薄膜干涉
教学目的：
1.通过对肥皂液薄膜干涉实验的分析使学生理解薄膜干涉的原理。并对光的干涉现象加深认识；
2. 通过举例使学生了解薄膜干涉在科学技术中的一些应用
3.会用薄膜干涉的知识解设一些常见的现象。
教学重点：薄膜干涉的原理
教学难点：薄膜干涉应用
实验用具和教具：
酒精灯、铁丝圈、肥皂水
教学设计：
复习回顾：
提问１：两束光产生干涉的条件是什么？
答：频率相同的相干光源
提问２：路程差满足怎样条件的区域出现亮条纹？满足怎样条件的区域出现暗条纹？
答：两束光干涉，在空间互相叠加，所以出现了亮暗相间的条纹。
提问３：红光和蓝光相比较，干涉条纹间距有何不同？
答：红光的条纹间距大。
提问４：白光的干涉条纹为什么是彩色的？
答：由于白光内各种单色光的干涉条纹间距不同，在屏上会出现彩色条纹。
新课教学：
薄膜干涉的实验及原理
做实验，学生观察实验：酒精灯里的酒精中溶解一些氯
化钠，灯焰就能发出明亮的黄光。把铁丝圈在肥皂水中蘸一
下，让它挂上一层薄薄的液膜，用酒精灯的黄光照射液摸；
实验现象：液膜反射的光使我们看到灯焰的像，
像上有亮暗相间的条纹，这是光的干涉产生的。ks5u.com
提问：它是怎样产生的？
分析产生干涉的原理分析：
竖直放置的肥皂薄膜，由于受到重力的作用，形成了上薄下厚的楔形，酒精灯火焰照射到薄膜上时，从膜的前表面和后表面分别发射出来，形成两了波，这两列光波的频率相同，所以能够发生干涉。在薄膜的某些地方，两列波反射回来时恰是波峰和波峰叠加、波谷和波谷叠加，使光波的振动加强，形成黄色的亮条纹；在另外一些地方，两列波的波峰和波谷叠加，使光波的振动互相抵消，形成暗条纹。（我们虽然不能明显观察到上薄下厚，但是这样微小的厚度之差与光的波长相比还是相当大的。）
定量分析：在薄膜上不同的地方，来自前后两个面的发[高考资源网]
射光如图所示，所走的路程差不同，后膜反射光的路程与前膜
反射光路之差正好为入射处膜厚度的2倍，对于不同的入射处
膜厚度不同，某处膜厚度的2倍正好为波长整数倍时，该处两
列光波叠加后互相加强，出现明条纹，若正好半个波长的奇数
倍，互相叠加后减弱则为暗条纹。
提问：用单色红光和绿光分别做实验，条纹间距有什么区别？
分析：用不同波长的单色光做这个实验，条纹的间距是不一样的，波长长的间距大，波长小的间距小。
提问：用白光照射下，肥皂液膜上为什么会出现彩色条纹？
若用白光照射肥皂液膜，由于各色光干涉后的条纹间距不同，在某一厚度的地方，某一波长的光反射回来互相增强，另外一些波长的光反射回来互相抵消，这样液膜上就会出现彩色的条纹。水面上的油膜常常看到的彩色花纹，也是光的薄膜干涉现象。
薄膜干涉在科学技术中的一些重要的应用：
(1)用干涉法可以检查平面的平整程度
在磨制各种镜面或其他精密部件时，对加工表面的形状可以用干涉法检查。如果被检查的表面是一个平面，可以在它的上面放一个透明的标准样板，并在一端垫一个透明的标准样板，使样板的标准平面和被检查的平面间形成一个楔形的空气薄层，用单色光从上面照射，入射光从空气层的上、下表面反射出两列光波，于是从反射光中就会看到干涉条纹，如果被测表面是平的，那么空气层的厚度相同的各点就位于一条直线上，因此产生的干涉条纹就是平行的；如果被测的表面某些地方不平，那里空气层的厚度相同的各点不再位于同一直线上，因此产生的干涉条纹就要发生弯曲，从干涉条纹弯曲的方向和程度还可以了解被测表面的不平情况。这种测量的精度可达１０－６厘米。如图所示：
[Ks5u.com]
对干涉弯曲条纹进行分析：
问：如果增大倾角，条纹间距、条纹数
目会有怎样的变化？
答：条纹间距将减小，数量增多。
