薄膜干涉的应用

薄膜干涉的应用
薄膜干涉的应用

薄膜干涉的应用
一、增透膜与高反膜

薄膜干涉使用扩展光源,虽然相干性不好,但因能在明亮环境观察,所以实用价值高.利用上述原理可以测定薄膜的厚度e或光波波长l .在光学器件上镀上一层厚度为d的薄膜,使强度相等的两束反射光（或透射光）的光程差d满足干涉加强（d=kl）或减弱（d=(k+1/2) l）条件,可以提高光学器件的透射率或反射率.增加透射率（即透射光的光程差d=kl）的薄膜叫增透膜,增加反射率（即反射光的光程差d=kl）的薄膜叫高反膜.增透膜和高反膜常用在光学仪器的镜头上.由于相邻两束光的强度不等,实际常采用多层膜,使高反膜的反射率达99%以上.

二、迈克耳孙干涉仪

下图中的迈克耳孙干涉仪是一种很重要的光学仪器.其光路如右下图所示.从光源S发出的光经过半透明的玻璃板G1分成两束光,分别经过M1 (及G1)、M2的反射,进入望远镜E发生干涉.显然,这种干涉可看成是M1的像M1¢和M2之间的薄膜干涉.

迈克耳孙干涉仪

当M1,M2严格垂直时,M1¢和M2严格平行,可观察到等倾干涉.当M1,M2不严格垂直时,M1¢、M2不严格平行,相当于在M1¢和M2之间形成厚度不均匀的劈形空气膜,因此可观察到劈尖干涉.当用一凸透镜来代替M2的平板玻璃时,还可观察到牛顿环.
在观察等倾干涉时,若移动反射镜M2,就能看到干涉条纹不断地从圆环中心生长出来或湮没.当M2平移距离λ/2时,光线1、2之间的光程差就增加或减小λ,在观察镜中看到一个条纹移过视场.数出视场中明条纹移动的数目N,就可计算出M2 所移动的距离:d=Nλ/2.

当光程差为波长的十分之一时,就能观察到干涉条纹的移动,因此可以利用迈克耳孙干涉仪测量微小的长度； 在光谱学中,可以精确地测定光谱线的波长及其精细结构；在天文学中,可测定远距离星体的直径以及检查透镜和棱镜的光学质量等等.

