《光的干涉》中應注意到的隱性知識

趙曉光

‘光的干涉是高中物理‘光一章中重要的一節(jié)課。通過多年的教學實踐，筆者發(fā)現(xiàn)這節(jié)課存在一些做為教者應注意到的隱性的知識。這里所說“隱性知識”是指對于學生不要求掌握，但對于教者應該具備的知識。如果教者在這些知識上存在欠缺、不清、理解偏頗，在課堂教學活動中，既可能誤導學生，又可能想當然地對基礎(chǔ)知識做錯誤的分析，甚至錯誤地拓展基礎(chǔ)知識。歸根結(jié)底，影響了學生對知識的正確理解與掌握。下面就幾個隱性知識點與同行共同切磋。

一、如何理解干涉條紋的亮度與寬度

由于光的干涉的實質(zhì)就是光波的疊加，根據(jù)波的疊加原理可以得出：條紋各處的亮度實

際是不同的。就亮條紋而言，同一條亮條紋中間位置最亮，相當于機械波中振動加強區(qū)域；同一條暗條紋中間位置最暗，相當于機械波中振動減弱區(qū)域其間是從最亮向最暗的過渡區(qū)域。在視覺上，由于我們是根據(jù)進入眼中光的強弱來感知亮暗變化的，所以，當相鄰區(qū)域間亮度相差不很大，我們就容易認為是一個亮度相同的區(qū)域，從而形成亮條紋與暗條紋都有一定的寬度的視覺結(jié)果（如教材中首頁的彩圖）。正因為如此，所以我們研究干涉條紋時，更有價值的是相鄰的亮（或暗）條紋間的距離，即‘相鄰兩條亮紋（或暗紋）間的距離，而非條紋的寬度。

二、如何獲得單色平行光及觀察干涉條紋

教材中針對薄膜干涉現(xiàn)象應用，列舉了‘用干涉法檢查平面的平整程度的實例，并輔以插圖，在插圖中可以觀察到，射向透明樣板的光線是平行光束。那么，如何從普通光源獲得平行光呢？

如圖1所示，光源S（例如鈉燈）發(fā)出的單色光通過透鏡折射，基本就成為平行光束，再經(jīng)一個放置方向與水平成450角的透明薄玻璃片G反射后，就得到教材插圖中所示的單色入射光線。由于干涉條紋比較細，在觀察分析干涉條紋時，不宜用眼睛直接來觀察，而是利用讀數(shù)顯微鏡Ms來觀察測量條紋的曲直及間距等情況。

三、為何不考慮透明樣板上、下表面反射光的干涉

在上面‘用干涉法檢查平面的平整程度的實例中，通過對插圖的觀察分析可以發(fā)現(xiàn)，在反射光線中，除了教材中提到的‘空氣層的上下兩個表面反射的兩列光波…外，在透明樣板的上表面也反射了光波。若將透明樣板視為薄膜，為何不考慮樣板上、下表面反射的光的干涉現(xiàn)象呢？

原因一：普通光源包含大量的發(fā)光原子或分子，光源發(fā)光實際上是這些發(fā)光原子或分子受激輻射現(xiàn)象。根據(jù)量子理論，發(fā)光原子或分子每次發(fā)光的持續(xù)時間極短，每次發(fā)出的有一定長度的光波稱為波列。由于大量的發(fā)光原子或分子所發(fā)出的波列是隨機的，所以波列之間振動的方向可能不同，也無固定的相位關(guān)系，因而彼此間發(fā)出的波列不符合相干條件。由此看來，只有從同一個波列分出的兩個分波列才有可能發(fā)生干涉。由于普通光源的相干長度很小，只有毫米（或厘米）數(shù)量級。所以，若使某個波列經(jīng)透明樣板上、下表面反射的兩個分波列在樣板的上表面發(fā)生相遇情形，透明樣板的厚度應很薄。

但由于透明樣板過厚，致使從上、下兩表面反射的兩個分波列由于光程差過大，沒有出現(xiàn)在上表面相遇情形，這樣就不會發(fā)生干涉現(xiàn)象。

原因二：光形成明顯穩(wěn)定的干涉的條件是存在相干光源，“相干光源”教材中的說明是‘兩個振動情況總是相同的光源，振動情況相同不僅指頻率相同，振動方向相同，位相恒定，還要求相干光源發(fā)出的光振幅相當。為了便于說明，我們借用機械波的波形圖，如圖虛線1、2表示兩個相干光源的振動情況，兩者振幅相差較大，實線表示疊加后的振動情況（圖2、3分別表示加強干涉與削弱干涉的情形），可以看出疊加后的振幅與1的振幅相近，所以不可能觀察到干涉條紋。

由于透明樣板的厚度較大，致使從上、下兩表面反射的光由于振幅相差很大，因而就不能觀察到干涉條紋。

綜合以上兩種情形，這就是不考慮透明樣板上、下表面反射光干涉的原因。正因如此，空氣膜的厚度顯然必須很薄，所以插圖中薄片的厚度也就只相當一、兩張薄紙的厚度而已。

四、為何光程差不是空氣薄膜厚度的二倍

在教學中發(fā)現(xiàn)，有些教師誤將課本中在對雙縫干涉中亮（或暗）條紋成因的說明簡單應用在分析薄膜干涉中，即認為：經(jīng)薄膜前后兩表面反射的光線的光程差是薄膜厚度的二倍。實際上，要對具體問題加以區(qū)別。

理論與實驗證明，當光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)而在界面上反射，且入射角接近零度（正入射）或900（掠射）時，反射光要產(chǎn)生數(shù)值為π的位相突變；當光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時，反射光不產(chǎn)生位相突變。這種現(xiàn)象稱為“半波損失”。

結(jié)合這一理論，可以分析出：在空氣膜的上表面（標準板下表面）發(fā)生反射時，沒有發(fā)生半波損失，但在空氣膜的下表面（光學平面）反射時，出現(xiàn)了半波損失現(xiàn)象。

如圖4所示，設(shè)此處空氣膜厚度為h，根據(jù)上面分析，經(jīng)空氣膜上、下兩表面反射后的光線1、2間的光程差為δ=2h+ 。