薄膜等倾干涉仪器的制作

宋朝阳，彭　博，李　阔，李庚伟

(中国地质大学，北京　100083)



薄膜等倾干涉仪器的制作

宋朝阳，彭博，李阔，李庚伟

(中国地质大学，北京100083)

摘 要：通过选择合适的材料，经过合理的设计、组合，使由光源发出的光线经过反射、折射在薄膜上面相遇，产生等倾干涉条纹，制作薄膜的等倾干涉仪器。

关键词：等倾干涉；仪器；课堂

1薄膜等倾干涉仪器的制作目的

主要研究选择合适的原材料，光源，适当的薄膜材料，半透半反射膜，显微镜，支架等，经过合理的设计、组合，使由光源发出的光线经过反射、折射在薄膜上面相遇，产生等倾干涉条纹。研究如何调节能使等倾干涉条纹看起来清晰，探索使用点光源与面光源的不同效果。从而制作出来一个能够演示薄膜等倾干涉这一实验现象的仪器。用来具体形象地演示薄膜等倾干涉这一现象并解释这一原理。

2实验原理

波动现象的一个重要特征，表现为波的干涉现象。对于两列波的情形，这就是在两列波迭加的区域内的某些点振动始终加强，而在另一些点振动始终减弱，因而在迭加区域内形成振动强弱的一定的稳定分布。但是，并不是任意的两列波都能产生这样的现象。能产生这种干涉现象的波必须满足下列条件：两波的频率相同，在迭加处振动方向相同，而且两波源的振动位相相同或位相差恒定[1]。

根据图1，从膜的下表面反射的光线CF和膜的上表面点A处反射的光线AE之光程差为：

也可以表示为:

由上式可以看出光程差取决于倾角，凡以相同倾角入射到厚度均匀的平膜上的光线，经膜上下表面反射后产生的相干光束有相等的光程差，因而它们干涉相长或相消的等倾条纹情况也一样。形成的等倾条纹是一组明暗相间的同心圆环。

图1　等倾干涉光路图(d为均匀的平膜厚度)

明环条件：

暗环条件：

k=0，1，2…

光源上每一点发出的光束都产生一组相应的干涉环。光源上不同点发出的光线，只要倾角相同的，形成的干涉环都将重叠在一起。由于总光强为各个干涉环光强的非相干相加，这样就使得明暗对比更加明显，所以通常使用面光源观察等倾条纹[2]。

3薄膜等倾干涉仪器的制作过程

3.1所用器材

支架，薄膜，半透半反膜，凸透镜，镜筒，光源，玻璃，反光镜。

图2　实验仪器内部结构图

3.2仪器制作过程

在制作的初期，我们的组员认真学习了有关的光学知识，在理论上掌握了实验原理。

然后在接下来的选材上，开始设想使用轻型塑料支架，但发现材料比较难找，而且材料的连接和稳定性都不可靠，在物理实验室借用铁支架，它有很大的弊端，重量较重，而且连接笨重，放弃了这种选材。最后在市场上发现了鞋架，突发奇想，认为可以把它改造成支架来使用，这样既不至于太重，而且连接不笨重，不复杂。半透半反膜、凸透镜以及底膜都在网上成功买到。凸透镜以及底膜都很轻松的安装上去，但由于半透半反膜的安装需要有一定的角度，并且角度还需要转动调节，我们在物理实验室找到了相关的小零件，但它和半透半反膜的连接成了一个很大的问题。膜很薄，很脆弱，必须小心谨慎安装，经过反复思考，设想用小木头一端钻孔另一端中间切割一个缝隙来连接二者。由于城市里小木头比较难找，于是在机械实验室用塑料材料代替木头完成了连接工作。

在观察阶段，开始是按照初始的光路图来设计，但观察中发现，凸透镜集中的光不是特别明显，在采用薄膜纸设计的观察屏上不能观察到明显的现象。但通过拿去屏，用肉眼却能看到现象，于是小组成员设想把屏改为观察筒，将仪器上部的其他部分密封，隔离并避免外界光源干扰，这样看到的现象更清晰。

此实验使用的光源为面光源(由手电筒发出)。首先按照常规的薄膜等倾干涉观察实验现象，然后再依次把薄膜换成单层玻璃、双层玻璃、反光镜、反光镜加单层玻璃以及反光镜加双层玻璃多种情况进行观察，探究底部材料对现象的影响。

4实验现象及结论

观察到了等倾干涉的光环现象，图像如图3~图8：

图3　薄膜反射观察现象

图3为薄膜反射观察到的现象，膜的材料为一层塑料材质薄膜，光路分别经过一次反射，一次折射、反射再折射，叠加后形成光环，其光路图为：

图4　薄膜反射光路图

图5　单玻璃作为底部材料观察现象

图5为单玻璃作为底部材料观察到的现象，光路分别经过一次反射，一次折射、反射再折射，叠加后形成光环。因为玻璃反光更强烈一些，所以观察到的现象更加明亮，其光路图为：

图6　单玻璃作为底部材料光路图

图7　双层玻璃作为底部材料观察现象

图7为双层玻璃作为底部材料观察到的现象，光路分别经过一次反射，一次折射、反射再折射，一次折射、折射、反射、折射、折射，叠加后形成光环，其光路图为：

图8　双层玻璃作为底部材料光路图

图9　反光镜作为底部材料观察现象

图9为反光镜作为底部材料观察到的现象，光路分别经过一次反射，一次折射、反射再折射，叠加后形成光环，因为反光镜对于光的反射作用更加强烈，所以观察到的现象更加明亮，其光路图为：

图10　反光镜作为底部材料的光路图

图11　反光镜加单层玻璃作为底部材料观察现象

图11为反光镜加单层玻璃作为底部材料观察到的现象，光路分别经过一次反射，一次折射、反射再折射，一次折射、折射、反射、折射、折射，叠加后形成光环，因为薄膜材料为反光镜加单层玻璃，反光效果比单层玻璃要好，所以比图七要亮些，其光路图为：

图12　反光镜加单层玻璃作为底部材料的光路图

图13　反光镜加双层玻璃作为底部材料观察现象

图13为反光镜加双层玻璃作为底部材料观察到的现象，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，叠加后形成光环，因为叠加的光路较多，且有反光镜，所以其现象很亮，其光路图为：

图14　反光镜加双层玻璃作为底部材料光路图

实验证明薄膜等倾干涉的理论是成立的，本实验验证了此结论的正确性。

参考文献：

[1]夏学江编.光的干涉及其应用[M].北京：高等教育出版社，1982：1.

[2]张三慧主编.大学物理学第四册[M].北京：清华大学出版社，2000(1):146-148.

[3]何友武，等.基于等倾干涉的声波解析实验[J].大学物理实验，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

中图分类号：O 4-33

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.001.021

文章编号：1007-2934(2016)01-0082-04

基金项目：中国地质大学(北京)2014年大学生创新实验项目(2014BXY046)

收稿日期：2015-09-03