實驗用雙縫干涉測量光的波長講解

實驗用雙縫干涉測量光的波長講解第1頁/共40頁第三節(jié)

實驗:用雙縫干涉測量光的波長第2頁/共40頁一?實驗?zāi)康?.觀察白光及單色光的干涉圖樣.2.測定單色光的波長.第3頁/共40頁二?實驗原理如下圖所示,與兩縫之間的距離d相比,每個狹縫都很窄,寬度可以忽略,兩縫S1?S2的連線的中垂線與屏的交點為P0,雙縫到屏的距離OP0=L.第4頁/共40頁屏上P1與P0點的距離x,兩縫到P1的距離分別為P1S1=r1,P1S2=r2.在P1S2上作P1M=P1S1,于是S2M=r2-r1,由于兩縫之間的距離遠小于縫到屏的距離,所以可近似認為三角形S1S2M是直角三角形,根據(jù)三角函數(shù)的關(guān)系,有r2-r1=dsinθ.另一方面x=Ltanθ≈Lsinθ.第5頁/共40頁第6頁/共40頁三?實驗器材光源?濾光片?單縫遮光筒?光屏及光具座,如下圖所示.第7頁/共40頁四?實驗過程1.觀察光的干涉圖樣(1)按照上圖所示的裝置安裝好儀器.(2)接通電源,閉合開關(guān),使燈絲正常發(fā)光.(3)調(diào)整各器件的高度,使光源燈絲發(fā)出的光能沿軸線到達光屏.(4)安裝單縫和雙縫,中心大致位于遮光筒的軸線上,使雙縫與單縫平行,兩者之間距離約為5cm—10cm,這時可觀察白光的干涉條紋.(5)在單縫和光源之間放上濾光片,觀察單色光的干涉條紋.第8頁/共40頁2.測定單色光的波長(1)安裝好測量頭?調(diào)節(jié)至可清晰觀察到干涉條紋.第9頁/共40頁(2)條紋間距用測量頭測出,如圖測量頭由分劃板,目鏡,手輪等構(gòu)成,轉(zhuǎn)動手輪,分劃板會左右移動,測量時應(yīng)使分劃板中心刻線對齊某條亮條紋中心,記下此時手輪上的讀數(shù)a1,轉(zhuǎn)動手輪,使分劃板中心刻線移至另一條亮條紋中央,記下此時手輪的讀數(shù)a2;并記下兩次測量的亮(或暗)條紋數(shù)n.則相鄰兩條亮(或暗)條紋間距第10頁/共40頁(3)用刻度尺測量雙縫到光屏間的距離l.(4)將l?Δx代入公式求出光的波長λ.(5)重復(fù)測量,計算,求出波長的平均值.(6)換用不同顏色的濾光片,觀察干涉條紋的異同,求出相應(yīng)的波長.第11頁/共40頁五?實驗誤差分析1.l的測量誤差本實驗中雙縫到光屏的距離較長,l的測量誤差不太大,但也應(yīng)選用毫米刻度尺測量.并用多次測量求出平均值的辦法減小實驗誤差.2.測量條紋間距Δx帶來的誤差.(1)干涉條紋沒有調(diào)到最清晰的程度.(2)分劃板刻線與干涉條紋不平行,中心刻線沒有恰好位于條紋中心.(3)測量多條亮條紋間距時讀數(shù)不準(zhǔn)確.第12頁/共40頁六?注意事項1.放置單縫和雙縫時,必須使縫平行.2.要保證光源?濾光片?單縫?雙縫和光屏的中心軸在遮光筒的軸線上.3.測量頭的分劃板中心刻線要對準(zhǔn)條紋的中心.4.要多測幾條亮條紋(或暗)中心間的距離,再求Δx.第13頁/共40頁典例分析(學(xué)生用書P55)一?實驗儀器的選擇與使用例1:用雙縫干涉測光的波長,實驗中采用雙縫干涉儀,它包括以下元件:A.白熾燈B.單縫片C.光屏D.雙縫E.濾光片(其中雙縫和光屏連在遮光筒上)第14頁/共40頁

(1)把以上元件安裝在光具座上時,正確的排列順序是:A________(A已寫好).(2)正確調(diào)節(jié)后,在屏上觀察到紅光干涉條紋,用測量頭測出10條紅亮紋間的距離為a;改用綠色濾光片,其他條件不變,用測量頭測出10條綠亮紋間的距離為b,則一定有________大于___________.EBDCab第15頁/共40頁解析:雙縫干涉儀各組成部分在光具座上的正確排序為光源?濾光片?單縫?雙縫?屏,或把它們?nèi)康惯^來,因本題第一項已給填好,故答案是惟一的.由知,波長越長,條紋越寬,間距越大,或由干涉條紋的特征均可得出a一定大于b.第16頁/共40頁二?實驗過程和數(shù)據(jù)處理例2:在“用雙縫干涉測光的波長”的實驗中,裝置如下圖所示.雙縫間的距離d=3mm.

