李寧

光照射在薄膜上，從膜的前表面和后表面反射回來的兩列光波再次相遇而產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，在薄膜前表面的同一側(cè)這兩列反射光疊加形成干涉條紋，這就是薄膜干涉。近三年全國各地高考模擬題和高考真題對薄膜干涉知識的考查屢次出現(xiàn)，比如2023年山東卷第5題、2021年浙江卷第16題、2021年江蘇卷第6題、2021年山東卷第7題等。下面從劈尖干涉、肥皂膜干涉、牛頓環(huán)干涉三個方面對薄膜干涉現(xiàn)象進(jìn)行剖析，以期對同學(xué)們的復(fù)習(xí)備考有所啟示。

假設(shè)第三條明條紋正下方的表面不再平整，而是突然凸起，如圖4所示，那么凸起部分的左側(cè)空氣薄膜的厚度都將小于d2，右側(cè)某一位置空氣薄膜的厚度將等于d2，在該位置的正上方就會形成明條紋，即第三條明條紋會向右移動。

假設(shè)第三條明條紋正下方的表面突然凹陷，如圖5所示，那么將線段d2向左平移，才能保證與兩板面均有交點(diǎn)，因此第三條明條紋會向左移動。

例1 （2023年高考山東卷）如圖6所示為一種干涉熱膨脹儀原理圖。G 為標(biāo)準(zhǔn)石英環(huán)，C 為待測柱形樣品，C 的上表面與上方標(biāo)準(zhǔn)平面石英板之間存在劈形空氣層。用單色平行光垂直照射上方石英板，會形成干涉條紋。已知C 的膨脹系數(shù)小于G 的膨脹系數(shù)。當(dāng)溫度升高時，下列說法中正確的是（ ）。

A.劈形空氣層的厚度變大，條紋向左移動

B.劈形空氣層的厚度變小，條紋向左移動

C.劈形空氣層的厚度變大，條紋向右移動

D.劈形空氣層的厚度變小，條紋向右移動

解析：因為C 的膨脹系數(shù)小于G 的膨脹系數(shù)，當(dāng)溫度升高時，G 增長的高度大于C 增長的高度，所以劈形空氣層的厚度變大，且同一厚度的空氣薄膜將向劈尖位置移動，即干涉條紋向左移動。

答案：A

二、肥皂膜干涉

肥皂膜干涉和劈尖干涉的原理一樣，在不考慮半波損失的情況下，豎直放置的肥皂膜發(fā)生薄膜干涉時是什么形狀呢？ 人教版高中物理選擇性必修第一冊中是這樣描述的：燈焰的像和節(jié)前“問題”中提到的現(xiàn)象，都是液膜前后兩個面反射的光共同形成的。來自兩個面的反射光相互疊加，發(fā)生干涉，也稱薄膜干涉。如圖7所示，通常而言，不同位置的液膜，厚度不同，因此在膜上不同的位置，來自前后兩個面的反射光（圖中的實線和虛線波形代表的兩列光）的路程差不同。在某些位置，疊加后相互加強(qiáng)，出現(xiàn)了亮條紋;在另一些位置，疊加后相互削弱，出現(xiàn)了暗條紋。

圖7 中畫出的肥皂膜的形狀是一個梯形，實際上由于表面張力的影響，肥皂膜的形狀一定不是梯形。

例2 （2021年高考浙江卷）肥皂膜的干涉條紋如圖8所示，條紋間距上面寬、下面窄。下列說法正確的是（ ）。

A.過肥皂膜最高和最低點(diǎn)的截面一定不是梯形

B.肥皂膜上的條紋是前后表面反射光形成的干涉條紋

C.肥皂膜從形成到破裂，條紋的寬度和間距不會發(fā)生變化

D.將肥皂膜外金屬環(huán)左側(cè)的把柄向上轉(zhuǎn)動90°，條紋也會跟著轉(zhuǎn)動90°

解析：肥皂膜因為自重會上面薄而下面厚，受表面張力的影響，其截面應(yīng)是一個圓滑的曲面而不是梯形，選項A 正確。薄膜干涉是等厚干涉，干涉條紋是由前后表面反射光相互疊加而形成的，選項B 正確。形成條紋的原因是前后表面的反射光疊加出現(xiàn)了振動加強(qiáng)點(diǎn)和振動減弱點(diǎn)，從形成到破裂的過程中上面越來越薄，下面越來越厚，因此會引起振動加強(qiáng)點(diǎn)和減弱點(diǎn)的位置發(fā)生變化，條紋寬度和間距也會隨之發(fā)生變化，選項C錯誤。將肥皂膜外金屬環(huán)左側(cè)的把柄向上轉(zhuǎn)動90°，由于重力、表面張力和黏滯力的作用，肥皂膜的形狀和厚度會重新分布，因此條紋并不會跟著旋轉(zhuǎn)90°，選項D錯誤。

答案：AB

例3 （2021年高考江蘇卷）鐵絲圈上附有肥皂膜，豎直放置時，肥皂膜上的彩色條紋上疏下密，由此推測肥皂膜前后兩個面的側(cè)視形狀應(yīng)是圖9中的（ ）

解析：薄膜干涉為前后兩個面反射的光相互疊加，發(fā)生干涉，形成干涉條紋。當(dāng)用復(fù)色光照射時，出現(xiàn)彩色條紋，由于重力作用，肥皂膜前后表面的厚度從上到下逐漸增大，從而使干涉條紋的間距上疏下密，由于表面張力的作用，使得肥皂膜向內(nèi)凹陷。

