高三物理第一輪復(fù)習(xí) 實(shí)驗(yàn) 新人教版

用心 愛心 專心 1 第第 4 4 課時(shí)課時(shí) 實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn) 1 1 用雙縫干涉測(cè)量光的波長用雙縫干涉測(cè)量光的波長 2 2 測(cè)定玻璃的折射率測(cè)定玻璃的折射率 基礎(chǔ)知識(shí)歸納 一 用雙縫干涉測(cè)量光的波長 1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1 了解光波產(chǎn)生穩(wěn)定的 干涉現(xiàn)象 的條件 2 觀察白光及單色光的 雙縫干涉 圖樣 3 測(cè)單色光的波長 2 實(shí)驗(yàn)原理 1 如果雙縫光源的相位相同 雙縫到屏上任意一點(diǎn)P的路程差 x n 時(shí) P點(diǎn) 加強(qiáng) 出現(xiàn) 亮 條紋 2 12 nx時(shí) P點(diǎn) 減弱 出現(xiàn)暗條紋 所以如果用單色光 光屏上將出現(xiàn) 明暗相間 的條紋 如果用白光 光屏上將出現(xiàn) 彩色 條紋 2 光通過雙縫干涉儀上的 單縫 和 雙縫 后 得到振動(dòng)情況完全相同的光 它們 在雙縫后面空間互相疊加 發(fā)生 干涉 現(xiàn)象 3 由公式 L xd 可以計(jì)算出光波的波長 其中雙縫間距d是已知的 雙縫到屏的 距離L可以用 米尺 測(cè)出 條紋間距 x可以用 測(cè)量頭 測(cè)出 3 實(shí)驗(yàn)器材 光具座 單縫片 雙縫片 濾光片 紅 綠色濾光片各一片 遮光筒 光源 測(cè)量頭 目鏡 游標(biāo)尺 分劃板 滑塊 手輪 米尺 4 實(shí)驗(yàn)裝置 如圖所示 5 實(shí)驗(yàn)步驟 1 按照上圖所示的裝置安裝好儀器 調(diào)整光源的位置 使光源發(fā)出的光能 平行 地 進(jìn)入遮光筒并照亮光屏 2 放置單縫和雙縫 使縫 相互平行 調(diào)整各部件的間距 觀察白光的 雙縫干涉 圖樣 3 在光源和 單縫 間放置濾光片 使單一顏色的光通過后觀察單色光的雙縫干涉圖 用心 愛心 專心 2 樣 4 用米尺測(cè)出雙縫到屏的距離L 用測(cè)量頭測(cè)出相鄰的n條亮 暗 紋間的距離a 并利 用公式 1 n a x計(jì)算出 x 5 利用表達(dá)式 L xd 求單色光的波長 6 換用不同顏色的濾光片重復(fù) 3 4 5 步驟 觀察干涉圖樣的異同 并求出相應(yīng)的波 長 6 注意事項(xiàng) 1 單縫 雙縫應(yīng) 相互平行 其中心大致位于遮光筒的軸線上 雙縫到單縫的距離 應(yīng)相等 2 測(cè)雙縫到屏的距離L可以用米尺 多次 測(cè)量取平均值 3 測(cè)條紋間距 x時(shí) 用測(cè)量頭測(cè)出相鄰 n 條亮 暗 紋之間的距離a 再求出相鄰 的 兩條 亮 暗 紋之間的距離 1 n a x 7 誤差分析 1 誤差來源 本實(shí)驗(yàn)誤差的主要 米尺 和 測(cè)量頭 出現(xiàn)的讀數(shù)誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響很大 單縫 雙縫沒有嚴(yán)格相互平行 其中心沒有位于遮光筒的軸線上 單縫到雙縫的 距離 沒有嚴(yán)格相等 2 減小誤差的方法 米尺測(cè)量單縫到雙縫的距離時(shí)多次測(cè)量取平均值 測(cè)量n條亮紋間距時(shí)多測(cè)幾條亮紋 之間的間距和 多次測(cè)量取平均值 盡量把單縫 雙縫調(diào)平行 調(diào)節(jié)單縫到雙縫的距離相等 其中心大致位于遮光筒的中 心 二 測(cè)定玻璃的折射率 1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?