双缝干涉条纹间距公式地推导——两种方法
双缝干涉条纹间距公式的推导两种方法

双缝干涉条纹间距公式的推导双缝干涉条纹间距公式的推导如图建立直角坐标系,其x 轴上横坐标为2d -的点与2d 的点为两波源。
这两个波源的振动情况完全相同,则这两个波源发生干涉时的加强区为到两个波源的距离差为波长整数倍λn (零除外)的双曲线簇。
其中⎪⎭⎫ ⎝⎛-0,2d 、⎪⎭⎫ ⎝⎛0,2d 为所有双曲线的公共焦点。
这个双曲线簇的方程为:用直线l y =去截这簇双曲线,直线与双曲线的交点为加强的点。
将l y =代入双曲线簇的方程,有:解得:上式中,d 的数量级为m 410-,λ为m 710-。
故2222d n d =-λ,x 的表达式简化为:O · · xy其中l 的数量级为m 010,d 的数量级为m 410-。
故42210≈d l ,x 的表达式简化为: 可见,交点横坐标成一等差数列,公差为d l λ,这说明: (1)条纹是等间距的;(2)相邻两条纹的间距为dl λ。
至此,证明了条纹间距公式:λd l x=∆。
杨氏双缝干涉条纹间距到底是不是相等的?海军航空工程学院李磊梁吉峰选自《物理教师》2008年第11期在杨氏双缝干涉实验中,在现行的高中物理教科书中得出相邻的明纹(或者暗纹)中心间距为:Δx=Lλ/d,其中L为双缝与屏的间距,d为双缝间距,对单色光而言,其波长λ为定值,所以我们得出的结论是干涉图样为等间距的一系列明暗相同的条纹,但是在现行的高中物理教科书中所给的干涉条纹的照片却并非如此,如图1。
我们可以看到只是在照片中央部分的干涉条件是等间距的,但是在其边缘部分的条纹的间距明显与中央部分的条纹间距不同。
问题到底出在哪里呢?首先我们来看现行的教科书上对于杨氏双缝干涉的解释,如图2。
设定双缝S1、S2的间距为d,双缝所在平面与光屏P平行。
双缝与屏之间的垂直距离为L,我们在屏上任取一点P1,设定点P1与双缝S1、S2的距离分别为r1和r2,O为双缝S1、S2的中点,双缝S1、S2的连线的中垂线与屏的交点为P0,设P1与P0的距离为x,为了获得明显的干涉条纹,在通常情况下L>>d,在这种情况下由双缝S1、S2发出的光到达屏上P1点的光程差Δr为S2M=r2-r1≈dsinθ,(1)其中θ也是OP0与OP1所成的角。
双缝干涉条纹间距公式的推导——两种方法

双缝干涉条纹间距公式的推导相干光经双缝后再次亦•屏上相遇4相叠加,形成了稳定的明暗相间的干涉条纹,理论和实验都证明:在两狭缝间的距离和狭缝与屏间的距离不变的条件下,单色光产生的干涉条纹间距跟光的波长成正比,现简要推导如下:如图,o是S1S2的中垂线与屏的交点;d是对、s2的距离;丨是缝与屏的距离;X是p点到0点的距离:门、r2是屏上P点到si、S2的距离:设s1、S2到P点的路程差为5=r2—r1,宙图可知d rj = F —尸(1)2d r; - 1; + ( x ) ;(2)P2(1 )・(2 )可得:ad dr/- rf= ( x+—) - (x-—)七2血心2 2即• ( r: + r:)( I*;— rj) =2dx心由于1 »d l»x^ Slttr;+r:^21^" ~ , d * 小N所以:r;— r:= —x 即:& - —X*-11 1当s 等于光波波长入的整数倍时■两列波在p 点同相加强"岀现亮条纹卩d 即k 入二一x1则x = k —入 d1即 △ X =—入 所以Ax 二xk = (H1)l A -k l A = l A .add(k=0 > ±1 > ±2 9 ±3 » ••・)3 (k=0 > ±1 > ±2 9 ±3 9 •- )♦ (4)3d2当6等于光波半波长一的奇数倍时,两列波在P点反2相減弱,出现暗条纹:"A dBn即(2kil )— = —x ( k=O,±l ,±2,±3,・・・4'2 1, i an则X =( 2k+l ) —( k=0 ,±1 ,±2,土3 严・)d 212 1所以 Z = x^・xk=( 2M3)—・一一(2k+l )—・d 2dA 1—• = — A 32 d即△ X =-A (5)3d根据(4)、(5)两式可知:相邻两条明纹(或暗纹)间距离均为△ x=1/dA,而I、d 和入都为定值,所以屏上的干涉条纹是等间距的。
