教材“薄膜干涉”教学释疑

郭金虎

（江苏省兴化中学，江苏 兴化 225700）

薄膜干涉是人教版教材中3-4的学习内容，它是光的干涉的重要应用，然而教材只要求学生初步了解其原理和应用，故教材只对这部分知识进行简单的介绍.但由于这部分知识的抽象性，在教学过程中，学生对课本的一些现象感到难以理解，并由此提出了不少问题.现对这些问题归纳、分析如下.

问题1.两个独立光源为何不相干？薄膜干涉实验中，相干光又是如何获得的？

通常的独立光源不相干的原因是：光的辐射一般是由原子的外层电子激发后自动回到正常状态以光的形式把能量放出所形成的.由于辐射原子的能量损失，加上和周围原子的相互作用，个别原子的辐射过程是杂乱无章而且常常中断，持续时间甚短，即使在极度稀薄的气体发光情况下，和周围原子的相互作用已减至最弱，而单个原子辐射的持续时间也不超过10－8s.当某个原子辐射中断后，它自身或者其他的原子又受到激发重新辐射，但却具有新的初位相.这就是说，原子辐射的光波并不是一列连续不断、振幅和频率都不随时间变化的简谐波，即不是理想的单色光.此外，不同原子辐射的光波波列的初相位之间也是没有关联的.这些断续、或长或短、初相位随机的波列的总体，构成了非相干的光波.

相干条件：

（1）参与叠加的光波频率必须相同.

（2）各光波在叠加点引起的振动必须有相互平行的振动分量.

（3）各光波在叠加点引起的振动之间必须有恒定的相位差（不同叠加点可有不同的相位差）.

通常要同时实现以上3个条件，最有效的方法是将同一光源发出的一列光波用一定的方法分为两部分，使它们具有相同的频率和振动方向及恒定的相位差，重新构成相干光源，才能产生相干光波.其一是分波面法，即在同一波面上两固定点光源发出的光产生干涉的方法为分波面法，如杨氏双缝干涉实验、洛埃镜实验等；其二是分振幅法，即一束光线经过介质薄膜的反射与折射，形成的两束光线产生干涉的方法为分振幅法，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两表面反射回来的光.

问题2.为什么薄膜干涉只对“薄”膜而言？厚膜为什么不能产生干涉？

在薄膜干涉中，“薄”是能形成干涉条纹的重要条件，即膜的厚度必须要小于波列的长度，这样经膜前后表面反射的两列波才具有相位上的相关性.“厚”的膜因为经前后表面反射的光波相遇后已不具备了相位上的相关性，故不能满足干涉第3个必要条件，是不会产生干涉现象的.资料显示，白色光源的相干时间 Δt＝3×10－15s，相干长度只有Δl＝9000Å，是很短的.因此，在检查平面时（如图1），气槽实际上是很薄的，经气槽上下表面反射的两波列实际上是同一波列分出的两列波，满足相位上的相干性，所以能产生干涉现象，如气槽很厚，也是不能产生干涉现象的.而标准件的厚度因远大于波列长度，故经标准件上下两表面反射的波列已经不是同一列波，因而不能产生干涉条纹.

图1

问题3.当皂液薄膜前后表面反射回来的两反射光的光程差为半波长奇数倍时得到的是暗条纹，偶数倍得到的一定是明条纹，对吗？

这种说法是错误的.造成这一错误的主要原因是没有考虑薄膜反射中的半波损失问题.

图2

问题4.在肥皂薄膜的两侧，都能看到明暗相间的干涉条纹吗？

图3

如图3所示，教材中明确指出：“把酒精灯放在金属丝圈上的肥皂薄膜前，就可以在薄膜上看到火焰的反射像，像上出现了明暗相间的条纹.”这是因为从膜的前、后表面分别反射回来的两列波叠加产生的结果.所以教师在分析这一现象时，常强调指出观察者和灯应在肥皂膜的同一侧，甚至有的书中还肯定了在肥皂膜背光面看不到干涉条纹，但在学生分组实验时，有的提出在膜的另一侧看到了明暗相间的横向条纹.笔者也的确观察到了这一现象.究竟孰对孰错呢？笔者认为：在肥皂膜的另一侧也能观察到干涉条纹，但比较模糊.当观察者和灯在膜的同一侧时，看到的是反射光的干涉条纹；当观察者和灯在膜的两侧时，看到的是透射光的干涉条纹，且反射条纹的明暗与透射条纹的明暗是互补的.我们知道：当光从光疏介质射向光密介质时，在分界面处，反射光波会发生180°的位相突变（相当于半个波长的损失）；但当光从光密介质射向光疏介质时，反射光波却没有这种突变.至于透射光波，则不发生位相突变.因而，当膜的厚度达到其前后表面的反射光产生相消的效果时，该处将出现透射明条纹；若膜前后表面反射光产生相长的效果时，该处将出现透射暗条纹.透射光干涉条纹的清晰程度远不如反射光干涉条纹的清晰程度，这是因为反射光基本上属于等幅双光干涉，而透射光的振幅则由于膜的吸收相差悬珠.

问题5.为什么在计算增透膜的厚度时没有考虑半波损失呢？

图4

问题6.薄膜是否越薄越好？

薄膜的厚度过薄时，又会发生不同的现象.当薄膜的厚度d若远比λ小，则反射后两相干光束之间的光程差这时已主要是由于在薄膜两表面反射时的额外光程差，而与在薄膜中的几何路程长短即入射角的大小实际上已没有关系.在这种情况下光程差永远等于λ/2，永远发生相消干涉.这也可用肥皂薄膜来观察.取一个洁净的线框，浸入肥皂溶液中，取出时，使框面竖直.肥皂膜由于重力作用而逐渐变薄.在透射光中，由于没有额外光程差，所以看起来薄膜透明无色.

总结：我们只要稍留意一下就不难发现，这部分教材蕴含着丰富的培养能力的因素.随着近代物理学和现代科学技术的发展，适当地加强这部分内容的教学是很有必要的.在课堂教学中，教师要充分挖掘教材隐藏的深层次的内涵，充分发挥教材的作用，同时也不拘泥于教材，最终使教与学达到和谐统一.

1 陆光华.“薄膜干涉”教学难点突破［J］.中学物理教学参考，2007（6）.

2 姚启钧.光学教程［M］.北京：高等教育出版社，1995.