答案：C

點(diǎn)評：肥皂膜干涉條紋的特點(diǎn)是上疏下密，教材中的描述是忽略了表面張力影響的一種粗略的描述，準(zhǔn)確的描述應(yīng)該是2021年浙江高考題和江蘇高考題中的描述。

三、牛頓環(huán)干涉

牛頓環(huán)裝置由一塊平板玻璃和一個平凸透鏡組成。牛頓環(huán)干涉條紋的特點(diǎn)是：明暗相間的同心圓環(huán)，內(nèi)疏外密的條紋分布。

例4 如圖10所示，把一平凸透鏡置于一平板玻璃上方，如果用平行單色光垂直照射到平凸透鏡上，那么順著平行光入射的方向觀測可看到透鏡中央出現(xiàn)明暗相間的條紋，這種現(xiàn)象最早是牛頓發(fā)現(xiàn)的，因此被稱為牛頓環(huán)。下列說法中正確的是（ ）。

A.牛頓環(huán)是光的衍射現(xiàn)象

B.牛頓環(huán)是明暗相間、半徑均勻增大的同心圓條紋

C.若在透鏡的AB 面上施加向下的微小壓力，則可看到同心圓向外擴(kuò)展

D.若在C 處不小心沾上了灰塵，則明暗相間的同心圓條紋排列將比沒有灰塵時疏

解析：在球面ACB 和平面DE 之間形成有空氣薄層，平行垂直進(jìn)入透鏡的單色光，一部分在球面ACB 上發(fā)生反射，另一部分在平面DE 上發(fā)生反射，兩束反射光疊加，發(fā)生了干涉，形成明暗相間的條紋，干涉條紋的間距不是均勻增加的，而是隨著空氣薄層的厚度變化，越向外增加得越快，所以干涉條紋不是疏密均勻的同心圓，選項A、B錯誤。若在透鏡的AB 面上施加向下的微小壓力，則滿足產(chǎn)生同一亮條紋的厚度將向外移，即亮環(huán)向遠(yuǎn)離圓心的方向平移，可看到同心圓向外擴(kuò)展，選項C正確。若在C 處不小心沾上了灰塵，則空氣薄層的厚度相比無灰塵時增大，但光程差隨水平空間變化的程度與無灰塵時并未發(fā)生改變，明暗相間的同心圓條紋排列不變，選項D錯誤。

答案：C

例5 “牛頓環(huán)”又稱“牛頓圈”，如圖11甲所示，牛頓環(huán)裝置的上表面是半徑很大的玻璃球冠的平面，下表面是球冠的凸面，其工作原理為“薄膜干涉”，可以用來判斷透鏡表面曲率半徑和液體折射率等。把牛頓環(huán)裝置與玻璃面接觸，在日光下或用白光照射時，可以看到明暗相間的彩色圓環(huán);若用單色光照射，則會出現(xiàn)一些明暗相間的單色圓環(huán)，如圖11乙所示。它們是由球面和被檢測面上反射的光相互干涉而形成的條紋，這些圓環(huán)的分布情況與球冠半徑及被測物品的表面情況有關(guān)。以下分析正確的是（ ）。

A.圓環(huán)的間距大小與球冠的半徑大小無關(guān)

B.球冠的半徑越大，圓環(huán)的間距越小

C.若觀察到的是規(guī)則圓環(huán)，則被檢測的表面是均勻、對稱的

D.被檢測的面必須是平的

解析：若將玻璃球冠的半徑增大一些，則玻璃球冠與被檢測的平面的夾角將減小，它們之間的空氣薄層的厚度的變化減慢，形成的同心圓環(huán)的間距增大，因此球冠的半徑越大，圓環(huán)的間距越大，選項A、B 錯誤。根據(jù)薄膜干涉的原理可知，當(dāng)光程差是半個波長的偶數(shù)倍時出現(xiàn)亮條紋，與同一亮環(huán)相對應(yīng)的各處空氣薄層的厚度是相同的，若觀察到的是規(guī)則圓環(huán)，則被檢測的表面是均勻、對稱的，選項C 正確。牛頓環(huán)實驗不僅可以測平面，還可以測球面，選項D錯誤。

答案：C

另外，薄膜干涉在技術(shù)上還有很多應(yīng)用，比如增透膜和高反膜。增透膜的厚度為透射光在薄膜中波長的四分之一，使薄膜前后面的反射光的路程差為光在薄膜中波長的一半，故反射光疊加后減弱，透射光的強(qiáng)度增強(qiáng)。高反膜的厚度為透射光在薄膜中波長的二分之一，使薄膜前后面的反射光的路程差為光在薄膜中的一倍波長，故反射光疊加后增強(qiáng)，透射光的強(qiáng)度減弱。

總之，物理理論知識與我們的實際生活密切相關(guān)，在日常的學(xué)習(xí)中，同學(xué)們不能僅僅機(jī)械地記住一些物理結(jié)論，就認(rèn)為自己學(xué)好了物理，而要深層次地挖掘這些物理理論知識背后的成因、原理，弄清知識的來龍去脈，只有這樣同學(xué)們才會覺得物理有趣，從而愛上物理，學(xué)好物理，讓物理為生活實踐服務(wù)。

（責(zé)任編輯 張 巧）