等厚干涉实验教学设计与讨论

王利福 丁昌江

【摘要】文章针对大学物理等厚干涉实验进行了教学讨论。增加了该实验与日常生活现象的联系，实际应用的教学实践。

【关键词】大学物理实验；教学设计；应用

【中图分类号】G642 【文献标识码】B 【文章编号】2095-3089（2017）31-0009-01

光的本性是具有波粒二象性，等厚干涉实验各高校普通物理实验的一个经典实验，这一实验是光的干涉实验，说明光具有波动性。本文试图从激发学生兴趣，开拓视野的角度进行教学设计。具体实施方案如下。

一、课题引入，头发丝直径的测量

我们每天都在打理自己的头发，那么我们是否知道头发丝的直径有多大呢？或者我们想知道不同人的头发丝直径的差别怎么办？实验室提供的仪器有米尺、50分度游标卡尺、千分尺、两块玻璃砖、牛顿环、读数显微镜、钠光灯。可以用上述普通测长仪器诸如米尺，卡尺、千分尺能测量出来么？怎么设计？

二、期望学生讨论得出以下方案

方案1：利用上述传统测长仪器直接测量。头发丝直径约零点零几毫米。由于这几种仪器的最小刻度值及误差分别为，米尺（1mm，Δ=±0.1mm），50分度卡尺（0.02mm，Δ=±0.02mm）、千分尺（0.01mm，Δ=±0.004mm），可见用上述仪器无法测量或者误差较大。

方案2：可以将头发丝密绕在一支铅笔上，测出总长除以环数可得直径。当然这种方案操作难度大，因为头发丝不易密绕。这种方案误差较大。

方案3：利用读数显微镜直接测量头发丝直径。读数显微镜的分度值为0.01mm，儀器误差Δ=±0.005mm，而且显微镜中的准线叉丝相比头发丝直径，不可忽略，所以这种方案也不可行。

那么我们就需要一个合适的尺子，这种尺子的最小刻度值要很小，才有可能测出直径来。引导学生利用大学物理课程学习等厚干涉的知识能否实现呢？怎么设计？可以引导学生翻阅大学物理书，或者网络查询，分组讨论。

期望学生得到方案4：将头发丝加在两块玻璃砖的一侧，构成空气劈尖。放置于读书显微镜下，用钠光灯照射，观察等厚干涉现象并进行测量，如图1。

等厚干涉与日常现象的联系。引导学生讨论等厚干涉与日常生活中有哪些现象有关。肥皂泡上的彩色条纹，雨后水面上的油膜以及金属氧化物表面的彩色条纹，还有自然界中一些昆虫（蜻蜓、蝴蝶）翅膀上的彩色条纹都是等厚干涉现象。

根据等厚干涉理论可以推出空气劈尖上观察到的明暗相间干涉条纹，相邻条纹之间的厚度差，这厚度差，λ为钠灯的波长589.3nm，=294.65nm就相当于一把尺子的最小刻度值，劈棱处为暗条纹且对应的厚度为零，如果知道被测物是第N级暗条纹，则被测厚度。实际操作中可以测出条纹密度n，再测出劈棱至被测物的总长L，则N=L·n。

这种方案的精度很高，相当于我们的尺子的误差Δ=±294.65nm。

三、拓展及应用

我们找到了一把空气劈尖能够测量微小厚度的尺子，可以测量线膨胀系数。劈尖实际中还有什么应用呢？根据劈尖等厚干涉的原理我们还可以测量劈尖夹角、测量入射光的波长、或者检测光学平面的平整度、测液体的折射率等。

参考文献

[1]秦克诚.物理学与生活[M].北京市：电子工业出版社，2010年.

[2]吕军 王景峰.大学物理实验[M].北京市：高等教育出版社，2015年.

[3]远德玉，毛天玉.实验教学的由来和发展[J].高等教育研究，1981（1）：61.

作者简介：王利福（1980-），男，汉族，内蒙古呼和浩特市人，硕士，内蒙古工业大学讲师，研究方向：大学物理及实验教育。