(1)若測定紅光的波長,應(yīng)選用___________色的濾光片.實驗時需要測定的物理量有:__________________和_______________________________.紅雙縫到屏的距離Ln條亮(或暗)條紋的距離a第17頁/共40頁

(2)若測得雙縫與屏之間距離為0.70m,通過測量頭(與螺旋測微器原理相似,手輪轉(zhuǎn)動一周,分劃板前進或后退0.500mm)觀察到第1條亮紋的位置如下圖(a)所示,觀察第5條亮紋的位置如下圖(b)所示.則可求出紅光的波長λ=_________m.(保留一位有效數(shù)字)7×10-7

第18頁/共40頁解析:(1)若測定紅光的波長,應(yīng)用紅光進行干涉實驗,即選用紅色濾光片,這樣通過濾光片的就只有紅光,實驗雙縫到屏的距離Ln條亮(或暗)條紋的距離a.(2)圖中(a)的示數(shù)為0,(b)圖示數(shù)為0.650mm.第19頁/共40頁梯度練習(xí)(學(xué)生用書P55)基礎(chǔ)強化1.某同學(xué)做雙縫干涉實驗時,按要求安裝好實驗裝置后,在光屏上卻觀察不到干涉圖樣,這可能的原因()A.光源發(fā)出的光束太強B.單縫與雙縫不平行C.沒有安裝濾光片D.光束的中心軸與遮光筒的軸線不一致,相差較大答案:BD第20頁/共40頁2.“用雙縫干涉測光的波長”的實驗中,為使光屏上單色光的條紋間距減小些,可采用的措施是()A.換用縫距大些的雙縫片B.換用縫距小些的雙縫片C.適當(dāng)調(diào)大雙縫與屏之間的距離D.適當(dāng)調(diào)小雙縫與屏之間的距離答案:AD第21頁/共40頁3.在利用測量頭測量條紋寬度時,應(yīng)使分劃板中心刻線最好()A.與亮條紋的邊緣對齊B.與暗條紋的邊緣對齊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:C第22頁/共40頁4.在雙縫干涉實驗中,雙縫的作用是()A.遮住過于強烈的光B.使白光變成單色光C.形成兩個振動情況相同的光源D.使光發(fā)生折射答案:C第23頁/共40頁5.右圖所示為雙縫干涉實驗中產(chǎn)生的條紋圖樣,甲圖為用光甲進行實驗的圖樣,a為中央亮條紋.乙為換用另一種單色光乙進行實驗的圖樣,a′為中央亮條紋,則以下說法正確的是()A.乙圖條紋較寬,光乙的波長比光甲波長長B.乙圖條紋較窄,光乙的波長比光甲波長長C.乙圖的條紋較寬,光乙的波長比光甲短D.乙圖的條紋較窄,光乙的波長比光甲短第24頁/共40頁答案:A第25頁/共40頁能力提升6.某次實驗中,測得第一級明條紋和第三級明條紋相距4.0×10-2m,若雙縫間距為0.1mm,縫到屏的距離為L=4.0m,則光波的波長為()A.8.0×10-8mB.5.0×10-7mC.1.5×10-8m D.1.6×10-8m答案:B第26頁/共40頁 7.如下圖所示,在“用雙縫干涉測光的波長”的實驗中,光具座上放置的光學(xué)元件有光源?遮光筒和其他元件,其中a、b、c、d各裝置的名稱依次是下列選項中的()第27頁/共40頁A.a單縫?b濾光片?c雙縫?d光屏B.a單縫?b雙縫?c濾光片?d光屏C.a濾光片?b單縫?c雙縫?d光屏D.a濾光片?b雙縫?c單縫?d光屏解析:a、b、c、d各裝置的名稱分別為濾光片?單縫?雙縫?光屏,故C正確.答案:C第28頁/共40頁 8.某同學(xué)在做“雙縫干涉測定光的波長”實驗時,第一次分劃板中心刻度線對齊第2條亮紋的中心時(如下圖甲中的A),游標(biāo)卡尺的示數(shù)如下圖乙所示,第二次分劃板中心刻度線對齊第6條亮紋的中心時(如圖丙中的B),游標(biāo)卡尺的示數(shù)如圖丁所示.已知雙縫間距d=0.5mm,雙縫到屏的距離L=1m.則:第29頁/共40頁(1)圖乙中游標(biāo)卡尺的示數(shù)為____________cm.(2)圖丁中游標(biāo)卡尺的示數(shù)為_____________cm.(3)所測光波的波長為____________m(保留兩位有效數(shù)字).1.2501.7756.6×10-7第30頁/共40頁解析:(1)圖乙中游標(biāo)卡尺是20個分度,精確度0.05mm,讀數(shù)為12mm+0.05×10=12.50mm=1.250cm.(2)圖丁中讀數(shù)為17mm+0.05×15=1.775cm第31頁/共40頁 9.用氦氖激光器進行雙縫干涉實驗,已知使用的雙縫間距離d=0.1mm,雙縫到屏的距離L=6.0m,測得屏上干涉條紋中相鄰亮紋的間距是3.8cm,氦氖激光器發(fā)出的紅光的波長λ是多少?假如把整個裝置放入折射率是的水中,這時屏上的條紋間距是多少?第32頁/共40頁

解析:由條紋間距Δx,雙縫間距離d,雙縫到屏的距離L及波長λ的關(guān)系,可測波長.同理,知道水的折射率,可知該光在水中的波長,然后由d、Δx、L、λ的關(guān)系,可求出條紋間距.激光器發(fā)出的紅光的波長是6.3×10-7m.如果整個裝置放入水中,激光器發(fā)出的紅光在水中的波長設(shè)為λ′,由光的特點可知:光在傳播過程中,介質(zhì)發(fā)生變化,波長和波速發(fā)生改變,但頻率不變.第33頁/共40頁答案:見解析.第34頁/共40頁 10.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,要把它們放在下圖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.第35頁/共40頁(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.E?D?B

第36頁/共40頁

(2)本實驗的實驗步驟有:①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;②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;③用米尺測量雙縫到屏的距離;④用測量頭(其讀數(shù)方法同螺旋測微器)測量數(shù)條亮紋間的距離.在操作步驟②時還應(yīng)注意________________________和__________________________.單縫與雙縫的間距為5cm~10cm

使單縫與雙縫相互平行

第37頁/共40頁

(3)將測量頭的分劃板中心刻線與某亮紋中心對齊,將該亮紋定為第1條亮紋,此時手輪上的示數(shù)如下圖甲所示.