题目
在空气中垂直入射的白光从肥皂膜上反射,在可见光谱中630 nm处有一干涉极大,而在525mm处有一干涉极小,在极大与极小之间没有另外的极小,假定膜的厚度是均匀的,试问膜的厚度是多少?肥皂水的折射率为1.33。.
在空气中垂直入射的白光从肥皂膜上反射,在可见光谱中630 nm处有一干涉极大,而在525mm处有一干涉极小,在极大与极小之间没有另外的极小,假定膜的厚度是均匀的,试问膜的厚度是多少?肥皂水的折射率为1.33。.
题目解答
答案
设λ1=630 nm,λ2=525mm,n=1.33
由干涉极大和干涉极小的条件有:2nd+$frac{1}{2}$λ1=kλ1
2nd+$frac{1}{2}$λ2=(2k+1)$frac{{λ}_{2}}{2}$
联立解得:k=$frac{{λ}_{1}}{2({λ}_{1}-{λ}_{2})}$=3
d=$frac{k{λ}_{2}}{2n}$=592nm
答:膜的厚度是592nm。
解析
考查要点:本题主要考查薄膜干涉中的相位变化与光程差计算,以及如何根据干涉极大、极小条件联立方程求解膜厚。
解题核心思路:
- 确定相位差条件:反射光因两次反射的相位突变和光程差产生干涉。第一次反射(空气→肥皂膜)发生相位突变$\pi$,第二次反射(肥皂膜→空气)无相位突变。
- 建立干涉条件:根据极大(相位差为$2m\pi$)和极小(相位差为$(2m+1)\pi$)的条件,分别列出方程。
- 联立方程求解:利用两个波长对应的条件联立,消去膜厚$d$,解出整数参数,最终计算$d$。
破题关键点:
- 相位突变与光程差的综合分析:相位差由光程差和反射引起的相位突变共同决定。
- 整数参数的选择:通过波长关系确定整数参数的合理取值,确保膜厚唯一且符合题意。
干涉条件分析
- 相位差公式:
光程差为$2nd$,相位差为$\Delta \phi = \frac{4\pi nd}{\lambda} + \pi$(含第一次反射的$\pi$相位突变)。 - 极大条件:
$\Delta \phi = 2m\pi \Rightarrow \frac{4\pi nd}{\lambda_1} + \pi = 2m\pi \Rightarrow 2nd = \frac{(2m-1)\lambda_1}{2}$ - 极小条件:
$\Delta \phi = (2m+1)\pi \Rightarrow \frac{4\pi nd}{\lambda_2} + \pi = (2m+1)\pi \Rightarrow 2nd = m\lambda_2$
联立方程求解
联立极大和极小条件:
$\frac{(2m-1)\lambda_1}{2} = m'\lambda_2$
代入$\lambda_1 = 630\ \text{nm}$,$\lambda_2 = 525\ \text{nm}$:
$(2m-1) \cdot 630 = 2m' \cdot 525 \Rightarrow 6m - 3 = 5m'$
取整数解$m=3$,$m'=3$,代入极小条件:
$2nd = 3 \cdot 525 \Rightarrow d = \frac{3 \cdot 525}{2 \cdot 1.33} \approx 592\ \text{nm}$