《光的干涉》中应注意到的隐性知识

赵晓光

‘光的干涉是高中物理‘光一章中重要的一节课。通过多年的教学实践，笔者发现这节课存在一些做为教者应注意到的隐性的知识。这里所说“隐性知识”是指对于学生不要求掌握，但对于教者应该具备的知识。如果教者在这些知识上存在欠缺、不清、理解偏颇，在课堂教学活动中，既可能误导学生，又可能想当然地对基础知识做错误的分析，甚至错误地拓展基础知识。归根结底，影响了学生对知识的正确理解与掌握。下面就几个隐性知识点与同行共同切磋。

一、如何理解干涉条纹的亮度与宽度

由于光的干涉的实质就是光波的叠加，根据波的叠加原理可以得出：条纹各处的亮度实

际是不同的。就亮条纹而言，同一条亮条纹中间位置最亮，相当于机械波中振动加强区域；同一条暗条纹中间位置最暗，相当于机械波中振动减弱区域其间是从最亮向最暗的过渡区域。在视觉上，由于我们是根据进入眼中光的强弱来感知亮暗变化的，所以，当相邻区域间亮度相差不很大，我们就容易认为是一个亮度相同的区域，从而形成亮条纹与暗条纹都有一定的宽度的视觉结果（如教材中首页的彩图）。正因为如此，所以我们研究干涉条纹时，更有价值的是相邻的亮（或暗）条纹间的距离，即‘相邻两条亮纹（或暗纹）间的距离，而非条纹的宽度。

二、如何获得单色平行光及观察干涉条纹

教材中针对薄膜干涉现象应用，列举了‘用干涉法检查平面的平整程度的实例，并辅以插图，在插图中可以观察到，射向透明样板的光线是平行光束。那么，如何从普通光源获得平行光呢？

如图1所示，光源S（例如钠灯）发出的单色光通过透镜折射，基本就成为平行光束，再经一个放置方向与水平成450角的透明薄玻璃片G反射后，就得到教材插图中所示的单色入射光线。由于干涉条纹比较细，在观察分析干涉条纹时，不宜用眼睛直接来观察，而是利用读数显微镜Ms来观察测量条纹的曲直及间距等情况。

三、为何不考虑透明样板上、下表面反射光的干涉

在上面‘用干涉法检查平面的平整程度的实例中，通过对插图的观察分析可以发现，在反射光线中，除了教材中提到的‘空气层的上下两个表面反射的两列光波…外，在透明样板的上表面也反射了光波。若将透明样板视为薄膜，为何不考虑样板上、下表面反射的光的干涉现象呢？

原因一：普通光源包含大量的发光原子或分子，光源发光实际上是这些发光原子或分子受激辐射现象。根据量子理论，发光原子或分子每次发光的持续时间极短，每次发出的有一定长度的光波称为波列。由于大量的发光原子或分子所发出的波列是随机的，所以波列之间振动的方向可能不同，也无固定的相位关系，因而彼此间发出的波列不符合相干條件。由此看来，只有从同一个波列分出的两个分波列才有可能发生干涉。由于普通光源的相干长度很小，只有毫米（或厘米）数量级。所以，若使某个波列经透明样板上、下表面反射的两个分波列在样板的上表面发生相遇情形，透明样板的厚度应很薄。

但由于透明样板过厚，致使从上、下两表面反射的两个分波列由于光程差过大，没有出现在上表面相遇情形，这样就不会发生干涉现象。

原因二：光形成明显稳定的干涉的条件是存在相干光源，“相干光源”教材中的说明是‘两个振动情况总是相同的光源，振动情况相同不仅指频率相同，振动方向相同，位相恒定，还要求相干光源发出的光振幅相当。为了便于说明，我们借用机械波的波形图，如图虚线1、2表示两个相干光源的振动情况，两者振幅相差较大，实线表示叠加后的振动情况（图2、3分别表示加强干涉与削弱干涉的情形），可以看出叠加后的振幅与1的振幅相近，所以不可能观察到干涉条纹。

由于透明样板的厚度较大，致使从上、下两表面反射的光由于振幅相差很大，因而就不能观察到干涉条纹。

综合以上两种情形，这就是不考虑透明样板上、下表面反射光干涉的原因。正因如此，空气膜的厚度显然必须很薄，所以插图中薄片的厚度也就只相当一、两张薄纸的厚度而已。

四、为何光程差不是空气薄膜厚度的二倍

在教学中发现，有些教师误将课本中在对双缝干涉中亮（或暗）条纹成因的说明简单应用在分析薄膜干涉中，即认为：经薄膜前后两表面反射的光线的光程差是薄膜厚度的二倍。实际上，要对具体问题加以区别。

理论与实验证明，当光从光疏介质射向光密介质而在界面上反射，且入射角接近零度（正入射）或900（掠射）时，反射光要产生数值为π的位相突变；当光从光密介质射向光疏介质时，反射光不产生位相突变。这种现象称为“半波损失”。

结合这一理论，可以分析出：在空气膜的上表面（标准板下表面）发生反射时，没有发生半波损失，但在空气膜的下表面（光学平面）反射时，出现了半波损失现象。

如图4所示，设此处空气膜厚度为h，根据上面分析，经空气膜上、下两表面反射后的光线1、2间的光程差为δ=2h+ 。