薄膜等傾干涉儀器的制作

宋朝陽，彭　博，李　闊，李庚偉

(中國地質(zhì)大學(xué)，北京　100083)

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薄膜等傾干涉儀器的制作

宋朝陽，彭博，李闊，李庚偉

(中國地質(zhì)大學(xué)，北京100083)

摘 要：通過選擇合適的材料，經(jīng)過合理的設(shè)計、組合，使由光源發(fā)出的光線經(jīng)過反射、折射在薄膜上面相遇，產(chǎn)生等傾干涉條紋，制作薄膜的等傾干涉儀器。

關(guān)鍵詞：等傾干涉；儀器；課堂

1薄膜等傾干涉儀器的制作目的

主要研究選擇合適的原材料，光源，適當(dāng)?shù)谋∧げ牧?，半透半反射膜，顯微鏡，支架等，經(jīng)過合理的設(shè)計、組合，使由光源發(fā)出的光線經(jīng)過反射、折射在薄膜上面相遇，產(chǎn)生等傾干涉條紋。研究如何調(diào)節(jié)能使等傾干涉條紋看起來清晰，探索使用點光源與面光源的不同效果。從而制作出來一個能夠演示薄膜等傾干涉這一實驗現(xiàn)象的儀器。用來具體形象地演示薄膜等傾干涉這一現(xiàn)象并解釋這一原理。

2實驗原理

波動現(xiàn)象的一個重要特征，表現(xiàn)為波的干涉現(xiàn)象。對于兩列波的情形，這就是在兩列波迭加的區(qū)域內(nèi)的某些點振動始終加強，而在另一些點振動始終減弱，因而在迭加區(qū)域內(nèi)形成振動強弱的一定的穩(wěn)定分布。但是，并不是任意的兩列波都能產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象。能產(chǎn)生這種干涉現(xiàn)象的波必須滿足下列條件：兩波的頻率相同，在迭加處振動方向相同，而且兩波源的振動位相相同或位相差恒定[1]。

根據(jù)圖1，從膜的下表面反射的光線CF和膜的上表面點A處反射的光線AE之光程差為：

也可以表示為:

由上式可以看出光程差取決于傾角，凡以相同傾角入射到厚度均勻的平膜上的光線，經(jīng)膜上下表面反射后產(chǎn)生的相干光束有相等的光程差，因而它們干涉相長或相消的等傾條紋情況也一樣。形成的等傾條紋是一組明暗相間的同心圓環(huán)。

圖1　等傾干涉光路圖(d為均勻的平膜厚度)

明環(huán)條件：

暗環(huán)條件：

k=0，1，2…

光源上每一點發(fā)出的光束都產(chǎn)生一組相應(yīng)的干涉環(huán)。光源上不同點發(fā)出的光線，只要傾角相同的，形成的干涉環(huán)都將重疊在一起。由于總光強為各個干涉環(huán)光強的非相干相加，這樣就使得明暗對比更加明顯，所以通常使用面光源觀察等傾條紋[2]。

3薄膜等傾干涉儀器的制作過程

3.1所用器材

支架，薄膜，半透半反膜，凸透鏡，鏡筒，光源，玻璃，反光鏡。

圖2　實驗儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3.2儀器制作過程

在制作的初期，我們的組員認(rèn)真學(xué)習(xí)了有關(guān)的光學(xué)知識，在理論上掌握了實驗原理。

然后在接下來的選材上，開始設(shè)想使用輕型塑料支架，但發(fā)現(xiàn)材料比較難找，而且材料的連接和穩(wěn)定性都不可靠，在物理實驗室借用鐵支架，它有很大的弊端，重量較重，而且連接笨重，放棄了這種選材。最后在市場上發(fā)現(xiàn)了鞋架，突發(fā)奇想，認(rèn)為可以把它改造成支架來使用，這樣既不至于太重，而且連接不笨重，不復(fù)雜。半透半反膜、凸透鏡以及底膜都在網(wǎng)上成功買到。凸透鏡以及底膜都很輕松的安裝上去，但由于半透半反膜的安裝需要有一定的角度，并且角度還需要轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)，我們在物理實驗室找到了相關(guān)的小零件，但它和半透半反膜的連接成了一個很大的問題。膜很薄，很脆弱，必須小心謹(jǐn)慎安裝，經(jīng)過反復(fù)思考，設(shè)想用小木頭一端鉆孔另一端中間切割一個縫隙來連接二者。由于城市里小木頭比較難找，于是在機械實驗室用塑料材料代替木頭完成了連接工作。

