高中物理 第十三章 光（第3课时）光的干涉 实验用双缝干涉测量光的波长教师用书 新人教版选修

系统掌握蕴含其中的马克思主义立场观点方法，要在系统学习、深刻领会、科学把握习近平教育思想上下功夫。精心组织开展学习宣传贯彻习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神知识问答活动。第3课时光的干涉实验：用双缝干涉测量光的波长研究学考把握考情知识内容光的干涉实验：用双缝干涉测量光的波长考试要求加试c教学要求1.知道杨氏双缝干涉实验，以及它对认识光的本性的意义2知道光的干涉条件，知道杨氏双缝干涉实验设计的巧妙之处3了解干涉条件的特点4理解明、暗条纹产生的条件5了解实验装置，知道实验原理及需要测量的物理量6知道测量头的使用方法，会测量明条纹的间距7知道滤光片和遮光筒的作用，理解实验中为了满足干涉条件所采用的方法8知道获得理想干涉条纹的实验操作要求9会用控制变量的方法，分别研究光的颜色、双缝距离和双缝与屏之间距离等与条纹间距的关系10会设计实验数据记录表并记录数据11会根据给出的波长表达式计算不同颜色光的波长12会用光传感器做双缝干涉实验13经历实验过程，体会条纹间距测量时的实验方法说明1.不要求定量计算以双缝干涉为背景的问题 2不要求推导相邻两个明条纹或暗条纹中心间的计算公式基 础 梳 理11801年，英国物理学家托马斯杨成功地观察到了光的干涉现象。2双缝干涉的装置示意图图1实验装置如图1所示，有光源、单缝、双缝和光屏。(1)单缝的作用：获得一个线光源，使光源有唯一的频率和振动情况。也可用激光直接照射双缝。(2)双缝的作用：一束光被分成两束频率相同和振动情况完全一致的相干光。3让一束单色光投射到一个有两条狭缝S1和S2的挡板上，狭缝S1和S2相距很近，狭缝就成了两个波源，它们的频率、相位和振动方向总是相同的。这两个波源发出的光在挡板后面的空间互相叠加，发生干涉现象，挡板后面的屏上得到明暗相间的条纹。这种现象证明光是一种波。要 点 精 讲1产生干涉的条件：两列光的频率相同、相位相同、振动方向相同。本实验中是靠“一分为二”的方法获得两个相干光源的。2干涉图样(1)若用单色光作光源，则干涉条纹是等间距的明暗相间的条纹。(2)若用白光作光源，则干涉条纹是彩色条纹，且中间条纹是白色的。3实验结论：证明光是一种波。【例1】 在双缝干涉实验中，以白光为光源，在屏幕上观察到了彩色干涉条纹，若在双缝中的一缝前放一红色滤光片(只能透过红光)，另一缝前放一绿色滤光片(只能透过绿光)，已知红光与绿光频率、波长均不相等，这时()A只有红色和绿色的双缝干涉条纹，其他颜色的双缝干涉条纹消失B红色和绿色的双缝干涉条纹消失，其他颜色的干涉条纹依然存在C任何颜色的双缝干涉条纹都不存在，但屏上仍有光亮D屏上无任何光亮解析分别用绿色滤光片和红色滤光片挡住两条缝后，红光和绿光频率不等，不能发生干涉，因此屏上不会出现干涉条纹，但仍有光亮。答案C基 础 梳 理当两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长的偶数倍时(即恰好等于波长的整数倍时)，两列光在这点相互加强，这里出现亮条纹；当两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长的奇数倍时，两列光在这点相互削弱，这里出现暗条纹。