測(cè)定玻璃的折射率 2 實(shí)驗(yàn)原理 如圖所示 當(dāng)光線AO以一定的入射角穿過兩面平行的玻璃磚 時(shí) 通過插針法找出跟入射光線AO對(duì)應(yīng)的出射光線O B 從而求出折射光線OO 和折射 角 再根據(jù)n sin sin i 算出玻璃的折射率 3 實(shí)驗(yàn)器材 一塊兩面平行的 玻璃磚 白紙 木板 大頭針 量角器 或圓規(guī) 三角板 用心 愛心 專心 3 刻度尺 4 實(shí)驗(yàn)裝置 如上圖所示 5 實(shí)驗(yàn)步驟 1 把白紙鋪在木板上 2 在白紙上畫一直線aa 作為界面 過aa 上的一點(diǎn)O畫出界面的法線NN 并畫一 條線段AO作為 入射光線 3 把長方形玻璃磚放在白紙上 并使其 長邊 與aa 重合 再用直尺畫出玻璃的另 一邊bb 4 在線段AO上豎直地插上兩枚大頭針P1 P2 5 從玻璃磚bb 一側(cè)透過玻璃磚觀察大頭針P1 P2的像 調(diào)整視線方向直到P1的像被 P2的像擋住 再在bb 一側(cè)插上大頭針P3 P4 使P3能擋住P1 P2的像 P4能擋住P1 P2的 像及 P3 6 移去玻璃磚 在拔掉P1 P2 P3 P4的同時(shí)分別記下它們的位置 過P3 P4作直線 O B交bb 于O 連接O O OO 就是玻璃磚內(nèi)折射光線的方向 AON為 入射角 O ON 為 折射角 7 用量角器量出入射角和折射角的度數(shù) 查出它們的正弦值 并把這些數(shù)據(jù)記錄下來 8 用上述方法分別求出入射角是 15 30 45 60 和 75 時(shí)的折射角 查出入 射角和折射角的正弦值 記錄下來 9 算出不同入射角時(shí) sin sin i 的值 比較一下 看它們是否接近一個(gè)常數(shù) 求出幾次實(shí) 驗(yàn)測(cè)得的 sin sin i 的平均值 這就是這塊玻璃的 折射率 6 注意事項(xiàng) 1 輕拿輕放玻璃磚 手只能接觸玻璃磚的毛面或棱 不能觸摸光潔的光學(xué)面 嚴(yán)禁把玻 璃磚當(dāng)直尺用 2 實(shí)驗(yàn)過程中 玻璃磚在紙面上的位置不可移動(dòng) 3 插針P1與P2 P3與P4的間距要適當(dāng)?shù)卮笮?以減小確定光路方向時(shí)出現(xiàn)的誤差 4 實(shí)驗(yàn)時(shí)入射角不能太小 接近零度 否則會(huì)使測(cè)量誤差加大 也不能太大 接近 90 否則會(huì)不易觀察到P1 P2的像 5 本實(shí)驗(yàn)中如果采用的不是兩面平行玻璃磚 如采用三棱鏡 半圓形玻璃磚等 只是 出射光和入射光不平行 但一樣能測(cè)出折射率 7 誤差分析 1 誤差 用心 愛心 專心 4 本實(shí)驗(yàn)誤差的主要來源是測(cè)量光在玻璃中的 折射角 的誤差 2 減小誤差的方法 選用寬度ab較大的玻璃磚 宜在 5 cm 以上 入射角應(yīng)在 15 75 范圍內(nèi)取值 在紙上畫aa bb 兩條線時(shí) 應(yīng)盡量準(zhǔn)確地與玻璃磚的兩個(gè)平行的折射面重合 這 樣 兩交點(diǎn)O O 才能與光線的實(shí)際入射點(diǎn)較好地相符 否則將使畫出的玻璃中的光路與實(shí) 際情況嚴(yán)重偏離 重點(diǎn)難點(diǎn)突破 一 測(cè)定玻璃的折射率 1 插針法 測(cè)量玻璃的折射率時(shí)的兩種計(jì)算折射率的方法 此實(shí)驗(yàn)是通過測(cè)量入射角和折射角 然后查數(shù)學(xué)用表 找出入射角和折射角的正弦值 再代入n sin sin 中求玻璃的折射率 除運(yùn)用此方法之外 還有以下 處理數(shù)據(jù)的方法 1 在找到入射光線和折射光線以后 以入射點(diǎn)O為圓心 以 任意長為半徑畫圓 分別與AO交于C點(diǎn) 與OO 或OO 的延長 線 交于D點(diǎn) 過C D兩點(diǎn)分別向NN 作垂線 交NN 于C D 用直尺量出CC 和 DD 的長 如圖所示 由于 sin CO C C sin DO D D 而CO DO 所以折射率n sin sin DD CC 重復(fù)以上實(shí)驗(yàn) 求得各次折射率計(jì)算值 然后求其平均值 即為玻璃磚折射率 的測(cè)量值 2 根據(jù)n sin sin 有 sin n 1 sin 在多次改變?nèi)肷浣?