在觀察階段，開始是按照初始的光路圖來設(shè)計，但觀察中發(fā)現(xiàn)，凸透鏡集中的光不是特別明顯，在采用薄膜紙設(shè)計的觀察屏上不能觀察到明顯的現(xiàn)象。但通過拿去屏，用肉眼卻能看到現(xiàn)象，于是小組成員設(shè)想把屏改為觀察筒，將儀器上部的其他部分密封，隔離并避免外界光源干擾，這樣看到的現(xiàn)象更清晰。

此實驗使用的光源為面光源(由手電筒發(fā)出)。首先按照常規(guī)的薄膜等傾干涉觀察實驗現(xiàn)象，然后再依次把薄膜換成單層玻璃、雙層玻璃、反光鏡、反光鏡加單層玻璃以及反光鏡加雙層玻璃多種情況進行觀察，探究底部材料對現(xiàn)象的影響。

4實驗現(xiàn)象及結(jié)論

觀察到了等傾干涉的光環(huán)現(xiàn)象，圖像如圖3~圖8：

圖3　薄膜反射觀察現(xiàn)象

圖3為薄膜反射觀察到的現(xiàn)象，膜的材料為一層塑料材質(zhì)薄膜，光路分別經(jīng)過一次反射，一次折射、反射再折射，疊加后形成光環(huán)，其光路圖為：

圖4　薄膜反射光路圖

圖5　單玻璃作為底部材料觀察現(xiàn)象

圖5為單玻璃作為底部材料觀察到的現(xiàn)象，光路分別經(jīng)過一次反射，一次折射、反射再折射，疊加后形成光環(huán)。因為玻璃反光更強烈一些，所以觀察到的現(xiàn)象更加明亮，其光路圖為：

圖6　單玻璃作為底部材料光路圖

圖7　雙層玻璃作為底部材料觀察現(xiàn)象

圖7為雙層玻璃作為底部材料觀察到的現(xiàn)象，光路分別經(jīng)過一次反射，一次折射、反射再折射，一次折射、折射、反射、折射、折射，疊加后形成光環(huán)，其光路圖為：

圖8　雙層玻璃作為底部材料光路圖

圖9　反光鏡作為底部材料觀察現(xiàn)象

圖9為反光鏡作為底部材料觀察到的現(xiàn)象，光路分別經(jīng)過一次反射，一次折射、反射再折射，疊加后形成光環(huán)，因為反光鏡對于光的反射作用更加強烈，所以觀察到的現(xiàn)象更加明亮，其光路圖為：

圖10　反光鏡作為底部材料的光路圖

圖11　反光鏡加單層玻璃作為底部材料觀察現(xiàn)象

圖11為反光鏡加單層玻璃作為底部材料觀察到的現(xiàn)象，光路分別經(jīng)過一次反射，一次折射、反射再折射，一次折射、折射、反射、折射、折射，疊加后形成光環(huán)，因為薄膜材料為反光鏡加單層玻璃，反光效果比單層玻璃要好，所以比圖七要亮些，其光路圖為：

圖12　反光鏡加單層玻璃作為底部材料的光路圖

圖13　反光鏡加雙層玻璃作為底部材料觀察現(xiàn)象

圖13為反光鏡加雙層玻璃作為底部材料觀察到的現(xiàn)象，一次反射，一次折射、反射再折射，一次折射、折射、反射、折射、折射，一次折射、折射、折射、反射、折射、折射、折射，疊加后形成光環(huán)，因為疊加的光路較多，且有反光鏡，所以其現(xiàn)象很亮，其光路圖為：

圖14　反光鏡加雙層玻璃作為底部材料光路圖

實驗證明薄膜等傾干涉的理論是成立的，本實驗驗證了此結(jié)論的正確性。

參考文獻：

[1]夏學(xué)江編.光的干涉及其應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，1982：1.

[2]張三慧主編.大學(xué)物理學(xué)第四冊[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000(1):146-148.

[3]何友武，等.基于等傾干涉的聲波解析實驗[J].大學(xué)物理實驗，2014(6)：13-14.

The Production of Isoclinic Interference Device

SONG Zhao-yang,PENG Bo,LI Kuo,LI Geng-wei

(China University of Geosciences,Beijing 100083)

Abstract：Making an Isoclinic interference device by selecting suitable materials and appropriate project and combination.The light emitted from the luminous source after reflection,refraction and finally combine as fringes of equal inclination in the film.

Key words：Isoclinic interference；device；classroom

中圖分類號：O 4-33

文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.001.021

文章編號：1007-2934(2016)01-0082-04

基金項目：中國地質(zhì)大學(xué)(北京)2014年大學(xué)生創(chuàng)新實驗項目(2014BXY046)

收稿日期：2015-09-03