Vol.28No.373
(S)3.2010.54.
物理教学探讨
JournalofPhysicsTeaching
第28卷总第373期
2010年第3期(上半月)
薄膜干涉的应用
陈明伟
山东省无棣县第一高级中学,山东省无棣县251900
摘要:薄膜干涉作为一种光的干涉现象,在现实中应用很多,本文介绍了其在检查平面的平整程度、解释牛顿环、
增透膜三方面的应用。
关键词:薄膜干涉;检查;增透膜;牛顿环
中图分类号:G633.7文献标识码:A文章编号:1003-6148(2010)3(S)-0054-3
光照射到薄膜时,从薄膜的前后表面或上、
下表面分别反射出两列波能够发生干涉。在薄膜
的某一厚度,两列反射光波同相,叠加后互相加
强,产生明纹,而在另一厚度处,两列反射光波恰
恰反相,叠加后互相减弱,出现暗纹。由于在不同
厚度处产生不同的条纹,所以单色光照射薄膜产
生明暗相间的条纹。
用白光照射薄膜时,不同厚度处出现不同色
光的亮纹,形成彩色的干涉图样。
薄膜干涉的应用有以下几方面:
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
离子均分别打到相应的极板上时,所能形成的电
流最大,即Im=Qt=nSvtqt=nSvq。
3例题分析
例目前世界上正
在研究的新型发电机
———磁流体发电机的原
理如图2所示,设想在相
距为d、且足够长的M、
N两金属板间加有垂直
纸面向里的磁感应强度为B的匀强磁场,两板
通过开关S与电阻R相连。将气体加热到使之高
度电离成等离子体,正、负离子的电荷量均为q。
将等离子体以速度v喷入M、N两板之间,这时
两板上就会聚集电荷而产生电压,这就是磁流体
发电机与一般发电机的不同之处,它可以直接把
内能转化为电能。
(1)指出图中发电机的正、负极。
(2)求发电机的电动势。
(3)设喷入两板间的离子流单位体积内有n
对正负离子,离子流的截面积为S,则发电机的
最大功率为多少?
解析(1)等离子体从左侧射入磁场时,由
左手定则可知,正离子受到向上的洛伦兹力而向
M板偏转,使M板上聚集正电荷;同样,N板上
聚集负电荷。从而M板是发电机的正极、N板是
发电机的负极。
(2)当开关S断开时,M、N两板的电压就等
于电源的电动势。稳定时,M、N两板上电荷不
再增加,此时等离子体所受的洛伦兹力与电场力
恰好平衡,即有Eq=qvB,有因为E=Ud,所以
电源的电动势为U=Bdv。
(3)在理想状态时,喷入两极间的离子流全
部流向两极,这时电源达到最大功率。此时电路
中的最大电流为:Im=Nqt,N为在时间t内喷入
两极间的正、负离子的总数,即:N=nSvt。所以
发电机的最大功率为:Pm=UIm=ndqSBv2。
实际的磁流体发电机的构造非常复杂,用来
产生磁场的磁系统和导电气流的通道等形状结
构的选择都十分讲究。本文通过磁流体发电机的
发电原理和相关的物理量的处理以及简单的应
用,对磁流体发电机进行简单的阐述,希望能给
读者一些帮助。
参考文献:
[1]吕友昌.开环磁流体发电.北京工业大学出版社.
1998-12
(栏目编辑王柏庐)
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2010年第3期(上半月)
物理教学探讨
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Vol.28No.373
(S)3.2010.55.
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10-6cm。
例1如图1所示,用单
色光照射透板M来检验平面
N的上表面的平滑程度,观察
到的现象如图中所示的条纹
中的P和Q的情况,这说明()
A.N的上表面A处向上凸起
B.N的上表面B处向上凸起
C.N的上表面A处向下凹起
D.N的上表面B处向下凹起
分析利用光的薄膜干涉来检查平面的质
量,就是由标准样板平面和被检查平面间形成一
个楔形的空气薄膜层,用单色光从上面照射,入
射光在空气层的上、下表面反射形成的两列相干
光束,如果被检测的平面是平的,那么空气层的
厚度相同的各点的干涉条纹在一条直线上。若是
被检测的平面的某处凹下去了,这时干涉条纹就
不是直的,在凹处的干涉条纹将向楔形膜中薄的
一侧弯曲。这是因为凹处的两束反射光的光程差
变大,它只能与膜厚一些的位置的两反射光的光
程差相同而形成同一级的条纹(光程差相同的干
涉条纹为同一级,一般光程差大的干涉条纹级别
高,光程差小的级别低),显然凹处的级别增大,
将与膜厚一些位置的干涉条纹形成同一级别的
条纹。
同理,若是被测平面某处凸起,则该处的干
涉条纹将向楔形膜中厚的一侧弯曲。故BC正确。
2解释牛顿环
在一块平面玻璃与一块曲率半径很大的平
凸透镜之间形成一个上表面是球面,下表面是平
面的空气薄膜,当用单色光垂直照射时,从上往
下观察会看到以接触点为中心的一组圆形干涉
条纹,这是由环空气劈尖上下表面反射的光反射
的光发生干涉而形成的条纹。由于以接触点为中
心的任一圆周上,空气层的厚度是相等的,因此
这种条纹是等厚干涉条纹,称为牛顿环。牛顿环
的特征是以接触点为中心的一系列明暗相间、间
距逐渐减小的同心圆环,且中心是一暗圆斑。
3增透膜
在光学仪器中,为了减少光在光学元件(透
镜、棱镜)表面的反射损失,可用薄膜干涉相消
来减少反射光。像照相机、测距仪、潜望镜上用的
光学元件表面为了减少光的反射损失都镀上了
介质薄膜(氟化镁),使薄膜的厚度是入射光在薄
膜中波长的14,这样反射回来的两列光经过路程
差恰好等于半个波长,它们干涉后就相互抵销
(这一薄膜减少光学表面反射造成的光能损失,
增强了透镜透光的能量,故称为增透膜)。
而入射光一般是白光,增透膜不可能使所有
的单色光干涉抵消。由于人眼对绿光最敏感,一
般增透膜的厚度做到使绿光垂直入射时完全抵
消,这时红光和紫光没有显著消弱,所以有增透
膜的光学镜头显淡紫色。
例2为减少光在透镜表面由于反射带来
的损失,可在透镜表面涂上一层增透膜,一般用
折射率为1.38的氟化镁,为了使波长为5.52×
10-7m的绿光在垂直表面入射时使反射光干涉
抵消,求所涂的这种增透膜的厚度?
