高中物理 第五章 光的波動性 第2講 學(xué)生實驗：用雙縫干涉測量光的波長學(xué)案 教科版選修3-4

1、第2講學(xué)生實驗：用雙縫干涉測量光的波長目標定位1.了解用雙縫干涉測量光的波長的實驗原理.2.知道影響干涉條紋間距的因素.3.觀察白光及單色光的干涉圖樣.4.能夠利用雙縫干涉實驗測量單色光的波長一、實驗原理相鄰兩條亮條紋(或暗條紋)的間距是x，根據(jù)這個公式，可以得出單色光的波長二、實驗器材雙縫干涉實驗儀(主要部件有遮光管、照明系統(tǒng)、雙縫、觀察筒及測量頭照明系統(tǒng)是指光源燈泡、透鏡、遮光板，單縫及濾光片，測量頭包括游標尺、分劃板、滑塊座、滑塊、目鏡、手輪等)三、條紋間距x的測定測量時，先移動測量頭上的手輪，把分劃線對準某一條亮條紋(或暗條紋)，并記下它在游標尺上的讀數(shù)x1，然后轉(zhuǎn)動手輪，把分劃線對準

2、第n條干涉亮條紋(或暗條紋)，記下游標尺的讀數(shù)xn，則相鄰兩條亮條紋(或暗條紋)之間的距離為x.想一想實驗中為什么不直接測出相鄰兩條亮條紋間的距離x，而要測出n個亮條紋間的距離，再求平均值？答案由于光的波長很小，實驗中條紋寬度很小，直接測出一條條紋的寬度不準確或較難實現(xiàn)，只能先測出n個條紋間距，再求相鄰亮條紋間的距離，這樣既便于測量，又可以減小誤差一、實驗原理1光源發(fā)出的光經(jīng)濾光片成為單色光，單色光通過單縫后相當(dāng)于線光源，經(jīng)雙縫產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉圖樣，通過屏可以觀察到明暗相間的干涉條紋2若雙縫到屏的距離用l表示，雙縫間的距離用d表示，相鄰兩條亮條紋間的距離用x表示，則入射光的波長為.實驗中d是已知

3、的，測出l、x即可測出光的波長.二、實驗步驟(如圖1所示為安裝儀器示意圖)圖11把遮光管架在支架環(huán)上，其軸線與光具座的導(dǎo)軌基本平行2在遮光管的一端裝上雙縫，并轉(zhuǎn)動雙縫座，使雙縫與水平面垂直再裝好單縫管3讓燈泡燈絲及透鏡中心與單縫中心等高燈絲與單縫之間的距離約為25 cm.點亮燈泡，上下或左右調(diào)節(jié)燈泡，使燈絲的放大像及縮小像均成在單縫中心4在遮光管的另一端裝上測量頭在單縫管上裝上撥桿，邊觀察，邊左右移動撥桿，以調(diào)節(jié)單縫與雙縫平行，直至看到白光的干涉條紋最清晰5測量單色光波長時，在單縫前面加上紅色或綠色濾光片即可看到紅黑相間或綠黑相間的干涉條紋，再調(diào)節(jié)目鏡，就能同時清晰地看到分劃線和干涉條紋，然后

4、繞光軸轉(zhuǎn)動測量頭，使分劃線與干涉條紋平行，固定好測量頭后即可進行測量6先移動測量頭上的手輪，把分劃線對準最左邊的一條干涉亮條紋或者暗條紋，并記下它在標尺上的讀數(shù)x1，然后轉(zhuǎn)動手輪，把分劃線移向右邊，并對準第n條(一般n可取7左右)干涉亮條紋或者暗條紋，這時游標尺的讀數(shù)為xn，則相鄰兩條亮條紋或暗條紋之間的距離為x.待測的光波波長為：.式中d為雙縫中心距離，其數(shù)值刻在雙縫座上，一塊為0.250 mm，另一塊為0.200 mm.l為雙縫至光屏(即分劃板)之間的距離，當(dāng)遮光管未接長管時，l600 mm；當(dāng)遮光管接上長管后，l700 mm.7改變雙縫間的距離d，重復(fù)上面步驟，再測量一次例1某同學(xué)用單色

5、光進行雙縫干涉實驗，在屏上觀察到圖2甲所示的條紋，僅改變一個實驗條件后，觀察到的條紋如圖乙所示他改變的實驗條件可能是()圖2A減小光源到單縫的距離B減小雙縫之間的距離C減小雙縫到光屏之間的距離D換用頻率更高的單色光源解析由甲和乙兩圖可知改變條件以后條紋變寬，由x可知，只有B正確答案B三、注意事項與誤差分析1注意事項(1)單縫、雙縫應(yīng)相互平行，其中心位于遮光筒的中心軸線上，雙縫到單縫的距離應(yīng)相等(2)測雙縫到屏的距離l時用毫米刻度尺多次測量取平均值(3)測條紋間距x時，用測量頭測出n條亮條紋間的距離a，求出相鄰兩條亮條紋間的距離x.2誤差分析實驗中的雙縫間距d是器材本身給出的，因此本實驗要注意x

