新教材適用2023-2024學(xué)年高中物理第四章光及其應(yīng)用5.實(shí)驗(yàn)用雙縫干涉測(cè)量光的波長(zhǎng)課件教科版選擇性必修第一冊(cè)

5.實(shí)驗(yàn):用雙縫干涉測(cè)量光的波長(zhǎng)第四章內(nèi)容索引010203實(shí)驗(yàn)探究新知導(dǎo)學(xué)典例精講釋疑解惑隨堂練習(xí)課標(biāo)定位素養(yǎng)闡釋1.知道光是橫波,會(huì)用雙縫干涉實(shí)驗(yàn)測(cè)量光的波長(zhǎng)。2.了解“雙縫干涉測(cè)量光的波長(zhǎng)”的實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)器材,掌握測(cè)量頭的讀數(shù)方法。1.理解雙縫干涉的原理,能安裝和調(diào)試儀器,培養(yǎng)科學(xué)探究能力。2.掌握相鄰亮條紋(或暗條紋)間距的計(jì)算公式Δx=λ及推導(dǎo)過(guò)程,培養(yǎng)科學(xué)思維。實(shí)驗(yàn)探究新知導(dǎo)學(xué)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.理解雙縫干涉的原理,能安裝和調(diào)試儀器。2.掌握相鄰亮條紋(或暗條紋)間距的計(jì)算公式Δx=λ及推導(dǎo)過(guò)程。3.觀察雙縫干涉圖樣,掌握實(shí)驗(yàn)方法。二、實(shí)驗(yàn)原理1.相鄰亮條紋(或暗條紋)間的距離Δx與入射光波長(zhǎng)λ之間的定量關(guān)系:如圖所示,雙縫間距d,雙縫到屏的距離l。雙縫S1、S2的連線的中垂線與屏的交點(diǎn)為P0。對(duì)屏上與P0距離為x的一點(diǎn)P,兩縫與P的距離PS1=r1,PS2=r2。在線段PS2上作PM=PS1,則S2M=r2-r1,因d?l,三角形S1S2M可看作直角三角形。有r2-r1=dsinθ(令∠S2S1M=θ)①因?yàn)閤≈ltanθ≈lsinθ②2.干涉圖樣的獲得:光源發(fā)出的光經(jīng)濾光片成為單色光,單色光通過(guò)單縫后相當(dāng)于線光源,經(jīng)雙縫后產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉圖樣,通過(guò)屏可以觀察到明暗相間的干涉條紋,如果用白光通過(guò)雙縫可以觀察到彩色條紋。3.光的波長(zhǎng)的測(cè)量:若雙縫到屏的距離用l表示,雙縫間的距離用d表示,相鄰兩亮條紋間的距離用Δx表示,則入射光的波長(zhǎng)為λ=。實(shí)驗(yàn)中d是已知的,測(cè)出l、Δx即可測(cè)出光的波長(zhǎng)λ。4.測(cè)量Δx的方法:測(cè)量頭由分劃板、目鏡、手輪等構(gòu)成,如圖(a)所示,測(cè)量時(shí)先轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量頭,讓分劃板中心刻線與干涉條紋平行,然后轉(zhuǎn)動(dòng)手輪,使分劃板向左(或向右)移動(dòng)至分劃板的中心刻線與條紋的中心對(duì)齊,如圖(b)所示,記下此時(shí)讀數(shù)x1,再轉(zhuǎn)動(dòng)手輪,用同樣的方法測(cè)出n條亮條紋時(shí)的游標(biāo)卡尺讀數(shù)xn,則可求出相鄰兩亮條紋間的距離(a)(b)三、實(shí)驗(yàn)器材雙縫干涉儀,即光具座、光源、透鏡、濾光片、單縫、雙縫、撥桿、遮光管、毛玻璃屏、測(cè)量頭,另外還有學(xué)生電源、導(dǎo)線、刻度尺。四、實(shí)驗(yàn)操作1.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(dòng)雙縫座,使縫與水平面垂直。再裝好單縫管,使單縫與雙縫平行。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25cm。點(diǎn)亮燈泡,先把透鏡移近單縫,直至在單縫面上形成一放大的燈絲像,若燈絲的放大像不在單縫中心,則上下或左右調(diào)節(jié)燈泡,反復(fù)調(diào)節(jié)幾次,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(cè)量頭。在單縫管上裝上撥桿,邊觀察,邊調(diào)節(jié)單縫與雙縫平行,直至看到白光的干涉條紋最清晰,這時(shí)看到彩色干涉條紋的特征是:中央為一條白色亮條紋,稱為零級(jí)亮條紋;其余各級(jí)亮條紋都是彩色的,彩色條紋的排列以零級(jí)亮條紋為中心左右對(duì)稱。在第一級(jí)亮條紋中,紅色在最外側(cè)。5.測(cè)量單色光波長(zhǎng)時(shí),在單縫前面加上紅色或綠色濾光片即可看到紅黑相間的干涉條紋,再調(diào)節(jié)目鏡,就能同時(shí)清晰地看到分劃線和干涉條紋,然后繞光軸轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量頭,使分劃線與干涉條紋平行,固定好測(cè)量頭后即可進(jìn)行測(cè)量。6.先移動(dòng)測(cè)量頭上的手輪,把分劃板對(duì)準(zhǔn)最左邊的一條干涉亮條紋(或暗條紋),并記下它在游標(biāo)卡尺上的讀數(shù)x1,然后轉(zhuǎn)動(dòng)手輪,把分劃線移向右邊,并對(duì)準(zhǔn)第n條干涉亮條紋(或暗條紋)。這時(shí)游標(biāo)卡尺的讀數(shù)為xn,則相鄰兩條7.改變雙縫中心距離d,重復(fù)上面的步驟,再測(cè)一次。8.請(qǐng)自己設(shè)計(jì)表格,把測(cè)量數(shù)據(jù)記錄在表中,算出波長(zhǎng)并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。五、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中心軸線上,雙縫到單縫的距離應(yīng)相等。2.測(cè)雙縫到屏的距離l時(shí),用毫米刻度尺測(cè)多次取平均值。典例精講釋疑解惑【例題1】

