为什么激光经平面镜反射形成了条纹

为什么激光经平面镜反射形成了条纹 姓名:刘润成 工作单位:陕西省西安市户县电厂中学 邮政编码:710302 电子邮箱: rc2073@163.com 通讯地址:陕西省西安市户县余下镇团结西路162号户县电厂中学( 一次实验中偶然发现一束激光经玻璃平面镜反射后，在光屏上呈现明暗相间的条纹，形成明暗相间的条纹是偶然形成还是必然出现呢,形成明暗条纹原因是近似薄膜干涉现象吗,这篇文章拟以问讨论的形式奉献给读者( 本文中实验所用激光笔平行性差(用手旋转激光笔的笔头将激光笔笔头拆下，用螺丝刀旋转笔头内的螺丝会移动激光笔聚光透镜，这样激光笔发出的激光平行性较差，能散得更开些( 一、发现 笔者在教学人教版高中物理必修一第三章相互作用第二节弹力时，把课本上54页微小形变放大演示实验制成实验装置(并做了如下实验( 1 实验一:桌面微小形变放大实验(利用光的反射放大法来观察桌面的微小形变( 如图所示，将两个铁架台做成支架放在桌面，把两块竖立的平面镜、一块光屏、一支激光笔固定在铁架台支架上(实验时调整好激光的入射角度和两块平面镜及光屏的高度，让激光笔发出的激光经两块平面镜先后两次反射后照射到光屏上(光屏上会出现明亮光斑，用力向下压桌面会观察到光斑向下移动，实验表明桌面受到向下的压力时确实发生了微小形变(光点变光斑是因为激光平行性差造成的( 在实验过程中仔细观察光屏却发现上下移动的“光斑”不是光斑而是明暗相间的条纹，而且条纹间距近似相等(如果移动光屏使光屏远离平面镜会发现屏上条纹间距变大(再细心观察又会发现条纹亮暗不同，中间条纹最亮边缘条纹较暗，初步得出结论明暗相间的条纹是激光笔发出的红光经平面镜二次反射后出现干涉现象形成的( 二、猜想 初步结论是否正确呢,光屏上出现的明暗相间的条纹是怎样形 2 成的呢,几位物理教师展开了热烈地讨论，认为光屏上出现明暗相间的条纹有可能跟每块玻璃平面镜有两个反射面有关(究竟这种观点是否符合实际能准确解释这一现象吗, 三、探究 理论探究:玻璃平面镜有镜面和镀层两个反射面(玻璃平面镜的一个反射面是空气与玻璃的界面以下简称为镜面，另一个反射面是玻璃和镜子背面镀层的界面以下简称为镀层(当激光照射到平面镜上时在镜面上一部分光反射回空气中，另一部分光发生折射进入玻璃中，进入玻璃中的光在玻璃与镀层的界面上发生反射再经玻璃与空气的界面折射后进入空气中，由于两个反射面相互平行，一束光斜射向一块平面镜后由于折射使光发生侧移，由光的反射定律和光的折射定律可推导出两个反射面反射的光并不重合而是变成了相互平行的两束光(如果光在玻璃的两个面间多次反射后再折射入空气中，这样一束光斜射向平面镜经一块平面镜多次反射折射后变成了多束平行光，多次反射后的光束会更弱些(本文主要讨论一束光经一块平面镜反射折射后变成了相对较强的两束平行光的干涉现象，实际上应该存在第三束、第四束、等强度较弱的光( 激光笔是很好的相干光源(所以经一块玻璃平面镜的两个反射面 3 反射的两束光应形成了相互平行的相干光源，经第二块平面镜反射后两束光变成四束光，应该在重叠区域发生干涉现象( 如果玻璃平面镜较薄、激光较分散并且激光斜射角度合适两束反射光的重叠区域更大，为了寻找影响激光经镜面反射后“干涉”的因素，我又做了如下实验( 实验二:让散开的激光斜射向一块玻璃平面镜( 