6、的測量光波的波長很小，x的測量對波長的影響很大x利用測量頭測量可利用“累積法”測n條亮條紋間的距離a，再求x，并且采用多次測量求x的平均值的方法進一步減小誤差例2(多選)某同學(xué)在做雙縫干涉實驗時，按裝置圖安裝好實驗裝置，在光屏上卻觀察不到干涉圖樣，這可能是由于()A光束的中央軸線與遮光筒的軸線不一致，相差較大B沒有安裝濾光片C單縫與雙縫不平行D光源發(fā)出的光束太強解析安裝實驗器材時要注意：光束的中央軸線與遮光筒的軸線要重合，光源與光屏正面相對，濾光片、單縫和雙縫要在同一高度，中心位置在遮光筒軸線上，單縫與雙縫要相互平行，才能使實驗成功當(dāng)然還要使光源發(fā)出的光束不致太暗綜上所述，可知選項A、C正確答

7、案AC實驗原理與數(shù)據(jù)處理1圖3為雙縫干涉的實驗示意圖，光源發(fā)出的光經(jīng)濾光片成為單色光，然后通過單縫和雙縫，在光屏上出現(xiàn)明暗相間的條紋若要使干涉條紋的間距變大，在保證其他條件不變的情況下，可以()圖3A將光屏移近雙縫B更換濾光片，改用波長更長的單色光C增大雙縫的間距D將光源向雙縫移動一小段距離解析由x可知，要使干涉條紋的間距變大，可增大l和，或減小d，選項B正確答案B2在“用雙縫干涉測量光的波長”的實驗中，若已知雙縫間的距離d.(1)若測定綠光的波長，應(yīng)選用_色的濾光片實驗時需要測定的物理量有_和_(2)已知雙縫到光屏之間的距離l500 mm，雙縫之間的距離d0.50 mm，單縫到雙縫之間的距離

8、s100 mm，某同學(xué)在用測量頭測量時，調(diào)整手輪，在測量頭目鏡中先看到分劃板中心刻線對準A條亮條紋的中心，然后他繼續(xù)轉(zhuǎn)動，使分劃板中心刻線對準B條亮條紋的中心，前后兩次游標卡尺的讀數(shù)如圖4所示則入射光的波長_ m(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)圖4(3)實驗中發(fā)現(xiàn)條紋太密，難以測量，可以采用的改善辦法有_A改用波長較長的光(如紅光)作為入射光B增大雙縫到屏的距離C增大雙縫到單縫的距離D增大雙縫間距解析(1)由于測量綠光的波長，因此應(yīng)用綠色濾光片由x可知要想測必須測定雙縫到屏的距離l和相鄰亮(暗)條紋間距x.(2)游標卡尺讀數(shù)精確度為0.1 mm，A位置主尺讀數(shù)為11 mm，游標尺讀數(shù)為1，讀數(shù)為x11

9、1 mm10.1 mm11.1 mm，同理B位置讀數(shù)為x215.6 mm，則條紋間距x0.64 mm.利用x6.4107 m.(3)由x可知，要增大條紋間距，可用波長更長的入射光、增大雙縫到屏的距離或減小雙縫間距，故選項A、B正確答案(1)綠雙縫到屏的距離相鄰亮(暗)條紋間距(2)6.4107(3)AB注意事項與誤差分析3在雙縫干涉實驗中，實驗裝置如圖5所示，下列說法正確的是()圖5A調(diào)節(jié)光源高度使光束沿遮光筒軸線照在屏中心時，應(yīng)放上單縫和雙縫B測量某條亮條紋位置時，應(yīng)使測量頭分劃板中心刻線與該亮條紋的中心對齊C為了減少測量誤差，可用測量頭測出第1條亮條紋與第n條亮條紋間的距離a，求出相鄰兩條

10、亮條紋間距xD單縫、雙縫和濾光片缺一不可，否則屏上不會出現(xiàn)干涉圖樣解析在不放置單縫和雙縫時才能根據(jù)光屏上光斑的形狀來判定光束是否沿遮光筒的軸線傳播，故A錯誤因條紋寬度是指相鄰亮條紋中心或相鄰暗條紋中心之間的距離，故B正確微小量累積法可有效減小測量中的偶然誤差，但相鄰兩條亮條紋間距應(yīng)為x，C錯誤；在該實驗中，若沒有濾光片，在屏上會得到白光的干涉圖樣，即彩色條紋，D錯誤答案B題組一實驗原理、實驗器材和實驗現(xiàn)象1在雙縫干涉實驗中()A入射光波長越長，干涉條紋間距越大B入射光波長越長，干涉條紋間距越小C把入射光由綠光變?yōu)樽瞎?，干涉條紋間距變大D把入射光由綠光變?yōu)榧t光，干涉條紋間距變小解析由x得，雙縫干