(2) 增透膜：现代光学装置，如摄像机和电影放映机的镜头、潜水艇的望远镜、照相机等，都是有许多的光学元件——透镜、棱镜等组成，进入这些装置的光，在每个元件的表面上都要受到反射，结果只有入射光的10%--20%通过装置，所成的像既暗又不清楚。（展示照相机图片）
提出问题：怎样消除表面的反射造成的后果呢？即怎样才能减小镜片反射光的能量呢？
答：可以在透镜如棱镜的表面涂上一层薄膜（一般用氟化镁）。
提出问题：薄膜的厚度应为多少？
答：薄膜的厚度是入射光在薄膜中波长的时，在薄膜的两个面上反射的光，路程差恰好等于半个波长，因而相互抵消，这就大大减少了光的反射损失，增强了透射光的强度，这种薄膜叫增透膜。
入射光一般都是白光，是由各种不同波长的单色光复合而成的，增透膜能使所用波长的光都相互抵消吗？
答：不能。因此在确定薄膜厚度时，应该取中间部分的绿色光，即人的视觉最敏感的光，在垂直入射时完全抵消。这时，可见光边缘的红光和紫光并没有显著消弱，所以有增透膜的光学镜头呈淡紫色。
高中物理教材中讲述光的干涉在技术上的应用时，对于增透膜，由于篇幅少，介绍得比较浅，学生有很多疑问．根据笔者的教学体会，认为增透膜知识的教学要讲清以下四点，以满足学生的求知欲，开阔学生的视野，以适应当今高考强调理论联系实际的需要． 一、为什么在光学镜头上涂一层透明薄膜棗增透膜呢? 现代光学装置，如摄影机、电影放映机的镜头、潜水艇的潜望镜等，都是由 许多光学元件棗透镜、棱镜等组成的．进入这些装置的光，在每一个镜面上都有一部分光 被反射，因此只有10～20％的入射光通过装置，所成的像既暗又不清晰．计算表明，如果一个装置中包含有六个透镜，那么将有50％的光被反射．若在镜面上涂上一层透明薄膜，即增透膜，就大大减少了光的反射损失，增强光的透射强度，从而提高成像质量． 二、为什么要求增透膜的厚度是入射光在薄膜介质中波长的四分之一呢? 当光射到两种透明介质的界面时，若光从光密介质射向光疏介质，光有可能发生全反射；当光从光疏介质射向光密介质，反射光有半波损失．对于玻璃镜头上的增透膜，其折射率大小介于玻璃和空气折射率之间，当光由空气射向镜头时，使得膜两面的反射光均有半波损失，从而使膜的厚度仅仅只满足两反射光的光程差为半个波长．膜的后表面上的反射光比前表面上的反射光多经历的路程，即为膜的厚度的两倍．所以，膜厚应为光在薄膜介质中波长的1/4，从而使两反射光相互抵消．由此可知，增透膜的厚度d＝λ/4n（其中n为膜的折射率，λ为光在空气中的波长 ）． 三、为什么增透膜要用折射率为1.38的氟化镁作材料镀制呢? 单层增透膜的理论依据表明：当膜的折射率n膜满足：（其中n空、n玻分别为空气和玻璃的折射率）时，反射光的强度为零，光的透射率为100％．对于一般折射率在1.5左右的光学玻璃，为了用单层膜达到100％的增透效果，其膜的折射率=．折射率如此低的镀膜材料很难找到．所以，现在一般都用折射率为1.38的氟化镁(MgF2)镀制单层增透膜．不过对于折射率较高的光学玻璃，单层氟化镁膜能达到很好的增透效果． 四、为什么涂有增透膜的光学镜头呈淡紫色呢? 对于增透效果很好的氟化镁膜，仍有约1.3%的光能量被反射，再加之对于其它波长的光，给定膜层的厚度不是这些光在薄膜中的波长的1/4倍，增透效果较差些．在通常情况下，入射光为白光，增透膜只能使一定波长的光反射时相互抵消，不可能使白光中所有波长的光都相互抵消．在选择增透膜时，一般是使对人眼灵敏的绿色光在垂直入 射时相互抵消，这时光谱边缘部分的红光和紫光并没有完全抵消，因此，涂有增透膜的光学镜面呈淡紫色．
