题目
两块长度10厘米的平玻璃片,一端互相接触,另一端用厚度为0.004mm的纸片隔开,形成空气劈形膜.以波长为500nm的平行光垂直照射,观察反射光的等厚干涉条纹,在全部10cm的长度内呈现多少条明纹?
两块长度10厘米的平玻璃片,一端互相接触,另一端用厚度为0.004mm的纸片隔开,形成空气劈形膜.以波长为500nm的平行光垂直照射,观察反射光的等厚干涉条纹,在全部10cm的长度内呈现多少条明纹?
题目解答
答案
16条
解析
本题考查空气劈形膜的等厚干涉现象,核心在于确定明纹的形成条件及计算符合条件的条纹数目。关键点如下:
- 明纹条件:两次反射光因相位差导致干涉加强。由于玻璃与空气的折射率差异,两次反射各产生$\pi$相位差,总相位差为$2\pi$(等效于无相位差)。此时,光程差需满足$2d = (m+\frac{1}{2})\lambda$,即$d = \frac{(2m+1)\lambda}{4}$。
- 厚度范围:空气膜厚度从$0$逐渐增加到$d_0 = 0.004\ \text{mm}$,需计算在此范围内满足条件的整数$m$的个数。
步骤1:确定明纹条件
空气劈形膜的厚度为$d$,光程差为$2d$。两次反射总相位差为$2\pi$(等效于无相位差),因此明纹条件为:
$2d = (m+\frac{1}{2})\lambda \quad \Rightarrow \quad d = \frac{(2m+1)\lambda}{4}$
其中$m$为非负整数。
步骤2:计算最大$m$的取值
空气膜最大厚度$d_0 = 0.004\ \text{mm} = 4\ \mu\text{m} = 4000\ \text{nm}$,代入条件:
$\frac{(2m+1)\lambda}{4} \leq d_0$
将$\lambda = 500\ \text{nm}$代入:
$2m+1 \leq \frac{4d_0}{\lambda} = \frac{4 \times 4000}{500} = 32 \quad \Rightarrow \quad m \leq \frac{32-1}{2} = 15.5$
因此,$m$的最大整数取值为$15$,对应$m = 0,1,2,\dots,15$,共$16$个值。
步骤3:确定明纹数目
每个$m$对应一条明纹,因此总共有$16$条明纹。