课程:
薄膜干涉这节课,课本上内容较少,若只想达到教材所述的知识目标,差不多可以应付以往的考试.但很多学生知其然不知其所以然,稍微遇到灵活变通的新问题就会束手无策,可以说已无法适应现在的高考改革,更谈不上利用所学知识创新.如果在教学中能利用探究式教学方式,使学生知其然并知其所以然,亲历知识获得的过程,则学生不仅学得明白灵活,而且训练了自己的观察能力、实验能力、归纳综合能力、推理能力、化繁为简的创造性思维能力和运用所学知识进行创造发明的能力.
首先,这节内容在教材中的地位,是在学了“光的干涉”的普遍规律和“双缝干涉”这一特例之后,正好可以训练学生利用已学的知识和科学研究方法去探索这一新的物理规律,培养学生的创新精神和实践能力；同时生活中的薄膜干涉现象比比皆是,正好可培养学生的实验观察思维能力和归纳综合能力.故这节课能充分发挥学生的能动性,强化物理知识的形成过程和应用过程,使学生体验、认识和运用科学研究的过程和方法,使这一知识点的学习变成自主地研究性学习；同时这节内容也能有效地对学生进行科学方法的熏陶,使学生学会学习、学会研究,最终达到全面提高素质、发展个性、形成特长的目的.
我们在教学中,将设计教师如何教转变为设计学生如何学,从学生背景、教学内容和学生知识的最近发展区出发,制定以人为本、以学生能力发展为本的教学目的,在教学过程中提供信息、手段、时间和空间,让每个学生亲历学习的全过程,使他们能主动积极地动手、动口、动眼、动耳、动脑,通过实际操作和交互的学习实践活动,创造性地进行学习.这种将面向结论的学习转变为面向过程的学习,真正培养了学生主动学习的精神,提高了学生主动探索的能力,使学生体验到了成功的快乐,从而激发他们进一步探索的兴趣.
一、创设情景激疑,引导捕捉分析信息,培养学生的实验观察能力和发现问题的能力.
爱因斯坦说：“发现一个问题比解决一个问题更重要.”确实,不能发现问题就谈不上创新.而发现问题的能力是与观察思维能力、直觉思维能力和已有的基本知识技能等分不开的.
上课伊始,为了培养学生的观察能力和实验能力,我先创设情景,用平常摄像收集的这些绚丽多彩的现象和课堂演示实验把学生带入情景,引起学生的思考和探索的兴趣.然后通过引导学生观察现象、观看演示和学生自己做实验,引导学生捕捉信息、分析信息.
生活中的薄膜干涉多是白光照射下出现的彩色图样,有的规则有的不规则.我引导学生仔细观察思考,发现这些现象有一个共同点：光照在一层薄膜表面反射时发生的现象.
一、 引导学生化繁为简,养成建立模型的习惯.
生活中的物理现象纷繁复杂,而大凡复杂的现象都可以化为几个简单模型的组合.我把这节新课教学的主要过程安排为：理解薄膜干涉的相干光源的来源,引导学生掌握最基本的单色光薄膜干涉的规律,学习建立模型的科学研究方法,然后鼓励学生利用已学的基本的概念、规律、模型和科学方法去自己解决较复杂的问题.
学生开始思考这些现象所蕴含的内在的本质规律时,若不知从何入手,我就不失时机地引导学生回顾双缝干涉的研究过程,用科学的研究方法,化繁为简,先从最简单的实验（单色光照射、薄膜厚度均匀变化的干涉）开始研究,学生立即就能从观察到的简单现象（黄黑相间的水平条纹）着手,开始寻找决定这一现象的内在规律.弄清了单色光干涉的明暗条纹分布规律,白光干涉现象就可迎刃而解（七种单色光干涉模型的组合）；弄清了厚度均匀变化的干涉,对一般的干涉也可触类旁通（同一条纹对应的是厚度相同的点）.
这种台阶式的研究方法,使学生在自主探究规律时,能跳一跳,够得着,不会损伤其积极性.并且在实践中逐步掌握化繁为简、各个击破的科学研究方法.这种把一个复杂的新情景化解为几个简单模型的组合,利用已知模型去解决新问题的能力,正是现在高考试题中重点要求的能力.
三、引导观察,鼓励假设；用实验、图表等直观手段,培养直觉、灵感思维
这节课课本内容之所以少,主要是因为薄膜干涉的定量研究不便深入,故大纲对此节内容要求只是A级,但光学在日常生活中的应用之广可谓众所周知,而这些应用所涉及的原理也可以通过实验观察总结出来,这样不仅使学生对后面的应用知其所以然,而且可在教学中培养对创造发明非常重要的直觉、灵感思维能力.
在研究 “黄黑相间的水平条纹”的形成原因时,我反复实验,让学生观察到火焰像的背景上,从无条纹到有条纹,条纹由细到粗的过程.引导学生观察竖立的肥皂液薄膜,发现下面有很多水,且越来越多,学生自然得出了膜在重力作用下形成上薄下厚的楔形.我鼓励学生画出膜的剖面图,学生清楚地认识到：同一水平线上厚度相等,从上往下厚度均匀增加.将干涉图样与膜的厚度变化图对比,此时我鼓励学生大胆猜测条纹分布规律的特点,同学们都争相回答“同一条纹对应的厚度相等”.
研究两列相干光源的来源时,只要学生画出光射到膜表面时的光路示意图：一条入射光线在前表面分成两束,折射光线传到后表面,又有反射光线经前表面折射射出.学生就理解了两束反射光是由同一束入射光分成的两束.
利用实验、绘图等直观、形象的手段,再现物理情景,可引导学生根据现象探索规律,而不是单纯的抽象思维或空想.当学生发现这样可让他们更轻松地解决问题时,就会逐渐养成利用形象直观手段的习惯.

