薄膜干涉中的半波损失与薄膜厚度.doc

薄膜干涉中的半波损失与薄膜厚度张厚石 摘要本文阐述了薄膜干涉中增透膜的增透过程，指出了学生在知识整理中因忽视半波损失而对皂液薄膜厚度产生的错误认识，分析了学生学习中容易出现错误的原因，提出在教学中值得注意的问题学生在对水波干涉、光的双缝干涉及薄膜干涉学习后，知识体系在学生的头脑中已初步形成然而在对知识进行整理和再认识的过程中，自然会遇到许多问题，如皂液薄膜干涉中的薄膜厚度问题，干涉中的能量传递问题等在解决薄膜厚度问题时，无法回避“半波损失”的概念，所谓光波的半波损失是指：当光波被光密介质反射时，反射波的相位要发生的突变一、增透膜中的半波损失如图1所示为增透膜示意图，其中0、1、2分别表示空气、膜层和玻璃的折射率当入射光线S入射到薄膜时，由于光线在膜内的多次反射，将分裂成功率递减的1、2、3等各条反射光线和、等各条透射光线若薄膜上下两面互相平行，则反射光线和透射光线将组成两平行光线组图11反射光组中的半波损失对增透膜而言012（如空气的折射率01，2的折射率1138，冕牌玻璃的折射率2152），光线在由空气进入薄膜（光线由光疏到光密介质），和由薄膜进入玻璃时，上下两面反射均出现半波损失，即产生相位的突变因此，反射光组1、2、3中由于反射引起的相位差为零如果相邻两反射光互相抵消，则有光程差21（12）0，其中0为光在空气中的波长，为薄膜的厚度，为光在薄膜中的折射角，0，1，2，3当光线正射薄膜时，=,则21（12）0，（12）02，又0，所以薄膜厚度为（21）4），当0时，4，即增透膜薄膜厚度为入射光在薄膜中波长的142透射光组中的半波损失由于反射光组1、2、3的互相抵消，就大大减少了反射光组的能量同样因为0，所以光在薄膜中连续两次反射时，只在薄膜下表面出现半波损失，产生相位的突变直接由薄膜下表面透射的光（如光线）与在薄膜中连续两次反射后再透射的光（如光线），由于反射引起的相位差为，同理可知在透射光组、中相邻两透射光线由于反射引起的相位差均为当反射光线1、2、3互相抵消时，透射光线、中相邻的两透射光线的光程差也为（光线正射时）：2，再加上相位差或附加光程差02（在此可取02），所以相邻的两透射光线将是互相加强，从而使透射光的能量也得以加强在增透膜实现增透的过程中不难发现：反射光组1、2、3的互相抵消与透射光组、的互相加强形成了互补效应，体现出干涉效果只是将能量重新分配，而总能量仍然守恒二、皂液薄膜干涉中的半波损失1学生理解上的偏差“增透膜”是“薄膜干涉”知识的应用，学生在学完增透膜的内容后，对薄膜干涉现象的认识将会出现反复在增透膜的增透过程中，“当薄膜的厚度是入射光在薄膜中波长的14时，在薄膜的两个面上反射的光，光程差恰好等于半个波长，因而互相抵消”1在前面“双缝干涉”的学习中，我们知道：“在屏上距两个狭缝的光程差是半个波长的奇数倍处出现暗条纹”2根据如图2所示的皂液薄膜干涉模型，学生在判断出现暗纹处的薄膜厚度d时，依据上述两种情形的结论认为：当皂液薄膜前后两表面反射回来的两反射光的光程差（12）时（其中为光在皂液中的波长，0、1、2、3），两反射光也互相抵消，从而得出“当薄膜厚度（21）4）处（如图2所示），两反射光互相抵消，形成暗条纹”这一错误结论图22引起学生理解偏差的原因（1）“相干”过程不清造成这一错误的原因之一是：学生缺乏一定的知识基础，没有考虑到薄膜反射中的半波损失问题由于皂液薄膜的两侧均是空气，光在经过皂液薄膜前一面反射时会出现半波损失，产生的相位差为，而经过皂液薄膜后一面反射时不会出现半波损失，当皂液薄膜厚度恰好为（21）4）时，两反射光的光程差虽为半个波长的奇数倍，但加上由于皂液薄膜一面反射时产生的相位差或附加光程差2，恰使两反射光互相加强，形成亮条纹（“空气薄膜”干涉中也存在类似问题）比较“皂液薄膜”与“增透膜”相干的过程，可以看出：由于光线在薄膜前后两面反射均出现半波损失，因而反射引起的相位差为零而光线在皂液薄膜前后两面反射时只在前一面出现半波损失，反射引起的相位差为虽然薄膜厚度均为14个波长的奇数倍，但现象却是一个互相抵消，一个互相加强，结果截然相反，这一点在教学中应引起广大师生的注意（2）教材的误导造成学生认识上错误的另一原因是：教材在前后处理“双缝干涉”和“增透膜”的机理中，引入了“光程差”的概念，对相干问题加以量化处理，两次涉及出现暗纹的条件，强化了“光程差为半个波长的奇数倍”这一条件，而在“皂液薄膜干涉”及“空气薄膜干涉”中却回避了“光程差”的问题然而学生在知识的整理及再认识过程中，考虑到皂液薄膜的厚度与暗亮条纹间的关系问题，是学生实施思维迁移的必然，而迁移的结果却导致了认识上的错误究其原因，教科书在编写上有不妥之处，既然在“皂液薄膜干涉”中由于半波损失而回避了光程差及薄膜厚度问题，那么在“增透膜”中也应回避此类问题，这样才能保证教材前后的连续性和完整性，才能有利于学生系统地把握知识，更有利于学生思维的正向迁移参考文献1人民教育出版社物理室高级中学课本，物理（第二册）人民教