測(cè)量相對(duì)應(yīng)的入射角和折射角正弦值基礎(chǔ) 上 以 sin 值為橫坐標(biāo) sin 值為縱坐標(biāo) 建立直角坐標(biāo)系 如圖所示 描數(shù)據(jù)點(diǎn) 過 數(shù)據(jù)點(diǎn)連線得到一條過原點(diǎn)的直線 求解圖線的斜率 設(shè)斜率為k 則k n 1 故玻璃磚折 射率n k 1 2 除了插針法測(cè)玻璃磚的折射率 還可以利用光的反射與折射相結(jié)合等方法來判定玻璃 磚的折射率 基本原理和處理方法是一致的 即正確作出光路圖 找到入射角 1與折射角 2 則n 2 1 sin sin 用心 愛心 專心 5 二 對(duì)用雙縫干涉測(cè)量光波的波長的原理的理解 L d x 將兩次手輪的讀數(shù)相減 求出n條亮紋間的距離a 注意 x 1 n a 而不是 n a n條亮紋間隔數(shù)為 n 1 典例精析 1 用雙縫干涉裝置測(cè)可見光波長的基本操作步驟及數(shù)據(jù)處理 例 1 現(xiàn)有毛玻璃屏A 雙縫B 白光光源C 單縫D和濾光片E等光學(xué)元件 要把它 們放在如圖所示光具座上組裝成雙縫干涉裝置 用以測(cè)量紅光的波長 1 將白光光源C放在光具座最左端 依次放置其他光學(xué)元件 由左至右 表示各光學(xué) 元件的字母排列順序應(yīng)為 2 本實(shí)驗(yàn)的步驟有 取下遮光筒左側(cè)的元件 調(diào)節(jié)光源高度 使光束能直接沿遮光筒軸線把屏照亮 按合理順序在光具座上放置各光學(xué)元件 并使各元件的中心位于遮光筒的軸線上 用米尺測(cè)量雙縫到屏的距離 用測(cè)量頭測(cè)量數(shù)條亮條紋間的距離 在操作步驟 時(shí)還應(yīng)注意 和 3 將測(cè)量頭的分劃板中心刻線與某亮紋中心對(duì)齊 將該亮紋定為第 1 條亮紋 此時(shí)手 輪上的示數(shù)如圖甲所示 然后同方向轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量頭 使分劃板 中心刻線與第 6 條亮紋中心對(duì)齊 記下此時(shí)圖乙中手輪上的 示數(shù)為 mm 求得相鄰亮紋的間距 x為 mm 4 已知雙縫間距d 2 0 10 4m 測(cè)得雙縫到屏的距離l 為0 700 m 由計(jì)算式 求得所測(cè)紅光波長為 nm 解析 1 濾光片E是從白光選出單色紅光 單縫屏是獲取線光源 雙縫屏是獲得相 干光源 最后成像在毛玻璃屏 所以排列順序?yàn)?C E D B A 2 在操作步驟 時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)有 放置單縫 雙縫時(shí) 必須使縫平行 單縫 雙縫 間距大約為 5 10 cm 3 測(cè)量頭的讀數(shù) 先讀整數(shù)刻度 然后看半刻度是否露出 最后看可動(dòng)刻度 題圖甲讀 數(shù)為 2 320 mm 題圖乙讀數(shù)為 13 870 mm 所以相鄰條紋間距 x 5 320 2 870 13 mm 2 310 mm 用心 愛心 專心 6 4 由條紋間距公式 x d l 得 l xd 代入數(shù)值得 6 6 10 7 m 660 nm 答案 1 C E D B A 2 放置單縫 雙縫時(shí) 必須使縫平行 單縫 雙縫間距 離大約 5 10 cm 3 13 870 2 310 4 l xd 660 思維提升 理解實(shí)驗(yàn)的原理能更容易解此題 拓展 1 用氦氖激光器進(jìn)行雙縫干涉實(shí)驗(yàn) 已知使用的雙縫間距離d 0 1 mm 雙縫 