要 点 精 讲1屏上某处出现亮、暗条纹的条件图2实验装置如图2所示，双缝S1、S2之间的距离为d，双缝到屏的距离为l，屏上的一点P到双缝的距离分别为r1和r2，路程差rr2r1。(1)若满足路程差为波长的整数倍，即rk(其中k0,1,2,3，)，则出现亮条纹。(2)若满足路程差为半波长的奇数倍，即r(2k1)(其中k0,1,2,3，)，则出现暗条纹。2相邻亮条纹(暗条纹)间的距离x与波长的关系：x，其中l为双缝到屏的距离，d为双缝之间的距离。【例2】 用波长为的单色光照射单缝O，经过双缝M、N在屏上产生明暗相间的干涉条纹，如图3所示，图中a、b、c、d、e为相邻亮条纹的位置，c为中央亮条纹，则()图3AO到达a、b的路程差为零BM、N到达b的路程差为CO到达a、c的路程差为4DM、N到达e的路程差为2解析振动方向一致的两光源在空间发生干涉，得到亮条纹的条件满足rk(k0,1,2,3)。答案BD要 点 精 讲操作指要1双缝干涉仪是比较精密的实验仪器，不要随便拆分遮光筒、测量头等元件。2滤光片、单缝、双缝、目镜等会粘附灰尘，只能用擦镜纸轻轻擦拭，不要用其他物品擦拭或口吹气除尘。3注意调节光源、滤光片、单缝、双缝的中心均在遮光筒的中心轴线上，并使单缝、双缝平行且竖直。4光源使用线状长丝灯泡，调节时使之与单缝平行且靠近。测量头原理1测量头由分划板、目镜、手轮构成，转动手轮，分划板会左右移动，测量时，应使分划板中心与条纹中心对齐，记下此时手轮上的读数，然后转动测量头，使分划板中心与另一条纹中心对比，再次记下手轮上读数。两次读数之差表示这两个条纹间距离。(如图4甲、乙所示)图42为减小误差，利用“累积法”测n条亮纹间距，再求x求得相邻条纹间距离。3注意测量头读数时的有效数字。【例3】 在“用双缝干涉测量光的波长”的实验中，装置如图5所示。双缝间的距离d3 mm。图5(1)若测量红光的波长，应选用_色的滤光片。实验时需要测定的物理量有_和_。(2)若测得双缝与屏之间的距离为0.70 m，通过测量头(与螺旋测微器原理相似，手轮转动一周，分划板前进或后退0.500 mm)观察第1条亮条纹的位置如图6甲所示，观察第5条亮条纹的位置如图乙所示。则可求出红光的波长_ m。图6解析(1)要测量红光的波长，应用红色滤光片。由x可知要想测必须测定双缝到屏的距离l和条纹间距x。(2)由测量头的数据可知a10，a20.640 mm，所以x mm1.60104 m， m6.86107 m。答案见解析1关于杨氏双缝干涉实验，下列说法正确的是()A用白光作为光源，屏上将呈现黑白相间的条纹B用红光作为光源，屏上将呈现红黑相间的条纹C若仅将入射光由红光改为紫光，则条纹间距一定变大D用红光照射一条狭缝，用紫光照射另一条狭缝，屏上将呈现彩色条纹解析用白光做杨氏双缝干涉实验，屏上将呈现彩色条纹，A错；用红光作为光源，屏上将呈现红色亮条纹与暗条纹(即黑条纹)相间，B对；变小，x变小，C错；红光和紫光频率不同，不能产生干涉条纹，D错。答案B2在双缝干涉实验中，双缝到光屏上P点的距离之差为0.6 m，若分别用频率为f15.01014 Hz和f27.51014 Hz的单色光垂直照射双缝，则P点现出明、暗条纹的情况是()A用单色光f1和f2分别照射时，均出现明条纹B用单色光f1和f2分别照射时，均出现暗条纹C用单色光f1照射时出现明条纹，单色光f2照射时出现暗条纹D用单色光f1照射时出现暗条纹，单色光f2照射时出现明条纹解析单色光f1的波长：1 m0.6106 m0.6 m。单色光f2的波长：2 m0.4106 m0.4 m。