摘 要:本文对机械波的相干性及光的基本特征进行了阐述,分析了光的干涉原理,并对光的薄膜干涉产生的原因和条件做出了详尽剖析,透彻地解释了油滴、肥皂泡和某些金属表面所产生彩色花纹现象。
关键词:相干性干涉花样薄膜干涉现象
中图分类号:G623文献标识码:A文章编号:1673-9795(2011)09(a)-0086-02
大雨过后的校园里,弥漫着淡淡的花香。不知是谁的摩托车一溜烟开过去,漏下几滴油,在日光的映照下,呈现出五彩的花纹。“老师,汽油变成彩色的啦！”汽油没有变,汽油还是汽油。大家都来观察一下,这是物理学中一个非常有趣的现象,叫做薄膜干涉。要弄明白这个问题,就必须了解以下几个方面的知识。
1 机械波的相干现象
1.1 机械波的独立性和迭加性
从几个振源发出的波相遇于同一区域时,只要震动不十分强烈,那就可以保持自己的特性(频率、振幅和振动方向等),按照自己原来的传播方向继续前进,彼此不受影响。这就是波动的独立性的表现。比如在平静的池塘里,投入一块石头,激起的水波会很快向四周扩散。如在另一边再投一石块会激起另一个波涛。我们会发现这两列波各自沿自己原有方向各自扩散而去。但是,在相遇区域内,水面各质点的合位移是各波分别单独传播时在该点所引起的位移的矢量和,因此,可以简单地、没有任何畸变地把各波的分位移按照矢量加法迭加起来,这就是波动的迭加性。海啸时,冲向陆地的海浪一波高于一波,一浪强似一浪,就是多波迭加的结果。
1.2 机械波的相干性
如果两列波的频率相等,在观察时间内波动不中断,而且在相遇处振动方向几乎沿着同一直线,那么,它们迭加后产生的合振动可能在有些地方加强,有些地方减弱。这一强度按空间呈周期性变化的现象,这就是波的干涉。在迭加区域内各点处的振动强度呈现一定的非均匀分布,该整体图像称为干涉花样。例如在平静的池塘里分别投下两个大小相近的石块所产生的两列波,它们在迭加区域内形成的波光粼粼,就是典型的干涉花样。而且,这两列波频率越接近,形成的干涉花样在一定区域越稳定。
2 光的基本特征
2.1 光是一种波
19世纪70年代,麦克斯韦发展了电磁理论,从而导致了电磁波的发现。电磁波在不同介质的分界面上会发生反射和折射现象,在传播中会出现干涉、衍射和偏振等现象。电磁波中能为人眼所感受的波长λ约在3900～7800的狭窄范围以内,对应的频率范围是7.710～4.110赫兹。这个波段内的电磁波其实就是人所看到的光,即可见光。在可见光内不同的波长引起不同的颜色感觉。红光以外比红光波长更长的电磁波就是红外线;紫光以外比紫光波长更短的则为紫外线。
2.2 光波的有关特性
(1)光在传播过程中,在不同介质的界面上会发生反射。入射光线与反射光线遵守反射定律。光从一种介质进入另一种介质时将出现折射,并且不同颜色的光(波长、频率不同)折射率不相同。(2)光在传播中正如其他电磁波可以出现干涉、衍射和偏振等现象。
3 光的干涉现象
3.1 相干光源的条件
我们随便找来两盏电灯并使它们同时照射到同一平面上。能够产生干涉现象么？不能。因为这样做其实是,使同一平面上任何一点的总照度都加强了,其数值等于两盏灯照度之和。结果没有一处的照度减弱,故观察不到干涉花样。要获得干涉花样,必须有相干光源。而通常的独立光源(如电灯等)彼此是不相干的。光的辐射起源于物质的原子。在两个通常独立的光源中,甚至在同一发光体的不同部分,一般说来原子的辐射是互不相干的。因为,在一批发出辐射的原子里,由于能量的损失或由于周围原子的作用,辐射过程常常中断,每次延续时间很短(约一亿分之一秒)。此后,另一批原子发光,此批光已具有新的位相了。因此不同原子所发出的辐射之间的位相差,将在每一次新的辐射开始时发生改变,也就是说每经过一个极短的时间间隔,位相差就会改变。所以这样的光源是不相干的。假定在观察时间内,两列波各自继续进行,并且连续不中断(力学现象中都符合这种条件,例如水面激起的两列波,两个振动的音叉所发出的声波等)这种情况,光学中却并不常见。因此:(1)在几乎同一直线上的、同频率的两个电磁振动迭加时,位相差始终保持不变,合振动平均强度可以大于,也可以小于分振动强度之和。在这种情况下就可能在较长时间内观察到干涉现象。通常把频率相同、振动方向几乎相同并在观察期间内两振动的相位差保持不变的两个振动称为相干振动。(2)两振动的位相差在观察时间内呈现无规则的改变(例如间断的振动),合振动的平均值简单地等于分振动之和,则不出现干涉现象。通常称这种振动为不相干振动（图1、图2）。