双缝干涉条纹间距公式的推导——两种方法

双缝干涉条纹间距公式的推导——两种方法方法一:几何推导我们可以通过几何的方法推导出双缝干涉条纹间距的公式。
假设存在两个相距为d的并行缝隙S1和S2,光线从S1和S2出射,并经过成像平面P1和P2,最终在屏幕上形成干涉条纹。
首先,考虑缝隙S1和S2上的两束光线AB和CD。
假设光线AB和CD 在点O处相交,光线AB与成像平面P1的交点为E,光线CD与成像平面P2的交点为F。
根据几何光学的规律,光线AB和光线CD在成像平面上的交点与点O的连线垂直于缝隙的位置。
此外,光线从缝隙射出到屏幕上的每个点都能近似地看作是平行光的交叉点,因此可以得到点E和点F的位置。
接下来,我们将点O移动到点O'处,距离为h。
此时,光线AB和光线CD在成像平面上的交点分别是E'和F'。
由于缝隙上的两束光线是相干光,并具有相同的波长和相位,因此在成像平面上形成的干涉条纹也是两组相干光的干涉结果。
考虑缝隙上的一对相邻光线G1H1和G2H2,它们在点O'处相交,分别与成像平面的交点为I1和I2、由于缝隙距离为d,因此可以得到两组相干光在屏幕上的干涉条纹之间的距离Δy=I2I1、根据几何关系,可以推导出以下等式:tan(θ1) = EI1/P1 = h/P1 (1)tan(θ2) = EI2/P2 = h/P2 (2)其中,θ1和θ2分别为光线G1H1和G2H2与缝隙之间夹角的正切值。
将等式(1)和等式(2)相减,可以得到:tan(θ2) - tan(θ1) = h/P2 - h/P1根据三角函数的差化积公式,可以得到:tan(θ2) - tan(θ1) = 2h(d/P1P2)由于缝隙距离d很小,因此可以近似认为θ1和θ2很小,从而tan(θ1)和tan(θ2)也很小。
在这种情况下,可以使用小角度近似,即tan(x) ≈ x,将等式重新写为:θ2-θ1=2h(d/P1P2)因此,我们可以得到双缝干涉条纹间距的公式:Δy=h(d/P1P2)方法二:波动推导我们也可以通过波动的方法推导出双缝干涉条纹间距的公式。
双缝干涉条纹间距公式的推导——两种方法

双缝干涉条纹间距公式的推导——两种方法方法一:双缝干涉理论推导双缝干涉是一种典型的波动现象,涉及到波动光学中的干涉现象。
在双缝干涉中,光通过两个相距较远的狭缝并形成交叠的光斑,这些光斑会产生干涉条纹。
我们先来推导一下双缝干涉条纹间距的公式。
假设光源发出的光是单色的平面波,其波长为λ。
两个狭缝的间距为d。
设两个狭缝产生的光源为S1和S2,则在观察屏上其中一点P处,S1和S2发出的光波振幅分别为A1和A2,相位差为Δφ。
则P点的光强为I = I1 + I2 + 2√(I1I2)cos(Δφ)。
其中,I1和I2分别表示S1和S2发出的光波的强度,且相等。
由于光波振幅与光强的关系为I = A²,那么可以得到I = 4I1cos²(Δφ/2)。
两个光源到达P点的光程差为ΔL,可以通过几何关系得到ΔL =d*sinθ。
其中,θ表示P点与两个光源的连线与垂直平面的夹角。
根据波长公式λ = c/f可以得到λ = cT,其中c为光速,T为光的周期。
所以可以将光程差表示为ΔL = (c/f)*d*sinθ =(cT/f)*d*sinθ = (λ/f)*d*sinθ。
将光程差带入I = 4I1cos²(Δφ/2)可以得到I =4I1cos²((2π/λ)*(λ/f)*d*sinθ/2)。