因P点到双缝的距离之差x0.6 m1，所以用单色光f1照射时P点出现亮条纹。x0.6 m2，所以用单色光f2照射时P点出现暗条纹，故选项C正确。答案C3如图7所示，用单色光做双缝干涉实验，P处为第二条暗条纹，改用频率较低的单色光重做上述实验(其他条件不变)时，则同侧第二条暗条纹的位置()图7A仍在P处B在P点上方C在P点下方D要将屏向双缝方向移近一些才能看到解析由知f变小，变大。若出现第二条暗条纹，则P到双缝的光程差r，当变大时，r也要变大，故第二条暗条纹的位置向上移，在P点上方，B正确。答案B4在“用双缝干涉测量光的波长”的实验中，若已知双缝间的距离d。(1)若测定绿光的波长，应选用_色的滤光片。实验时需要测定的物理量有_和_。(2)已知双缝到光屏之间的距离L500 mm，双缝之间的距离d0.50 mm，单缝到双缝之间的距离s100 mm，某同学在用测量头测量时，调整手轮，在测量头目镜中先看到分划板中心刻线对准A条亮纹的中心，然后他继续转动，使分划板中心刻线对准B条亮纹的中心，前后两次游标卡尺的读数如图8所示。则入射光的波长_m(结果保留两位有效数字)。图8(3)实验中发现条纹太密，难以测量，可以采用的改善办法有_。A改用波长较长的光(如红光)作为入射光B增大双缝到屏的距离C增大双缝到单缝的距离D增大双缝间距解析(1)由于测量绿光的波长，因此应用绿色滤光片。由x可知要想测必须测定双缝到屏的距离l和条纹间距x。(2)游标卡尺读数精确度为0.1 mm，A位置主尺读数为11 mm，游标尺读数为1，读数为x111 mm10.1 mm11.1 mm，同理B位置读数为x215.6 mm，则条纹间距x0.64 mm，利用x6.4107 m。(3)由x可知，要增大条纹间距，可用波长更长的入射光或增大双缝到屏的距离，故选项A、B正确。答案(1)绿双缝到屏的距离相邻条纹间距(2)6.4107(3)AB选择题(在每小题给出的四个备选项中至少有一个是符合题目要求的。)1用两个红灯泡照射白墙，在墙上看到的是()A明暗相间的条纹 B彩色条纹C一片红光 D晃动的条纹解析两灯泡不是相干光源故现象为C。答案C2下列关于双缝干涉实验的说法中，正确的是()A单缝的作用是获得频率保持不变的相干光源B双缝的作用是获得两个振动情况相同的相干光源C光屏上相距两缝的路程差等于半波长的整数倍处出现暗条纹D照射单缝的单色光的频率越高，光屏上出现的条纹宽度越宽解析单缝的作用是产生一个线光源，两个频率相同的光源称为相干光源，选项A错误；双缝的作用是产生两个频率相同、振动情况相同的相干光源，选项B正确；路程差等于半波长奇数倍处出现暗条纹，选项C错误；频率越高，波长越短，条纹宽度越窄，选项D错误。答案B3用a、b两种单色光分别照射同一双缝干涉装置，在距双缝恒定距离的屏上得到如图1所示的干涉图样，其中图甲是a光照射形成的，图乙是b光照射形成的，则关于a、b两束单色光，下列说法中正确的是()图1Aa光的频率比b光的大B在水中a光传播的速度比b光的大C水对a光的折射率比b光的大Db光的波长比a光的短解析从题图可以看出，a光的条纹间距小，说明a光的波长小，频率大，选项D错误，A正确；水对频率低的单色光的折射率小，即水对b光的折射率小，选项C正确；折射率小的光在水中的传播速度大，即b光在水中的传播速度大，选项B错误。