明暗條紋的成因分析

1、“明暗條紋”的成因分析鄭雄在機(jī)械波的干涉和衍射的教學(xué)中， 為了使學(xué)生能有一個直接的感性認(rèn)識， 教師常采用 “用投影儀顯示發(fā)波水槽激起水波發(fā)生干涉和衍射”的演示實驗讓學(xué)生直接觀察，起到了很好的教學(xué)效果， 但筆者在一次聽課時發(fā)現(xiàn)這位教師為了進(jìn)一步加深學(xué)生的理解，對屏幕上所出現(xiàn)的“明暗相間的條紋” 形成的原因進(jìn)行分析時卻出了問題， 課后筆者同幾位教師進(jìn)行討論， 發(fā)現(xiàn)其它有些教師也有同樣的理解上錯誤。而且，有的文章中也出現(xiàn)了同樣的問題。下面結(jié)合文章出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析。文章中有一舉例“用投影儀顯示發(fā)波水槽激起水波現(xiàn)象時，可列出一系列的思維觀察提綱：（ 1）（ 2）略 （ 3）屏幕上的“明條紋”處反映了波

2、的什么？（波谷）， “暗條紋”處反映了波的什么？（波峰）。（ 4）波谷處出現(xiàn)“明條紋”的原因是什么？（水層薄、透光強度強） ， 波峰處出現(xiàn) “暗條紋” 的原因是什么？（水層厚透光強度弱） 。（ 5）相鄰“明條紋”或相鄰“暗條紋”之間的距離反映了水波的什么？（波長）（ 6）（ 7）（ 8）（ 9）（10）略 ”筆者認(rèn)為觀察提綱中第（ 3）（ 4）（5）條中的解答值得商榷。 用投影儀顯示發(fā)波水槽中激起的水波現(xiàn)象時，屏幕上看到的“明、暗條紋”產(chǎn)生的直接原因并不是因為水層厚薄而造成透光強度的不同所產(chǎn)生的。理由很簡單， 光在任何介質(zhì)中傳播時都有能量的損失，在水中傳播也不例外，當(dāng)光在水中傳播時其強度要減弱

3、。但發(fā)波水槽中的水層本身就較薄， 水層表面激起水波時，水的振動幅度也很小，因此在波峰、波谷處的水層厚度相差并不多，所以光通過發(fā)波水槽后強度減弱本身就很少，通過波峰、 波谷處強度變化相差就更微乎其微，因此屏幕上出現(xiàn)的“明、暗條紋” 絕對不是水層的厚薄所致。為了進(jìn)一步證實其分析的結(jié)果， 筆者通過實驗進(jìn)行了驗證，將發(fā)波水槽放在投影儀上， 然后用檔板將發(fā)波水槽隔成兩部份，在兩邊分別裝入不同厚度的水， 此時觀察屏幕可發(fā)現(xiàn)屏幕上兩邊的亮度并無明顯的區(qū)別， 然后進(jìn)一步觀察， 將其中一邊裝水另一邊則不裝水， 再觀察屏幕可以發(fā)現(xiàn)屏幕上兩邊的亮度仍無明顯的區(qū)別。由此可以進(jìn)一步說明屏幕上的“明、暗條紋”一定不是因為

4、波峰、 波谷處的水層厚度不同而使透光強度不同所產(chǎn)生的。屏幕上的“明、暗條紋”究竟是什么原因產(chǎn)生的呢？根據(jù)光aebdfc的傳播規(guī)律， 通常情況下光在兩種介質(zhì)的分界面上將同時發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，且同一界面上入射角越大則反圖 1射光越強而折射光將越弱， 如果光是從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，且入射角達(dá)到或超過臨界角時，折射光消失，即發(fā)生全反射。 再來看光通過發(fā)波水槽的傳播情況 （為了分析問題的方便， 我們不妨假設(shè)從投影儀中射出進(jìn)入發(fā)波水槽的光為平行光， 因為作如此假設(shè)并不影響我們對問題成因的分析），如圖 1 所示，當(dāng)光線從水槽中的水射向水面上的空氣時，光將在界面上發(fā)生反射和折射（透射），在波峰 a、 e

5、處和波谷 c 處時，光都是垂直入射（入射角為零），故透射光最強，投射到屏幕上時最亮，此處即出現(xiàn)“明條紋” ，而在平衡點 b 、d、 f 處，光的入射角最大，則反射光最強而折射光（即透射光）最弱，投射到屏幕上時較暗，此處即出現(xiàn)“暗條紋” ，如果水面波的頻率較大則波長（ =V/f ）較小，同時如果振幅又較大，則在平衡點處水面的傾斜程度較大， 光在此處的入射角較大， 如果達(dá)到或超過臨界角 , 則此處光將發(fā)生全反射而無透射光，在屏幕上對應(yīng)位置將出現(xiàn)最暗的“暗條紋”。由上述分析可知，屏幕上的“明條紋”處反映了波的波峰和波谷，而“暗條紋”處反映了波的相鄰的波峰和波谷間的處于平衡位置處，而“明、暗條紋”產(chǎn)生的原因是由于光在水面上發(fā)生反射和折射所造成透射光的強弱不同，而不是由于水層厚薄所致。原文中所說的相鄰“明條紋”或相鄰“暗條紋”之間的距離反映了水波的波長， 筆者則認(rèn)為更不妥了， 如果我們認(rèn)為投射到發(fā)波水槽上的是平行光， 則按上述的分析可知，相鄰“明條紋”或相鄰“暗條紋”間的距離反映