当光程差ΔL满足ΔL=mλ时,其中m为整数,即两个光源到达观察点的相位差恰好为整数倍的波长,此时干涉条纹明亮。
根据cos²(2πx) = 1/2 + (1/2)cos(4πx),可以得到I = 4I1[(1/2) + (1/2)cos((2π/λ)*(λ/f)*d*sinθ)]。
当cos((2π/λ)*(λ/f)*d*sinθ) = cos(2πmd) = 1或-1时,干涉条纹最亮;当cos((2π/λ)*(λ/f)*d*sinθ) = cos(2πmd) = 0时,干涉条纹最暗。
所以可以得到调制因子为cos((2π/λ)*(λ/f)*d*sinθ),当调制因子为1时,即cos((2π/λ)*(λ/f)*d*sinθ) = 1,设(2π/λ)*(λ/f)*d*sinθ = 2πm1,其中m1为整数。
双缝干涉条纹间距公式的推导——两种方法

双缝干涉条纹间距公式的推导——两种方法方法一:几何光学推导双缝干涉是一种光的波动现象,涉及到光的干涉和恢复干涉产生干涉条纹的过程。
我们可以通过几何光学的方法来推导双缝干涉条纹间距的公式。
考虑如下的实验装置:在一块均匀透明的薄膜上有两个非常靠近且平行的缝隙,将一束平行光照射到这个薄膜上。
光线通过缝隙后会形成干涉图样,即白色的明纹和黑色的暗纹交替出现。
首先,我们来考虑两个源到达其中一点的光程差。
设两个源在缝隙上分别是A和B,它们到达其中一点P的光线分别为AP和BP。
根据几何光学的原理,两个光线在P点的光程差可以表示为:Δd=BP-AP由于缝隙非常靠近,我们可以将BP与AP都近似等于AC,其中C是两个缝隙的中心点。
那么上式可以进一步表示为:Δd≈AC-AC=0这说明,任意两个源到达其中一点的光程差为0,因此在这一点上会出现明纹。
这一点是干涉条纹的亮度最大的地方。
接下来,我们来考虑两个源到达离P点很近的另外一点Q的光程差。
设Q点距离P点的位移为x,那么两个光线在Q点的光程差可以表示为:Δd≈AD-BD根据几何关系,可以得到:AD=AC+CD≈AC+BC=AC+xBD=BC+CD≈BC-AC=BC-x将上式带入Δd的表达式中,得到:Δd≈(AC+x)-(BC-x)=2x这说明,当两个源到达P和Q点的光程差为2x时,它们之间形成的是一条暗纹。
这一点是干涉条纹的亮度最小的地方。
至此,我们可以看出,双缝干涉条纹的间距是由两个源到达其中一点的光程差决定的。
在两个源的位置非常靠近的情况下,可以将光程差看作是常数,因此这个间距是一个固定值。
方法二:波动光学推导双缝干涉也可以通过波动光学的方法来推导。
我们假设缝隙上的每个点都是一个次级波的振动中心,那么在其中一点P的干涉光强度可以表示为:I = I1 + I2 + 2√(I1 * I2) * cos(Δφ)其中I1和I2分别是两个缝隙上的波源的光强,∆φ是两个波源之间的相位差。
双缝干涉条纹间距公式的推导__两种方法

双缝干涉条纹间距公式的推导__两种方法双缝干涉是一种经典的光学现象,它可以通过光的波动性来解释。
干涉条纹的间距与波长、双缝间距、干涉屏到双缝与屏幕上的干涉条纹的距离之间有密切的关系。
下面将介绍两种方法来推导双缝干涉条纹间距的公式。
方法一:几何光学法双缝干涉条纹的间距可以用几何光学的方法来推导。
首先,我们假设光线垂直于干涉屏,即入射角为0°。
根据几何光学的原理,如果两个光线从同一点出发,经过两个缝隙,然后到达屏幕上,那么它们到达屏幕的路径差将会决定干涉条纹的位置。
假设缝隙间距为d,两个缝隙到屏幕的距离分别为D1和D2,入射光的波长为λ。
我们可以通过构造几何图形来推导出干涉条纹的间距。
由三角形的性质可以得知,当光线经过一个缝隙到达屏幕上的位置与另一个缝隙到达屏幕上的位置构成的角相差λ/2时,它们之间的距离差正好是一个波长。