到屏的距離L 6 0 m 測(cè)得屏上干涉條紋中相鄰亮條紋的間距是 3 8 cm 則氦氖激光器發(fā) 出的紅光的波長 是多少 假如把整個(gè)裝置放入折射率是 3 4 的水中 這時(shí)屏上的條紋間距 是多少 解析 由 x d L 可以得出紅光的波長 L d x 0 6 108 3101 0 23 m 6 3 10 7 m 激光器發(fā)出的紅光的波長是 6 3 10 7 m 如果將整個(gè)裝置放入水中 激光器發(fā)出的紅光在水中的波長設(shè)為 由光的特點(diǎn)可知 光在傳播過程中 介質(zhì)發(fā)生變化 波長和波速會(huì)發(fā)生改變 但頻率不變 由此可知 c v 而 v c n 由 n 4 3103 6 7 m 4 7 10 7 m 這時(shí)屏上條紋的間距是 x d L 3 7 101 0 107 40 6 m 2 8 10 2 m 2 插針法測(cè)玻璃磚的折射率 例 2 某同學(xué)用插針法測(cè)定玻璃磚的折射率 他的實(shí)驗(yàn)方法和操作步驟正確無誤 但他 處理實(shí)驗(yàn)記錄時(shí)發(fā)現(xiàn)玻璃磚的兩個(gè)光學(xué)面aa 與bb 不平行 如圖所示 則 A P1P2與P3P4兩條直線平行 B P1P2與P3P4兩條直線不平行 C 他測(cè)出的折射率偏大 D 他測(cè)出的折射率不受影響 解析 如圖所示 在aa 面光線進(jìn)入玻璃磚中 由折射定律有n sin sin 在光線由 bb 射出玻璃磚的現(xiàn)象中 同理n i sin sin 若aa 與bb 平行 則i 因此 用心 愛心 專心 7 此時(shí)入射光線AO與出射光線O B平行 若aa 與bb 不平行 則i 因此 此 時(shí)入射光線AO與出射光線O B不平行 故選項(xiàng) B 正確 在具體測(cè)定折射率時(shí) 要求實(shí)驗(yàn)方法 光路均準(zhǔn)確無誤 折射率的測(cè)量值應(yīng)不受aa 與bb 是否平行的影響 答案 BD 思維提升 1 入射光線與出射光線是否平行 取決于玻璃磚兩界面aa 與bb 是否 平行 2 利用插針法確定光的入射點(diǎn)和出射點(diǎn) 從而確定入射光線和折射光線 此方法可適合 于平行玻璃磚 棱鏡 圓柱形玻璃體等 拓展 2 在利用插針法測(cè)定玻璃磚折射率的實(shí)驗(yàn)中 1 甲同學(xué)在紙上正確畫出玻璃磚的兩個(gè)界面aa 和bb 后 不 自覺地碰了玻璃磚使它向aa 方向平移了少許 如圖所示 則他測(cè)出 的折射率值將 不變 填 偏大 偏小 或 不變 2 乙同學(xué)在畫界面時(shí) 不自覺地將兩界面aa bb 間距畫得 比玻璃磚寬些 如圖所示 則他測(cè)得折射率 偏小 填 偏大 偏 小 或 不變 解析 1 如圖 1 所示 甲同學(xué)利用插針法確定入射光線 折射光線后 測(cè)得的入射 角 折射角沒有受到影響 因此測(cè)得的折射率將不變 2 如圖 2 所示 乙同學(xué)利用插針法確定入射光線 折射線后 測(cè) 得的入射角不受影響 但測(cè)得的折射角比真實(shí)的折射角偏大 因此測(cè) 得的折射率偏小 3 利用反射與折射相結(jié)合測(cè)玻璃磚的折射率 例 3 某同學(xué)用如下方法測(cè)定玻璃的折射率 先將平行玻璃磚固定在水平桌面的白紙 上 畫出兩側(cè)界面MN PQ MN QP面平行于桌面 在玻璃磚的一側(cè)用 激光照射 在光源同側(cè)且與MN平行的光屏上得到的兩光點(diǎn)A B 兩光 線的位置如圖所示 測(cè)得入射光線與界面的夾角 30 光屏上兩光 點(diǎn)之間的距離L 3 0 cm 玻璃磚的厚度h 2 0 cm 求玻璃磚的折射率 解析 光路圖如圖所示 可知OO 與AB的距離相等 由幾何原理有 sin 5 3 0 30 24 0 3 4 2 2 2222 22 Lh L L h L 由折射率定義得n sin 90sin 1 44 思維提升 求玻璃的折射率首先要