四、巧妙设问,激励思维；分解问题,培养学生探索本质规律的能力
思维是从问题开始的,教师的提问可以直接激励学生进行积极的思维活动.但是,教师所提的问题的性质和要求不同,对学生思维的激励作用也不同.这就需要教师能科学地设计提问,引发学生的思维,在教学中必须让学生不仅明白“是什么”、“怎么样”,而且养成追根究底的习惯,弄清“为什么” .适当引导学生分解问题,学会科学的思维方法,只有学生亲自思考推导出的知识,才是记忆最深刻、理解最透彻的.
学生对“火焰像的背景上有黄黑相间的条纹”感到新奇、纳闷时,我鼓励学生发表意见,说明这属于什么现象,是怎样形成的,甚至说出自己的思维卡壳的地方.如果学生觉得无从下手,我就依次提出以下问题引导学生思维：⑴此火焰的像是怎样形成的?（是什么光射入人眼才让我们看到这个像?）.⑵为何像的有些部分是黑的?（这部分反射光为何消失了,难道膜的前表面没有反射蜡烛的光吗?）,从明暗相间的条纹,你觉得是发生了什么现象?.⑶从杨氏双缝干涉实验中知道,可如何利用自然光获得两束能发生干涉的光?⑷找出让我们看到明暗条纹的两列相干反射光波的来源?
一个个提问直指问题的实质,学生水到渠成地明白了“薄膜干涉现象”和“相干光源的来源”.
接着研究干涉图样为什么是“水平的黄黑相间的条纹”?我引导学生,把这个问题分解成两个单一问题：⑴同一水平线上为什么全为亮或全为暗?⑵从上往下为什么是明暗相间?
将一个大问题分成几个小问题,分层次推理出结果,体现了思维的有序性,有利于学生靠自己的能力独立地得出结果,使他们体验到成功的乐趣,久而久之,他们也会养成有条理地思考问题的习惯.
五、创设良好的问题解决式氛围,联系实际,促进学生的创造性的发展
问题解决是一种智力活动.智力活动只有在恰当的气氛中进行才能取得好质量和高效率.为此,教师始终应是学生的良师益友,让学生觉得和蔼可亲,有胆量发表自己的见解,有良好的情绪和进取精神严肃活泼地学习.教师的作用是点拨学生,帮助学生体验到学习和创造的成功和快乐.
弄清了简单的单色光的干涉规律,再研究复杂的白光干涉现象,就可交给学生自己发挥能动性解决了,然后教师完全可只充当导演,或是与学生一起探索规律的同志、战友,依靠自己的人格和逻辑力量推动他们前进.
教师又若有所思地说：“如果膜的厚度不是均匀变化……?”学生马上发挥自己的想象,把这个问题变得更具体：“如果厚度分布不规则?如果膜的各处厚度全部相同?……”开始猜想各种情况的干涉图样,教师鼓励：“想一想生活中的薄膜干涉现象!”然后和学生一起观察、分析：白光照射下的肥皂泡和水面上的油膜的彩色图样,不是水平条纹,而是不规则的花纹,或者某一片均为某颜色,而另一片均为另一颜色?经研究得到启发：①由薄膜干涉图样,可判断薄膜中厚度的分布情况；②若厚度相同,某色光在此膜表面反射产生的干涉现象是：要么全亮,要么全暗.从能量的分布角度弄清全亮和全暗的意义,然后鼓励学生：“能否利用这些特点在生产、生活中有所发明?自然引出薄膜干涉的应用：检查平面是否平整和增透膜.
到此,新课似乎已授完,但只要老师略加鼓励,已习惯于在生活中应用物理知识的同学一定会“一发而不可收拾”地设计下去：①在阳台和汽车等玻璃上镀一层阻止太阳光透射的膜,它主要反射绿光,整片膜的厚度都是均匀的,其厚度应为绿光在此膜中波长的1／2.②在夏天的衣服和伞上镀一层防紫外线透射的膜.③给微机操作人员设计一种防紫外线和X射线的镀膜镜片……
有的同学又会联想到一些相似的现象,去思考其原因.如：
①某部电影上的搞笑镜头：一青年去见其女朋友,在约会的餐厅外对着玻璃排练见面时的表情,没想到这种玻璃是外面看不见里面、里面看外面清清楚楚,他女朋友正巧坐在餐厅里这块玻璃前,将它的丑态尽收眼底……②光碟背面变化多端的彩色……③激光防伪标志……④方便面里的玩具魔幻卡……
这一切又会促使他们进一步思考问题的实质,从而更熟练精确地掌握本质规律,同时这么多身边的物理又会激发他们的创造欲望.久而久之,就能真正实现让学生来表现教师的水平这一较高境界.
相关教材推荐:
1 课程性质：基础课
教 材： 《大学物理》
学时学分：总学时： 136