因此,可以得到以下关系式:d*sinθ = m*λ其中,θ是两缝隙到达屏幕上的位置与光轴的夹角,m是整数,表示干涉条纹的级数,λ是光的波长。
将θ转化为与缝隙距离的关系,可以得到干涉条纹间距的公式:Δx=λD/d其中,Δx表示干涉条纹的间距,λ是光的波长,D是干涉边缘到屏幕的距离,d是缝隙间距。
方法二:干涉光的相位差法双缝干涉也可以用干涉光的相位差来推导间距的公式。
在光的干涉中,相位差是决定干涉效应的重要因素。
假设缝隙间距为d,出射光线间的相位差为Δϕ。
根据几何光学的原理,可以得到以下关系式:Δϕ=2π*Δx/λ其中,Δx表示干涉条纹的间距,λ是光的波长。
另一方面,根据三角函数的性质,可以得到以下关系式:d*sinθ = m * λ将θ转化为与缝隙距离的关系,可以得到:sinθ = Δx / D其中,D是观察屏幕到双缝的距离。
将以上两个关系式结合起来,可以得到:Δϕ= 2π * sinθ = 2π * Δx / D由于Δϕ表示相位差,如果相位差差异为2π,那么干涉条纹将会出现。
双缝干涉条纹间距公式的推导__两种方法

双缝干涉条纹间距公式的推导__两种方法双缝干涉是一种经典的光学实验,通过两个狭缝的光源在屏幕上形成干涉条纹。
干涉条纹的间距是干涉实验中一个重要的物理量,可以用来研究光的波动性质。
本文将介绍两种方法推导双缝干涉条纹间距的公式。
方法一:几何推导法我们考虑一个光源发出的平行光束,通过两个平行狭缝后在屏幕上形成干涉条纹。
设两个狭缝的中心到屏幕的距离为D,两个狭缝之间的距离为d,屏幕上相邻两个明纹间的距离为x,光波长为λ。
根据几何关系,可以推导出如下关系:sin(θ) = x / D其中,θ为屏幕上明纹和中心亮条纹的夹角。
而在干涉实验中,明纹和暗纹的差距可以认为是1/2个波长,即:x=(m+1/2)*λm为整数,代表第m条明纹。
将上述两个公式结合起来,可以得到:sin(θ) = (m + 1/2) * λ / D对上述公式两边求导,可以得到:dθ=(m+1/2)*λ/D^2*dD在双缝干涉实验中,狭缝间距d非常小,可以认为对于连续的明纹来说,θ的变化非常小,即dθ可以近似为dθ = dx / D。
将上述公式带入,得到:dx / D = (m + 1/2) * λ / D^2 * dD整理公式,得到:dx = (m + 1/2) * λ / D * dD上述公式即为双缝干涉条纹间距的公式。
方法二:波动理论推导法基于波动理论,我们可以用复振幅叠加的方法来推导双缝干涉条纹的间距。
假设两个狭缝产生的波的复振幅分别为A1和A2,两个狭缝之间的相位差为δ。
在屏幕上其中一点P处,由于干涉效应,两个波累加得到:E = A1 * exp(i * k * r1) + A2 * exp(i * k * r2)其中,k为波数,r1和r2分别为点P到两个狭缝的距离。
将上述公式进行化简,得到:E = A * [exp(i * k * r1) + exp(i * k * r2)]= A * [exp(i * k * r1) + exp(i * k * r1 * sin(θ))]= 2 * A * cos(k * r1 * sin(θ))将上述公式与光强公式I=,E,^2相结合,可以得到:I = 4 * I0 * cos^2(k * r1 * sin(θ))其中,I0为单个狭缝的光强。
双缝干涉条纹位置公式的推导

双缝干涉条纹位置公式的推导说到双缝干涉,嘿,咱们不妨先从一个简单的实验开始。
大家都知道光,它可不是什么我们眼睛看见的普通小东西,光其实是个“魔术师”,它不仅能走直线,还能在一些特定的情况下变得“调皮”,做一些让你瞠目结舌的“杂技”——像是双缝干涉这种光的奇迹,听着就有点儿神奇吧?你想啊,光通过两个缝隙之后,居然能相互干扰,搞得好像两支交响乐队在同一个舞台上碰撞出了奇妙的和音。