答案AC4一束白光通过双缝后在屏上观察到干涉条纹，除中央白色条纹外，两侧还有彩色条纹，其原因是()A各色光的波长不同，因而各色光分别产生的干涉条纹间距不同B各色光的速度不同，造成条纹的间距不同C各色光的强度不同，造成条纹的间距不同D各色光通过双缝到达一确定点的距离不同解析各色光的频率不同，波长不同，在屏上得到的干涉条纹的宽度不同，各种颜色的条纹相间得到彩色条纹。答案A5用单色光做双缝干涉实验时()A屏上到双缝的路(光)程差等于波长整数倍处出现明条纹B屏上到双缝的路(光)程差等于半波长整数倍处，可能是明条纹，也可能是暗条纹C屏上的明条纹一定是两列光波的波峰与波峰相遇的地方D屏上的明条纹是两列光波的波峰与波谷相遇的地方解析在双缝干涉实验中，屏上到双缝的路(光)程差等于波长整数倍处出现明条纹，是振动加强处，不一定是两列光波的波峰与波峰相遇的地方，A选项正确，C选项错误；屏上到双缝的路(光)程差等于半波长整数倍处，可能是半波长的奇数倍(暗条纹)，也可能是半波长的偶数倍(明条纹)，B选项正确；两列光波的波峰与波谷相遇的地方，应是暗条纹，D选项错误。答案AB6用绿光做双缝干涉实验，在光屏上呈现出绿、暗相间的条纹，相邻两条绿条纹间的距离为x。下列说法中正确的有()A如果增大单缝到双缝间的距离，x将增大B如果增大双缝之间的距离，x将增大C如果增大双缝到光屏之间的距离，x将增大D如果换成红光做实验，实验装置不变，x将增大解析根据公式x可以判断出越大则条纹间距越大，而红光的波长大于绿光的波长，因此D正确；d增大则x减小，因此B错；l增大则x增大，因此C正确，而单缝到双缝的距离不影响条纹间距，因此A错。答案CD7如图2所示，在双缝干涉实验中，若单缝S从双缝S1、S2的中央对称轴位置处稍微向上移动，则()图2A不再产生干涉条纹B仍可产生干涉条纹，其中央亮条纹P的位置不变C仍可产生干涉条纹，其中央亮条纹P的位置略向上移D仍可产生干涉条纹，其中央亮条纹P的位置略向下移解析本实验中单缝S的作用是形成频率一定的线光源，双缝S1、S2的作用是形成相干光源，稍微移动S后，没有改变传到双缝的光的频率，因此S1、S2射出的仍是相干光，则单缝S发出的光到达屏上P点下方某点的光程差为零，故中央亮纹下移。答案D8双缝干涉实验装置如图3所示，绿光通过单缝S后，投射到有双缝的挡板上，双缝S1和S2与单缝S的距离相等，光通过双缝后在与双缝平行的屏上形成干涉条纹。屏上O点距双缝S1和S2的距离相等，P点是距O点的第一条亮条纹，如果将入射的单色光换成红光或蓝光，已知红光波长大于绿光波长，绿光波长大于蓝光波长，则下列说法正确的是()图3AO点是红光的亮条纹B红光的第一条亮条纹在P点的上方CO点不是蓝光的亮条纹D蓝光的第一条亮条纹在P点的上方解析由于O点到双缝的光程差为零，所以为各种色光的亮条纹，A正确；P点由于是绿光的第一条亮条纹，红光的波长大于绿光的波长，红光的条纹间距大于绿光的条纹间距，因此B正确；同理可知，C、D错误。答案AB9某同学用单色光进行双缝干涉实验，在屏上观察到如图4甲所示的条纹，仅改变一个实验条件后，观察到的条纹如图乙所示。他改变的实验条件可能是()图4A减小光源到单缝的距离B减小双缝之间的距离C减小双缝到光屏之间的距离D换用频率更高的单色光源解析改变条件后亮条纹之间的间距变大，由公式x可知，要使x增大，可增大双缝到光屏之间的距离l，C错；减小双缝之间的距离d，B对；换用波长更长，即频率更低的单色光，D错；改变光源到单缝的距离不会改变x，A错。答案B10某同学在做双缝干涉实验时，按装置图安装好实验装置，在光屏上却观察不到干涉图样