解析若绿光在真空中的波长为λ0,在增
透膜中的波长为λ,由折射率与光速的关系和光
速与波长及频率的关系得:
n=cv=λ0fλf。
即λ=λ0n,那么增透膜的厚度
h=14λ=λ04n=5.52×10
-7
4×1.38
=1×10-7m。
例3市场上有种灯具俗称“冷光灯”,用它
照射物品时能使被照物品所产生的热效应大大
降低,从而广泛应用于博物馆、商店等处。这种灯
降低热效应的原因之一是在灯泡后面放置的反
光镜玻璃表面镀上了一层薄膜(如氟化镁),这种
膜能消除不镀膜时玻璃表面反射回来的热效应
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2010年第3期(上半月)
物理教学中环境物理教育的实施初探
刘军
湖北省沙市中学,湖北省沙市434000
摘要:本文阐述了在中学物理教学中加强环境物理教育的必要性和实施环境物理教育的三条途径:一是进行学
科教学渗透;二是开设选修课或必修课;三是开展课外活动,从而逐步实现提高全体中学生环境保护的意识。
关键词:物理环境;环境物理教育;环境保护
中图分类号:G633.7文献标识码:A文章编号:1003-6148(2010)3(S)-0056-2
环境是人类赖以生存、繁衍和发展的基本
条件。人类社会发展的历史,同时就是人类改造
和利用环境的历史。声、振动、光、热、电磁、放射
性等物理性因素是人们生产和生活所必需的,它
们共同构成人们生活的物理环境。但是,当它们
的量过高或过低时,就会形成环境物理性污染,
影响和干扰人们的生产和生活,严重时甚至将危
害人类的健康和生命,环境物理教育就是随着环
境物理性问题的产生而产生的。
“环境物理教育”就是以研究“人与物理环
境”的关系为核心内容的一种教育过程,以改善
人类生活、保护物理环境和持继发展人类社会经
济为目的,以提高人的环境物理保护意识,帮助
人们树立科学的环境物理道德观和价值观,向人
们传授解决环境物理性污染的知识和能力,培养
环境物理保护和管理人才为基本任务的一种教
育过程。
1物理教学中进行环境物理教育的必要性
目前,环境污染已经成为摆在世界各国面前
的重大问题,要减缓全球环境恶化的趋势,从根
本上说就是要加强环境教育,提高所有公民的环
境保护意识。中学生虽然不直接参与社会决策,
但他们也同样面临环境物理的问题,他们的环境
物理意识、价值观、态度,直接影响到他们以后的
生活方式,而且他们目前也能够以自己的方式参
与物理环境保护活动。所以,中学生应关注、认识
物理环境,具有解决环境物理性问题的一定知识
和能力,积极参与促进可持续发展的活动。
物理学是前人在认识与探索自然的过程中
通过总结、归纳、抽象、验证而逐步建立不断完善
起来的一门自然科学的基础理论学科。可以说,
由于物理学科与环境物理性问题的密切相关性、
交叉性,物理学是进行环境物理教育的最佳学科
和最佳切入点。在物理教学中通过对有关环境物
理性问题的分析、讲解和实践,有利于达到对中
学生进行环境物理教育的目的。
2物理教学中实施环境物理教育的基本途径
在中学物理教学中开展环境物理教育主要
有以下三条途径:
(1)在物理学科教学中渗透环境物理知识、
技能及道德教育
学科教学渗透是进行环境物理教育的主渠
道和主要方式。渗透教学就是采用渗透法把环境
物理知识内容渗透到物理学科的教学之中,结合
相关章节讲授,使环境物理教育同课堂教学有机
结合起来。在进行渗透教学时必须选择好渗透内
容,其关键是选择好环境物理知识与教材的结合
点,对渗透的环境物理内容进行选择,在讲好现
有教材的基础上,适当增设一些环境物理的知
识。如在机械振动与机械波的章节教学中,可渗
最显著的红外线。以λ表示此红外线的波长,则
所镀薄膜的厚度最小应为()
A.18λB.14λ
C.12λD.λ
解析为减小反射的热效应显著的红外
线,则要求红外线在薄膜的前后表面反射后叠加
作用减弱,即光程差为半波长的奇数倍,故膜的
最小厚度为红外线在该膜中波长的14,故B选项
正确。
(栏目编辑王柏庐)
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