好了,大家是不是有点儿好奇了?这条纹是怎么出来的?你是不是忍不住想问:那光都从哪里来,怎么就能在屏幕上画出一条条明亮的条纹呢?放心,接下来我就给你慢慢揭晓这背后的秘密。
首先啊,咱们从这条纹的“根源”讲起,光波它有个非常神奇的特性——波动性。
光其实并不是一束简单的直线,而是“波”,对,就是波,像你在水池里丢块石头,水面上会荡起一个又一个的波纹。
当你让光通过两个很小的缝隙时,每个缝隙就像水中的那个小石子,光就会从这两个缝隙散开,变成两个波源。
这两个波源互相干扰,就可能会有“相长相消”的效果。
这时候你就会看到一条条明暗交替的条纹,亮的地方是两股波相互加强,暗的地方是它们相互抵消。
是不是很酷?不过呢,要把这些条纹看得清清楚楚,还有点小技巧,得有个屏幕,得有个足够远的距离,还得让光源够单一……反正搞这些事儿吧,得讲究点儿技巧。
来,接下来咱们聊聊这个条纹到底是怎么“定位置”的。
这个位置啊,简直就像是你早上出门时,发现自己的鞋带“自己系好”了似的,完全是有规律可循的。
嗯,既然说到这里,那就不得不提到一种公式了。
嘿,别怕,咱不看公式吓人,我们就是来“轻松搞定”的。
这个位置公式说到底,就是通过一个非常简单的关系,告诉你每条干涉条纹出现在什么地方。
咱得知道两件事:一是光的波长,二是缝隙之间的距离。
你说这两样东西能决定条纹位置?对,就是这么简单。
你想啊,光波的波长越大,条纹就会分得更开;缝隙距离越大,条纹就越密集。
然后,公式是这样的:Δy = m * λ * L / d。
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双缝干涉条纹间距公式的推导
双缝干涉条纹间距公式的推导
如图建立直角坐标系,其x 轴上横坐标为2d -的点与2
d 的点为两波源。
这两个波源的振动情况完全相同,则这两个波源发生干涉时的加强区为到两个波源的距离差为波长整数倍λn (零除外)的双曲线簇。
其中⎪⎭⎫ ⎝⎛-
0,2d 、⎪⎭⎫ ⎝⎛0,2d 为所有双曲线的公共焦点。
这个双曲线簇的方程为: 122222222
=⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛λλn d y n x
用直线l y =去截这簇双曲线,直线与双曲线的交点为加强的点。
将l y =代入双曲线簇的方程,有:
122222222
=⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛λλn d l n x
解得:
2222
4λ
λn d l n x -+= 上式中,d 的数量级为m 410-,λ为m 710-。
故2
222d n d =-λ,x 的表达式简化为: 22
4d
l n x +=λ 其中l 的数量级为m 010,d 的数量级为m 4
10-。
故422
10≈d l ,x 的表达式简化为: d l n d
l n x λλ==22 可见,交点横坐标成一等差数列,公差为
d l λ,这说明: (1)条纹是等间距的;
(2)相邻两条纹的间距为d
l λ。
至此,证明了条纹间距公式:λd l x =
∆。
氏双缝干涉条纹间距到底是不是相等的?
海军航空工程学院磊梁吉峰选自《物理教师》2008年第11期
在氏双缝干涉实验中,在现行的高中物理教科书中得出相邻的明纹(或者暗纹)中心间距为:Δx=Lλ/d,其中L为双缝与屏的间距,d为双缝间距,对单色光而言,其波长λ为定值,所以我们得出的结论是干涉图样为等间距的一系列明暗相同的条纹,但是在现行的高中物理教科书中所给的干涉条纹的照片却并非如此,如图1。
我们可以看到只是在照片中央部分的干涉条件是等间距的,但是在其边缘部分的条纹的间距明显与中央部分的条纹间距不同。
问题到底出在哪里呢?
