常中斷，持續時間甚短，即使在極度稀薄的氣體發光情況下，和周圍原子的相互作用已減至最弱，而單個原子輻射的持續時間也不超過10－8s.當某個原子輻射中斷后，它自身或者其他的原子又受到激發重新輻射，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不斷、振幅和頻率都不隨時間變化的簡諧波，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聯的.這些斷續、或長或短、初相位隨機的波列的總體，構成了非相干的光波.

相干條件：

（1）參與疊加的光波頻率必須相同.

（2）各光波在疊加點引起的振動必須有相互平行的振動分量.

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

通常要同時實現以上3個條件，最有效的方法是將同一光源發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方向及恒定的相位差，重新構成相干光源，才能產生相干光波.其一是分波面法，即在同一波面上兩固定點光源發出的光產生干涉的方法為分波面法，如楊氏雙縫干涉實驗、洛埃鏡實驗等；其二是分振幅法，即一束光線經過介質薄膜的反射與折射，形成的兩束光線產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“薄”膜而言？厚膜為什么不能產生干涉？

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度，這樣經膜前后表面反射的兩列波才具有相位上的相關性.“厚”的膜因為經前后表面反射的光波相遇后已不具備了相位上的相關性，故不能滿足干涉第3個必要條件，是不會產生干涉現象的.資料顯示，白色光源的相干時間 Δt＝3×10－15s，相干長度只有Δl＝9000?，是很短的.因此，在檢查平面時（如圖1），氣槽實際上是很薄的，經氣槽上下表面反射的兩波列實際上是同一波列分出的兩列波，滿足相位上的相干性，所以能產生干涉現象，如氣槽很厚，也是不能產生干涉現象的.而標準件的厚度因遠大于波列長度，故經標準件上下兩表面反射的波列已經不是同一列波，因而不能產生干涉條紋.

圖1

問題3.當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奇數倍時得到的是暗條紋，偶數倍得到的一定是明條紋，對嗎？

這種說法是錯誤的.造成這一錯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，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，像上出現了明暗相間的條紋.”這是因為從膜的前、后表面分別反射回來的兩列波疊加產生的結果.所以教師在分析這一現象時，常強調指出觀察者和燈應在肥皂膜的同一側，甚至有的書中還肯定了在肥皂膜背光面看不到干涉條紋，但在學生分組實驗時，有的提出在膜的另一側看到了明暗相間的橫向條紋.筆者也的確觀察到了這一現象.究竟孰對孰錯呢？筆者認為：在肥皂膜的另一側也能觀察到干涉條紋，但比較模糊.當觀察者和燈在膜的同一側時，看到的是反射光的干涉條紋；當觀察者和燈在膜的兩側時，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的.我們知道：當光從光疏介質射向光密介質時，在分界面處，反射光波會發生180°的位相突變（相當于半個波長的損失）；但當光從光密介質射向光疏介質時，反射光波卻沒有這種突變.至于透射光波，則不發生位相突變.因而，當膜的厚度達到其前后表面的反射光產生相消的效果時，該處將出現透射明條紋；若膜前后表面反射光產生相長的效果時，該處將出現透射暗條紋.透射光干涉條紋的清晰程度遠不如反射光干涉條紋的清晰程度，這是因為反射光基本上屬于等幅雙光干涉，而透射光的振幅則由于膜的吸收相差懸珠.

問題5.為什么在計算增透膜的厚度時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，又會發生不同的現象.當薄膜的厚度d若遠比λ小，則反射后兩相干光束之間的光程差這時已主要是由于在薄膜兩表面反射時的額外光程差，而與在薄膜中的幾何路程長短即入射角的大小實際上已沒有關系.在這種情況下光程差永遠等于λ/2，永遠發生相消干涉.這也可用肥皂薄膜來觀察.取一個潔凈的線框，浸入肥皂溶液中，取出時，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：我們只要稍留意一下就不難發現，這部分教材蘊含著豐富的培養能力的因素.隨著近代物理學和現代科學技術的發展，適當地加強這部分內容的教學是很有必要的.在課堂教學中，教師要充分挖掘教材隱藏的深層次的內涵，充分發揮教材的作用，同時也不拘泥于教材，最終使教與學達到和諧統一.

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

2 姚啟鈞.光學教程［M］.北京：高等教育出版社，1995.