薄膜干涉_.doc

全日制普通高级中学教科书（必修加选修）教案《光的波动性》
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§20-1、薄膜干涉
一、教学目标
知道薄膜干涉现象和原理
知道薄膜干涉是如何产生的
知道薄膜干涉在技术上的应用
重点难点
薄膜干涉的产生原理
教学过程
1、引入新课
上节课我们学习了光的双缝干涉现象，其实，用薄膜也可以观察到光的干涉。
2、新课教学
（一）薄膜干涉
[实验]：燃起一盏酒精灯，在酒精灯火焰上洒一下氯化钠，使火焰发出黄光，把酒精灯放在金属圈上的肥皂膜前，就可以看到火焰的反射像，像上出现了明暗相间的条纹。
[解释]：竖立的肥皂薄膜，由于重力作用，成了上薄下厚的楔形。（如下图）点光源S发出的光线（1）以入射角i1射到薄膜MN表面上A点，其中一部分被反射后成为（1），另一部分折射入薄膜内，在B点反射再到达A点，又折射入原来媒质中成为（1）；（1）与（1）这两束光线来自于同一光束（1），与杨氏双缝发出的两束光一样：两束光具有相同的频率和恒定的相差，（1）与（1）是相干光源，因此能够产生干涉现象。通过对照可见，杨氏双缝干涉是相干光在同一媒质（空气）中传播的，而薄膜干涉是相干光经过不同的媒质后产生的。根据折射率，式中为光在真空中的波长，为光在媒质中的波长。这个关系式表明，光波在媒质中经过路程相当于在真空中经过路程=n，为此，我们把光波在媒质中经过几何路程l和这媒质的折射率n的乘积nl叫做光程。如图2所示，光线（1）在薄膜中经历路程为ABA，而光线（1）在原来媒质中经历路程为AE，这两列光波到达眼睛时将有一定的光程差。而光程差的多少与薄膜的厚度有关，在P点（如下图）光程差为=K，两列波振动加强，那里就产生明条纹；在Q点光程差为=（2K+1）/2，两列波恰好是波峰与波谷相叠。即是两列反射光波反相叠加，使光波的振动相互削弱，形成暗条纹。
若在P处，δ=λ，则P处为亮纹，h=
若在P1处，δ=2λ，则P1处为亮纹，h1=λ

若在P2处，δ=3λ，则P2处为亮纹，h2=λ
……
启发：同学们，如果知道薄膜倾角α，我们是否可以求出薄膜表面亮纹之间的宽度？
★师生共同计算：相临亮纹处的厚度差Δh=
设亮纹间距为Δy，由于α很小，tgα≈，所以——
亮纹间距（即条纹间距）Δy=
应用：请同学们计算一下，在刚才的钠黄光薄膜干涉中，要求条纹的间距为3mm（这样观察起来不至于太吃力），则薄膜倾角约为多少？
☆学生：计算→得出结果tgα=0.982×10-4，α=0.00562°。
很显然，要造就这样一个微妙的夹角（而且基本恒定），是不容易的。
启发：下面请同学们思考一个问题，如果薄膜因某种原因形成了一个“横梗”（如图3甲所示）的状况，干涉条纹将是什么状况？

由此可见，薄膜的干涉的条件与双缝干涉的条件是一致的，都是为光程差为波长的整数倍，即为明条纹，为半波长的奇数倍，即为暗条纹。
如果在白光照射下，那末某一厚度处两列相干光波的光程差1=K红[或1=（2K+1）红/2]即在该处出现红光的明条纹（或暗条纹），而在另一厚度的两列相干光波的光程差为2=K紫[或2=（2K+1）紫/2]即在该处出现紫光的明条纹（或暗条纹），各色光产生明暗条纹的位置不同，于是就出现了彩色条纹，当肥皂泡在吹大的过程中，由于肥皂膜的厚度在变化，使彩色条纹的颜色在不断变化。
那末，厚度均匀的平面油膜又是如何发生光的干涉现象的呢？
回顾图1可知，对于厚度均匀的平面薄膜来说，只要入射角i1发生改变，那末两列相干光的光程差也随之发生改变。白光照射时，若在入射角为i1处，两列相干光的光程差满足1=K红[或1=（2K+1）红/2]，就出现红光的干涉条纹；而在入射角为i2处，两列相干光的光程差满足2=K紫[或2=（2K+1）紫/2]，就出现紫光的干涉条纹，这就是我们看到水面上油膜有彩色条纹，并且我们改变观察方向时彩色条纹的颜色也随之改变的原因。
（二）光的干涉在技术上的应用
光的干涉在技术有重要的应用。例如，在磨制各种镜面或其他精密部件时，对加工的表面的形状可用干涉法检查。如果被检查的表面是一个平面，可以在它的上面放一个透明的标准样板，并在一端垫一个薄片，使样板的标准平面和被检查的平面间形成一个楔形的空所薄层，用单色光照射，入射光在空气层的上、下表面反射出两列光波，于是从反射光中就会看到干涉条纹，根据干涉条纹就可以判断表面的情况。
现代光学装置，如摄影机和电影放映机的镜头等，都是由许多光学元件组成的。进入这些装置的光，在每个元件的表面都要受到反射，结果只有入射光的10——20%通过装置，所成的像既暗又不清晰。怎样消除表面反射造成的后果呢？可以在透镜的表面涂一层薄膜（一般用氟化镁）。当薄膜的厚度是入射光在