首先我们来看现行的教科书上对于氏双缝干涉的解释,如图2。
设定双缝S1、S2的间距为d,双缝所在平面与光屏P平行。
双缝与屏之间的垂直距离为L,我们在屏上任取一点P1,设定点P1与双缝S1、S2的距离分别为r1和r2,O为双缝S1、S2的中点,双缝S1、S2的连线的中垂线与屏的交点为P0,设P1与P0的距离为x,为了获得明显的干涉条纹,在通常情况下L>>d,在这种情况下由双缝S1、S2发出的光到达屏上P1点的光程差Δr为
S2M=r2-r1≈dsinθ,(1)
其中θ也是OP0与OP1所成的角。
因为d<<L,θ很小,所以
sinθ≈tanθ=x
L(2)
因此Δr≈dsinθ≈d x
L
当Δr ≈d x L
=±k λ时,屏上表现为明条纹,其中k =0,1,2,……, (3) 当Δr ≈d x L =±(k +12
)λ时,屏上表现为暗条纹,其中是k =0,1,2,……。
(3′) 我们继续算得光屏上明条纹和暗条纹的中心位置。
当x =±k L d
λ时,屏上表现为明条纹,其中k =0,1,2,…。
(4) 当x =±(k +12 )L d
λ时,屏上表现为暗条纹,其中k =0,1,2,…。
(4′) 我们还可以算出相邻明条纹(或者暗条纹)中心问的距离为
Δx =x k +1-x k =L d
λ。
(5) 至此我们得出结论:氏双缝干涉条纹是等间距的。
问题就在于以上的推导过程中,我们用过两次近似,第1次是在运用公式Δr =r 2-r 1≈dsin θ的时候,此式近似成立的条件是∠S 1P 1S 2很小,因此有S 1M ⊥S 2P 1,S 1M ⊥OP 1,因此∠P 0OP 1=∠S 2S 1M ,如果要保证∠S 1P 1S 2很小,只要满足d<<L 即可,因此Δr ≈dsin θ是满足的。
第2次近似是因为d<<L ,θ很小,所以sin θ≈tan θ。
下面我们通过表1来比较sin θ与tan θ的数值。
从表1中我们可以看出当θ=6°时,tan θ-sin θ sin θ
≈0.6%。
因此当θ≥6°时,相对误差就超过了0.6%,因此我们通常说sin θ=tan θ成立的条件是θ≤5°,当θ>5°时,sin θ≈tan θ就不再成立。
而在氏双缝干涉实验中,θ很小所对应的条件应该是x<<L ,这应该对应于光屏上靠近P 0的点,在此种情况下上述的推导过程是成立的,干涉条纹是等间距的。
而当x 较大时,也就是光屏上离P 0较远的点所对应的θ角也较大,当θ>5°时,sin θ≈tan θ就不再成立,上述推导过程也就不完全成立了,(2)式就不能再用了。
此时sin θ=22x L x
所以,Δr ≈dsin θ=22x L dx
+=±k λ,屏上表现为明条纹,其中k =0,1,2,…,
Δr ≈dsin θ=22x L dx
+=±(k +12
)λ,屏上表现为暗条纹,其中k =0,1,2,…。
因此可以得到光屏上明纹或者暗纹的中心位置为x =±222λλ
k d Lk -,屏上表现为明条纹,其中k =0,1,2,…,
x =±2
22)2
1()21(λλ+-+k d k L ,屏上表现为暗条纹,其中k =0,1,2,…。
则相邻的明条纹中心问距为
Δx 明=x k +1明一x k 明=
222)1()1(λλ+-+k d k L -222λλk d Lk -
邻暗条纹中心间距为 Δx 暗=x k +1暗一x k 暗=222)211()211(λλ++-++k d k L -2
22)2
1()21(λλ+-+k d k L 由上式可见相邻的明、暗条纹就不再是等间距的了,这也正如教科书上的照片所示的条纹分布。
下面我们通过一个实例来定量计算等间距条纹的条数。
例1:用氦氖激光器(频率为4.74×1014Hz )的红光照射间距为2mm 的双缝时,试求我们能观察到的等间距的条纹的条数。
解:因为Δr =dsin θ=k λ,所以
k =dsin θλ =νdsin θc =4.74×1014×2×10-
3×sin5°3.0×108
≈2.8。
考虑到光屏的两侧,我们最终能够在光屏上观察到的等间距的条纹大致为5条。