增透膜和增反膜 增透膜和增反膜在光学仪器有广泛应用,中学物理课本中也有增透膜的内容,甚至2001年全国高考理科综合试题第16题都涉及到了这一技术应用,所以有必要对增透膜和增反膜进行深度了解. 1.增透膜 如图所示,光线从折射率为n1的介质射向厚度为d,折射率为n2的膜,分别在两层界面处发生反射,反射到折射率为n1介质中的 a,b两束光传播的光程差为δ=2d.一般增透膜是在空气和玻璃界面上涂上一层透明的晶体膜,所以n1=1(空气折射率),n2为膜的折射率,n3为玻璃折射率,则光程差为δ=2d(因为a光束在第一界面,b光束在第二界面处各有一次半波损失,则总的δ'=0).通常讨论近轴光线,即i1很小,近似于0°,所以光程差δ=2n2d. 根据光的干涉原理得: (k=0,1,2,3,……),λ为光在空气中的波长. 增透膜是通过选择镀膜的厚度d和介质折射率(n2),使两束反射光的光程差为(2k+1),出现干涉相消,从而减弱反射光的强度,增加透射光的强度. 当k=0时,d= 又因为n2=(v为光波在膜介质中的传播速度),所以光在膜介质中的波长为=,即得d=.因此中学课本中强调"当薄膜厚度是入射光在薄膜中波长的1/4时,在薄膜的两个面上反射的光……互相抵消,这就大大减少了光的反射损失,增强了投射光的强度."而这一点却为2001年全国理科综合高考试题<>16题所忽视,原题中以"λ表示红外线的波长"不如改为"λ表示红外线在该薄膜中的波长"更妥帖. 除了选择薄膜厚度,还应选择折射率.可以证明,膜介质的折射率n2必须是空气折射率n1和玻璃折射率n3的比例中项,即[1]. 例如:透镜玻璃折射率n3=1.50,空气折射率n1=1,则其表面增透膜折射率为n2=1.22,不过目前仍没有找到这样折射率的透明材料,在可用的光学薄膜材料中,氟化镁(MgF2)的折射率最小,为1.38.因此,在工艺中选择这种的材料.如果光波波长为λ=550nm,则其厚度为: d=, 则d≈10-7m. 利用氟化镁镀膜可以使光的反射率由4%降至1.8%,当然为了提高透射率,还可以采用多膜增透系统. 2.增反膜 在实际技术应用中,有时镀膜的目的是增加对某一光谱区内的反射光的强度,提高反射率,这样的膜叫做增反膜(和反射膜).例如氦-氖激光器谐振腔全反射镜就镀有15～19层硫化锌-氟化镁膜系,可使6328埃波长的反射率高达99.6%. 为了提高反射率,需要从薄膜的两个面反射的光波出现干涉相长,即光程差δ=(2k),2n2d=(2k),所以膜厚度为d=k(k=0,1,2,3,……). 增透膜和增反膜的功能都是改变折射光线和反射光线的能量分配比例,因此控制薄膜的厚度,可以使它对某些光为增透膜,对另一些光为增反膜,例如太阳镜要求对λ1=550nm的光反射多而对λ2=500nm的光透射得多,则在玻璃(n3=1.5)表面所镀氟化镁厚度应满足以下条件: d=―――――――① d=――――② 解得:k=5 再由①或②得:d=996nm 即在玻璃表面镀厚度为996nm的氟化镁膜,使之对550nm光为增反膜,对500nm的光为增透膜.
巩固练习：
练习１、在玻璃元件表面涂上氟化镁透明薄膜，当入射光垂直照射时：（ ）
A薄膜厚度等于入射光在薄膜中波长的一半时，能起增透作用
B薄膜厚度等于入射光在真空中波长波长的１／４时，能起增透作用
C薄膜厚度等于入射光在薄膜中波长波长的１／４时，能起增透作用
D增透膜是因为反射光干涉相消，透射光增强而起了增透作用
E膜薄膜对红光有增透作用，那么对紫光也有一定增透作用
练习２、右图所示是用干涉法检查某块厚玻璃的上表面是否平整的装置，检查中所观察到的干涉条纹如图乙所示，则 ( )
A.产生干涉的两列光波分别是由a的上表面和b的下表面反射的
B.产生干涉的两列光波分别是由a的下表面和b的上表面反射的
C.被检查的玻璃表面有凸起
D.被检查的玻璃表面有凹陷[Ks5u.com]
思考题：同一条纹对应的各点有什么关系，空气薄膜的厚度有什么关系？？
答：空气薄膜的厚度相同。
介绍牛顿环：
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