3.2 几种常见的相干光源
(1)杨氏干涉:用强烈的单色光照射到开有小孔S的不透明的遮光板(称为光阑)上,后面置有另一块光阑,其上开有两个小孔S1和S2。这样从两小孔发出的两列光就是相干光源。
(2)菲涅耳双镜、洛埃镜:利用平面镜的反射也可以得到两个相干光源。在此就不再详细介绍了。
3.3 薄膜干涉
光线a在不超过临界角的情况下,从空气射向薄膜经过界面时,成为两条光线:一条经薄膜第一个表面反射成为光线a1;另一条折射后进入薄膜并在薄膜第二个表面发生反射,再经第一表面折射进入空气成为光线a2。(1)光线a1和光线a2来自同一列波a,与杨氏双峰的发出的两束光一样:两束光具有相同频率和恒定的相差,因此是相干光源,能够产生干涉现象。杨氏双峰干涉是两束光在同一种媒质(空气)里传播,而薄膜干涉是相干光经过不同媒质后产生的。(2)两列波从薄膜上下两个表面反射其性质是不同的,第一表面反射是从光疏介质到光密介质(空气到薄膜),第二表面是光密介质到光疏介质。根据菲涅耳公式可知,两束反射光的振动分量的方向变化是彼此相反的,而两束反射光的传播方向相同,波面相互并行,因而它们的合矢量方向相反。这相当于上述的光程中额外加了半个波长λ/2。
如此,两束反射光在点S相遇时光程差为δ=n2(AB+BC)-n1(AC’)-λ/2=2hn2cos(i2)-λ/2。根据入射光束入射角度的不同,即我们用眼睛观察位置点不同,经薄膜上下两个界面反射的两束光在点S处相遇时光程差也不相同。光程差等于一个波长时,干涉相长,出现明条纹;等于半个波长时,干涉相消,出现暗条纹。由于干涉条纹之间的距离与薄膜的厚度h成反比,因此,薄膜越薄,条纹间的距离越宽,越容易观察到。反之,条纹间的距离越窄,越难以分辨。这就是大多数情况下观察不到干涉现象的原因(图3)。
再者,通常条件下的日光是复色光(由不同波长的色光构成),以同一角度照射到薄膜界面时,各色光折射率不同,再经第二界面反射和第一界面折射,在S点相遇时位置不尽相同。这样我们观察到的将是彩色的条纹。
我们从肥皂泡泡里或者金属表面极薄的氧化层上,也能看到灿烂的薄膜色。这和油膜形成彩色条纹的原理完全相同。由于悬在空中的肥皂泡薄膜厚度处在动态的变化之中,所以我们经常看到的会是:变化的、不规则的、彩色曲线条纹。
4 结语
光学是一门有趣而深奥的科学。光现象又是我们日常生活、工农业建设和科学技术常常遇到的问题。有些现象就发生在我们身边,平平常常,司空见惯,但要真正给出一个全面、细致和圆满的解释,往往要涉及到其他相关科学的理论和知识。正是因为这个原因,一些看似简单的现象,解释起来却并不容易。在教学过程中,很多老师甚至一些有多年教龄的老教师一遇到光学现象,就轻描淡写、一笔带过,不敢也不愿做深入的研究和探讨。这恰恰失去了一次让学生全面了解博大精深的光学知识、充分体验色彩斑斓的光现象的绝佳机会。学生学习文化知识的持久动力,很大程度取决于学生对科学知识认同和兴趣。在全面开展素质教育和和大力提倡教育、教学改革的今天,我们广大教育工作者,一定要有一个清醒的认识:以往那种简单灌输知识式的教学模式已经不能适应当今的学生和当今的教育形势。我们该做的应是,把以往所学和毕生对本专业理解、体验,准确和无误地告知我们的学生;把我们用科学原理解决实际问题和揭示生活现象的本领传授给我们的学生;把我们对科学知识渴求和向往、迷恋之情展现给我们的学生,身体力行,和我们的学生一起去体验科学解决实际问题后给我们带来的快乐。使学生的学习状态实现从过去的“要他学”向“他要学”的质的飞跃和转变！
参考文献
[1]姚啓钧.光学教程[m].高等教育出版社,2006.
[2]罗俊.中学物理[m].上海教育出版社,2009.
[3]褚圣鳞.原子物理学[m].高等教育出版社,2011.