(1)如圖(a)所示,在“用雙縫干涉測(cè)光的波長(zhǎng)”實(shí)驗(yàn)中,(a)光具座上放置的光學(xué)元件依次為①光源、②

、③

、④

、⑤遮光筒、⑥光屏。對(duì)于某種單色光,為增加相鄰亮條紋(暗條紋)間的距離,可采取___________________

或

的方法。

(2)轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量頭的手輪,使分劃板中心刻線對(duì)準(zhǔn)第1條亮條紋,讀出手輪的讀數(shù)如圖(b)所示。繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪,使分劃板中心刻線對(duì)準(zhǔn)第10條亮條紋,讀出手輪的讀數(shù)如圖(c)所示。則相鄰兩亮條紋的間距是

mm。

(b)(c)(3)如果已經(jīng)量得雙縫的間距是0.30mm、雙縫和光屏之間的距離是900mm,則待測(cè)光的波長(zhǎng)是

m(取三位有效數(shù)字)。

答案:(1)濾光片

單縫

雙縫

增大雙縫到光屏間的距離(或選用較長(zhǎng)的遮光筒)

換用雙縫之間距離較小的雙縫(2)1.610(3)5.37×10-7知,要增加相鄰亮條紋(或暗條紋)間的距離,可采取的辦法有:①增大雙縫到光屏間的距離(或選用較長(zhǎng)的遮光筒);②換用雙縫之間距離較小的雙縫。解答此題應(yīng)注意以下幾點(diǎn)(1)螺旋測(cè)微器的讀數(shù)方法,注意半格線是否露出?！纠}2】

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(a)所示的光具座上組裝成雙縫干涉裝置,用來(lái)測(cè)量紅光的波長(zhǎng)。(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。

(a)(2)本實(shí)驗(yàn)的步驟有: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用毫米刻度尺測(cè)量雙縫到屏的距離;④用測(cè)量頭(其讀數(shù)方法同螺旋測(cè)微器)測(cè)量數(shù)條亮條紋間的距離。在操作步驟②時(shí)除了注意單縫和雙縫間距為5~10cm,還應(yīng)注意