11、涉條紋寬度與波長成正比，綠光比紫光的波長大，紅光比綠光的波長大，故A正確答案A2在雙縫干涉實驗中，以下說法正確的是()A雙縫屏的作用是使入射光到達雙縫屏?xí)r，雙縫就成了兩個振動情況完全相同的光源B若入射光是白光，則像屏上的條紋是黑白相間的干涉條紋C像屏上某點到雙縫的路程差為入射光波長的1.5 倍時，該點處一定是亮條紋D雙縫干涉中相鄰亮條紋之間的距離與相鄰暗條紋之間的距離不相等解析分光法獲得相干光源，所以A正確；白光的干涉條紋是彩色的，不是黑白相間的，B錯；像屏上某點到雙縫的路程差為波長的1.5 倍時，該處應(yīng)是暗條紋，C錯；相鄰亮條紋間距等于相鄰暗條紋間距，D錯答案A3在利用測量頭測量條紋寬度時，

12、最好應(yīng)使分劃板中心刻線()A與亮條紋的邊緣線對齊B與暗條紋的邊緣線對齊C與亮條紋的中心位置對齊D與暗條紋的中心位置對齊答案C4利用圖1中裝置研究雙縫干涉現(xiàn)象時，下面幾種說法：圖1A將屏移近雙縫，干涉條紋間距變窄B將濾光片由藍色的換成紅色的，干涉條紋間距變寬C將單縫向雙縫移動一小段距離后，干涉條紋間距變寬D換一個雙縫之間距離較大的雙縫，干涉條紋間距變窄E去掉濾光片后，干涉現(xiàn)象消失其中正確的是_解析由條紋間距公式x(d指雙縫間距離，l是雙縫到屏的距離)，可知：A項中l(wèi)減小，x變??；B項中變大，x變大；C項中x不變；D項中d變大，x變小，E項中去掉濾光片后，出現(xiàn)彩色條紋，故A、B、D正確答案ABD題

13、組二數(shù)據(jù)處理5某次實驗中，測得第一級亮條紋和第三級亮條紋相距4.0102 m，若雙縫片間距為0.1 mm，縫到屏的距離為l4.0 m，則光波的波長為()A8.0108 mB5.0107 mC1.5108 mD1.0107 m解析由公式x有，x2102 m，l4.0 m，d0.1 mm104 m，得5.0107 m.答案B6現(xiàn)有毛玻璃屏A、雙縫B、白光光源C、單縫D和透紅光的濾光片E等光學(xué)元件，要把它們放在如圖2所示的光具座上組裝成雙縫干涉裝置，用以測量紅光的波長圖2(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C、_、_、_、A(2)本實驗

14、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；用米尺測量雙縫到屏的距離；用測量頭(其讀數(shù)方法同螺旋測微器)測量數(shù)條亮條紋間的距離在操作步驟時還應(yīng)注意_和_(3)將測量頭的分劃板中心刻線與某亮條紋中心對齊，將該亮條紋定為第1條亮條紋，此時手輪上的示數(shù)如圖3甲所示然后同方向轉(zhuǎn)動測量頭，使分劃板中心刻線與第6條亮條紋中心對齊，記下此時圖乙中手輪上的示數(shù)_ mm，求得相鄰亮條紋的間距x為_ mm.圖3(4)已知雙縫間距d為2.0104 m，測得雙縫到屏的距離l為0.700 m，由計算式_，求得所測

15、紅光波長為_ nm.解析(1)濾光片E是從白光中選出單色紅光，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為：C、E、D、B、A(2)在操作步驟時應(yīng)注意的事項有：放置單縫、雙縫時，必須使縫平行；要保證光源、濾光片、單縫、雙縫和毛玻璃屏的中心在同一軸線上(3)螺旋測微器的讀數(shù)應(yīng)該：先讀整數(shù)刻度，然后看半刻度是否露出，最后看可動刻度，圖乙讀數(shù)為13.870 mm，圖甲讀數(shù)為2.320 mm，所以相鄰條紋間距x mm2.310 mm.(4)由條紋間距離公式x得：，代入數(shù)值得：6.6107 m6.6102 nm.答案(1)E、D、B(2)放置單縫、雙縫時，必須使縫平行要保證

16、光源、濾光片、單縫、雙縫和毛玻璃屏的中心在同一軸線上(3)13.8702.310(4)6.61027在“用雙縫干涉測量光的波長”實驗中，調(diào)節(jié)分劃板的位置，使分劃板的中心刻線對齊中央亮條紋的中心，此時螺旋測微器的讀數(shù)如圖4甲所示，轉(zhuǎn)動手輪，使分劃板向一側(cè)移動，使分劃板的中心刻線對齊第3條亮條紋的中心，此時螺旋測微器的讀數(shù)如圖乙所示已知雙縫間距d1.5 mm，雙縫到屏的距離l1.00 m，則被測光的波長為多少？圖4解析圖甲讀數(shù)為1.130 mm，圖乙讀數(shù)為1.760 mm.相鄰兩條亮條紋的間距x mm0.210 mm.由x得 m3.15107 m.答案3.15107 m題組三綜合應(yīng)用8在雙縫干涉實驗中，兩狹縫間的距離為0.020