等厚干涉實驗教學(xué)設(shè)計與討論

王利福 丁昌江

【摘要】文章針對大學(xué)物理等厚干涉實驗進(jìn)行了教學(xué)討論。增加了該實驗與日常生活現(xiàn)象的聯(lián)系，實際應(yīng)用的教學(xué)實踐。

【關(guān)鍵詞】大學(xué)物理實驗；教學(xué)設(shè)計；應(yīng)用

【中圖分類號】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B 【文章編號】2095-3089（2017）31-0009-01

光的本性是具有波粒二象性，等厚干涉實驗各高校普通物理實驗的一個經(jīng)典實驗，這一實驗是光的干涉實驗，說明光具有波動性。本文試圖從激發(fā)學(xué)生興趣，開拓視野的角度進(jìn)行教學(xué)設(shè)計。具體實施方案如下。

一、課題引入，頭發(fā)絲直徑的測量

我們每天都在打理自己的頭發(fā)，那么我們是否知道頭發(fā)絲的直徑有多大呢？或者我們想知道不同人的頭發(fā)絲直徑的差別怎么辦？實驗室提供的儀器有米尺、50分度游標(biāo)卡尺、千分尺、兩塊玻璃磚、牛頓環(huán)、讀數(shù)顯微鏡、鈉光燈。可以用上述普通測長儀器諸如米尺，卡尺、千分尺能測量出來么？怎么設(shè)計？

二、期望學(xué)生討論得出以下方案

方案1：利用上述傳統(tǒng)測長儀器直接測量。頭發(fā)絲直徑約零點(diǎn)零幾毫米。由于這幾種儀器的最小刻度值及誤差分別為，米尺（1mm，Δ=±0.1mm），50分度卡尺（0.02mm，Δ=±0.02mm）、千分尺（0.01mm，Δ=±0.004mm），可見用上述儀器無法測量或者誤差較大。

方案2：可以將頭發(fā)絲密繞在一支鉛筆上，測出總長除以環(huán)數(shù)可得直徑。當(dāng)然這種方案操作難度大，因為頭發(fā)絲不易密繞。這種方案誤差較大。

方案3：利用讀數(shù)顯微鏡直接測量頭發(fā)絲直徑。讀數(shù)顯微鏡的分度值為0.01mm，儀器誤差Δ=±0.005mm，而且顯微鏡中的準(zhǔn)線叉絲相比頭發(fā)絲直徑，不可忽略，所以這種方案也不可行。

那么我們就需要一個合適的尺子，這種尺子的最小刻度值要很小，才有可能測出直徑來。引導(dǎo)學(xué)生利用大學(xué)物理課程學(xué)習(xí)等厚干涉的知識能否實現(xiàn)呢？怎么設(shè)計？可以引導(dǎo)學(xué)生翻閱大學(xué)物理書，或者網(wǎng)絡(luò)查詢，分組討論。

期望學(xué)生得到方案4：將頭發(fā)絲加在兩塊玻璃磚的一側(cè)，構(gòu)成空氣劈尖。放置于讀書顯微鏡下，用鈉光燈照射，觀察等厚干涉現(xiàn)象并進(jìn)行測量，如圖1。

等厚干涉與日?，F(xiàn)象的聯(lián)系。引導(dǎo)學(xué)生討論等厚干涉與日常生活中有哪些現(xiàn)象有關(guān)。肥皂泡上的彩色條紋，雨后水面上的油膜以及金屬氧化物表面的彩色條紋，還有自然界中一些昆蟲（蜻蜓、蝴蝶）翅膀上的彩色條紋都是等厚干涉現(xiàn)象。

根據(jù)等厚干涉理論可以推出空氣劈尖上觀察到的明暗相間干涉條紋，相鄰條紋之間的厚度差，這厚度差，λ為鈉燈的波長589.3nm，=294.65nm就相當(dāng)于一把尺子的最小刻度值，劈棱處為暗條紋且對應(yīng)的厚度為零，如果知道被測物是第N級暗條紋，則被測厚度。實際操作中可以測出條紋密度n，再測出劈棱至被測物的總長L，則N=L·n。

這種方案的精度很高，相當(dāng)于我們的尺子的誤差Δ=±294.65nm。

三、拓展及應(yīng)用

我們找到了一把空氣劈尖能夠測量微小厚度的尺子，可以測量線膨脹系數(shù)。劈尖實際中還有什么應(yīng)用呢？根據(jù)劈尖等厚干涉的原理我們還可以測量劈尖夾角、測量入射光的波長、或者檢測光學(xué)平面的平整度、測液體的折射率等。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：王利福（1980-），男，漢族，內(nèi)蒙古呼和浩特市人，碩士，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)講師，研究方向：大學(xué)物理及實驗教育。