。

(3)將測(cè)量頭的分劃板中心刻線與某亮條紋中心對(duì)齊,將該亮條紋定為第1條亮條紋,此時(shí)手輪上的示數(shù)如圖(b)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條亮條紋中心對(duì)齊,記下此時(shí)圖(c)中手輪上的示數(shù)

mm,求得相鄰亮條紋的間距Δx為

mm。

(b)(c)(4)已知雙縫間距d為2.0×10-4m,測(cè)得雙縫到屏的距離l為0.700m,則所測(cè)紅光波長(zhǎng)為

nm。

答案:(1)E、D、B(2)使單縫與雙縫平行(3)13.870

2.310(4)660解析:(1)排列順序?yàn)镃、E、D、B、A。(2)操作步驟②時(shí)還要注意使單縫與雙縫平行。(3)圖(b)讀數(shù)為2

mm+32.0×0.01

mm=2.320

mm,圖(c)讀數(shù)為13.5

手輪的讀數(shù)誤區(qū)(1)手輪的讀數(shù)與螺旋測(cè)微器讀數(shù)相同,注意半格線是否露出,一定要估讀,注意有效數(shù)字的位數(shù)。(2)一個(gè)條紋間距是指兩相鄰亮(或暗)條紋中心的距離。隨堂練習(xí)1.(實(shí)驗(yàn)原理與操作)在“用雙縫干涉測(cè)量光的波長(zhǎng)”實(shí)驗(yàn)中(實(shí)驗(yàn)裝置如圖),下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(

)A.調(diào)節(jié)光源高度使光束沿遮光筒軸線照在屏中心時(shí),應(yīng)放上單縫和雙縫B.測(cè)量某條干涉亮條紋位置時(shí),應(yīng)使測(cè)量頭分劃板中心刻線與該亮條紋的中心對(duì)齊C.為了減小測(cè)量誤差,可用測(cè)量頭測(cè)出n條亮條紋間的距離a,求出相鄰兩條D.將濾光片放在單縫與雙縫之間不改變實(shí)驗(yàn)結(jié)果答案:A解析:調(diào)節(jié)光源高度使光束沿遮光筒軸線照在屏中心時(shí),不需放單縫和雙縫,故A錯(cuò)誤;測(cè)量某條干涉亮條紋位置時(shí),應(yīng)使測(cè)量頭分劃板中心刻線與該亮條紋的中心對(duì)齊,故B正確;n條亮條紋之間有n-1個(gè)間距,相鄰兩條亮條紋的間距Δx=,故C正確;根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理知D正確。2.(實(shí)驗(yàn)原理與操作)(多選)利用如圖所示裝置研究雙縫干涉現(xiàn)象并測(cè)量光的波長(zhǎng)時(shí),有下面幾種說(shuō)法,其中正確的是(

)A.實(shí)驗(yàn)裝置中的①②③元件分別為濾光片、單縫、雙縫B.將濾光片由紫色的換成紅色的,干涉條紋間距變寬C.將單縫向雙縫移動(dòng)一小段距離后,干涉條紋間距變寬D.測(cè)量過(guò)程中,把5個(gè)條紋間距數(shù)成6個(gè),導(dǎo)致波長(zhǎng)測(cè)量值偏小答案:ABD3.(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理)在“用雙縫干涉測(cè)量光的波長(zhǎng)”的實(shí)驗(yàn)中,裝置如圖(a)所示。雙縫間的距離d=3mm。(a)若測(cè)量紅光的波長(zhǎng),選用紅色的濾光片,實(shí)驗(yàn)中測(cè)得雙縫與屏之間的距離為0.70m,通過(guò)測(cè)量頭(與螺旋測(cè)微器原理相似,手輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周,分劃板前進(jìn)或后退0.500mm)觀察第1條亮條紋的位置如圖(b)甲所示,其讀數(shù)為

mm;觀察第5條亮條紋的位置如圖(b)乙所示,其讀數(shù)為

mm。則可求出紅光的波長(zhǎng)λ=

m。

(b)答案:0

0.640

6.86×10-7解析:由測(cè)量頭的數(shù)據(jù)可知a1=0,a2=0.640

mm,4.(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理)在“用雙縫干涉測(cè)量光的波長(zhǎng)”實(shí)驗(yàn)中,選用紅色濾光片和間距為0.20mm的雙縫,雙縫與屏的距離為600mm。某同學(xué)