实验中让光屏所在平面与反射光所在直线垂直并且保持激光笔到入射点的距离不变光屏到入射点的距离不变(分别用激光斜射向几块不同厚度的玻璃平面镜经反射后照射到光屏上;改变激光斜射时入射角经不同厚度的玻璃平面镜反射后照射到光屏上( 实验结果出乎意料之外(无论怎样调节激光入射角、如何更换平面镜改变镜子厚度、更换不同的激光笔，光屏上只出现光斑，并不会观察到条纹(说明光屏上相互平行的光束在重叠区域内只是亮度加强了并未观察到干涉条纹( 笔者更换不同的激光笔其它条件不变重新做实验，结果只是光斑大小不同，其原因是有的激光笔散光，发出的光不平行在光屏上能形成较大的光斑( 激光经一块玻璃镜面反射没有发现条纹却出现光斑，难道必须经两块玻璃平面镜两次反射才能形成条纹, 实验三:让激光斜射向第一块玻璃平面镜，反射光再经第二块玻璃平面镜反射(实验结果是光屏上仍只有几个光斑没有条纹( 调节平面镜间的距离、调节光屏到平面镜的距离、改变入射光的 4 入射角、换不同的激光笔，结果光屏上只出现光斑(实验现象与实验二实验现象基本相同( 明暗相间的条纹是怎样形成的呢,为什么实验三与实验一基本相同实验现象却不同, 笔者找到实验一所用器材后反复仔细观察，终于发现了其中的奥秘(原来实验一器材中的平面镜上有文章而且实验一用的激光笔发出的激光不平行能散开照射到较大范围(由于长时间使用，实验一用的旧平面镜背面有许多划痕(划痕处镜子背面的一部分镀层被划掉了，镜子背面镀层被分割成许多个面积非常小的小块(每一个小块反射光时相当于一个非常小的小光源( 当分散的激光斜射向旧平面镜上的划痕处时由于镜子背面好多处的部分镀层被划掉了，镜子背面的镀层有好多小块分别反射光，来自各小块镀层的反射光和镜子正面的反射光到达光屏上相互重叠，在光屏上可观察到明暗相间的条纹( 实验四:让激光分别斜射向一块背面划痕较多的玻璃平面镜和一块镀层完好的平面镜(用光屏接收反射光( 实验发现，让激光斜射向一块背面划痕较多的玻璃平面镜时，一 5 部分激光透过平面镜，透过的光相互干涉到达第一个光屏上形成明暗相间的透射条纹，这相当于双缝干涉现象或光栅衍射现象;另一部分光经分成小块后的镀层反射后到达另一个光屏，在光屏上也形成明暗相间的反射条纹(而激光斜射向一块镀层完整的平面镜时，只能在光屏上观察到光斑，激光越分散光斑面积越大( 由此可见划痕较多的平面镜镀层不完整分成了好多小块，当分散的激光照射到镜子的划痕处时，小块镀层反射的光和镜子正面反射的光到达光屏后重叠，在重叠区域内出现了明暗相间的条纹( 四、结论 综上所述笔者在教学实践中按照物理学的基本方法——观察和实验、追根究底探讨问题，采用教具自制——实验观察——发现问题——猜想探究——分析思考——实验探究——得出结论的模式(力图搞清楚现象的成因来龙去脉，从而得出正确的真实的结论来(然而经过几次反复实验却符定了解释明暗条纹的一种观点(不是玻璃平面镜的两个反射面把一束激光变成了两束相互平行的相干光，而是光经过划痕较多的平面镜小块镀层反射的光在光屏上形成的干涉条纹(这相当于双缝干涉或光栅衍射现象(而换成镀层完好的平面镜再用激光照射光屏只出现光斑而不会出现条纹(实验中所用激光笔发出的激光不平行分散开后重叠区域面积更大( 至此，我们在演示微小形变放大实验过程中衍生发现的平面镜反射呈现明暗条纹的研究，才算过一段落( 这次活动引发了笔者的深入思考得出有有益启示(这就是对实践 6 过程偶然发现的新问题，必须采取实事求是、反复实验、细致观察、尊重事实的科学态度，才能得出正确的结论，否则便会误入歧途( 2011年10月 7