高中物理 133.4 光的干涉 实验 用双缝干涉测量光的波长课件 新人教版选修34.ppt

4实验 用双缝干涉测量光的波长 3光的干涉 1 知道光的干涉现象 知道光是一种波 2 理解杨氏干涉实验中亮暗条纹产生的原因 认识干涉条纹的特征 3 了解相干光源 掌握产生干涉的条件 4 了解双缝干涉测量光的波长的实验原理 5 观察白光及单色光的干涉图样 6 能够利用双缝干涉实验测量单色光的波长 1801年 英国物理学家 成功地观察到了光的干涉现象 开始让人们认识到光的波动性 1 实验过程 让一束平行的 的单色光投射到一个有两条狭缝的挡板上 两狭缝相距很近 两狭缝就成了两个波源 它们的频率 相位和振动方向总是 的 两个光源发出的光在挡板后面的空间互相叠加发生 一 杨氏干涉实验 物理史实 托马斯 杨 双缝干涉实验 完全相同 相同 干涉 2 实验现象 在屏上得到 的条纹 3 实验结论 证明光是一种 4 光的干涉若两列光波在空间传播时相遇 将在相遇区域发生 如果在某些区域相互 某些区域相互 且加强区域和减弱区域是相互 的 这种现象称为光的干涉现象 5 干涉的条件 产生干涉现象的两列光波必须具有相同的 而且相差恒定 相干光源 发出的光能够产生干涉的两个光源 明暗相间 叠加 加强 减弱 间隔 频率 波的 波 实验解释 当双缝与屏上某点的距离之差等于半波长的 时 即恰好等于波长的 时 两列光在这点相互加强 这里出现 当双缝与屏上某点的距离之差等于半波长的 时 两列光在这点 这里出现暗条纹 这也是出现明暗条纹的条件 二 决定条纹间距的条件 三 用双缝干涉测量光的波长 实验目的 1 观察白光及单色光的双缝干涉图样 2 测定单色光的波长 偶数倍 整数倍 亮条纹 奇数倍 相互减弱 实验原理 利用公式 x x指 l指 d指 实验装置 如图13 3 4 1所示 暗条纹间距离 双缝离屏距离 双缝间距离 相邻明条纹或相邻 图13 3 4 1 一 杨氏双缝干涉实验原理透析 双缝干涉的装置示意图实验装置如图13 3 4 2所示 有光源 单缝 双缝和光屏 图13 3 4 2 单缝屏的作用 获得一个线光源 使光源有唯一的频率和振动情况 如果用激光直接照射双缝 可省去单缝屏 杨氏那时没有激光 因此他用强光照射一条狭缝 通过这条狭缝的光再通过双缝产生相干光 双缝屏的作用 平行光照射到单缝s上 又照射到双缝s1 s2上 这样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 频率相同的两列波在同一点引起的振动的叠加 如亮条纹处某点同时参与的两个振动步调总是一致 即振动方向总是相同 暗条纹处振动步调总相反 具体产生亮 暗条纹的条件为 屏上某处出现亮 暗条纹的条件 1 亮条纹的条件 屏上某点p到两条缝s1和s2的路程差正好是波长的整数倍或半波长的偶数倍 即 k 0时 ps1 ps2 此时p点位于屏上的o处 为亮条纹 此处的条纹叫中央亮条纹或零级亮条纹 k为亮条纹的级次 2 暗条纹的条件 屏上某点p到两条缝s1和s2的路程差正好是半波长的奇数倍 即 k为暗条纹的级次 从第1级暗条纹开始向两侧展开 3 时间上的关系 亮条纹 t nt n 0 1 2 3 若用单色光作光源 则干涉条纹是明暗相间的条纹 且条纹间距相等 中央为亮条纹 两相邻亮条纹 或暗条纹 间距离与光的波长有关 波长越大 条纹间距越大 二 双缝干涉图样的特点 单色光的干涉图样 白光的干涉图样 如图13 3 4 3所示 图13 3 4 3 若用白光作光源 则干涉条纹是彩色条纹 且中央条纹是白色的 这是因为 1 从双缝射出的两列光波中 各种色光都能形成明暗相间的条纹 各种色光都在中央条纹处形成亮条纹 从而复合成白色条纹 2 两侧条纹间距与各色光的 波长成正比 即红光的亮条纹间距宽度最大 紫光的亮条纹间距宽度最小 即除中央条纹以外的其他条纹不能完全重合 这样便形成了彩色干涉条纹 特别提醒用白光做干涉实验 从红光到紫光其波长由大到小 它们的干涉条纹间距也是从大到小 屏中央各色光都得到加强 混合成白色 但两侧因条纹间距不同而分开成彩色 而且同一级条纹内紫外红 实验目的 1 观察白光及单色光的双缝干涉图样 2 测定单色光的波长实验原理 1 光源发出的光经滤光片成为单色光 单色光通过单缝后相当于线光源 经双缝产生稳定的干涉图样 通过屏可以观察到明暗相间的干涉条纹 如果用白光通过双缝可以观察到彩色条纹 三 用双缝干涉测波长 实验器材 光具座 光源 滤光片 单缝 双缝 遮光筒 毛玻璃屏 测量头 学生电源 导线 刻度尺 1 观察双缝干涉图样 将光源 遮光筒 毛玻璃光屏依次安放在光具座上 如图13 3 4 4所示 实验过程 图13 3 4 4 接好光源 打开开关 使灯丝正常发光 调节各器件的高度 使光源灯丝发出的光能沿轴线到达光屏 安装双缝和单缝 中心大致位于遮光筒的轴线上 使双缝与单缝平行 二者间距约为5 10cm 这时可观察到白光的干涉条纹 在单缝和光源间放上滤光片 观察单色光的干涉条纹 2 测定单色光的波长 安装测量头 调节至可清晰观察到干涉条纹 图13 3 4 5 用刻度尺测量双缝到光屏的距离l d是已知的 重复测量 计算 求出波长的平均值 换用不同的滤光片 重复实验 3 数据处理 换用不同颜色的滤光片 观察干涉图样的异同 并求出相应的波长 4 误差分析实验中的双缝间距d是器材本身给出的 因此本实验要注意l和 x的测量 光波的波长很小 l x的测量对波长的影响很大 l的测量 l用毫米刻度尺测量 如果可能 可多次测量求平均值 条纹间距 x的测定 5 注意事项 双缝干涉仪是比较精密的实验仪器 要轻拿轻放 不要随便拆分遮光筒 测量头等元件 安装时 要保证光源 滤光片 单缝 双缝和光屏的中心在同一条轴线上 并使单缝 双缝平行且竖直 光源使用线状长丝灯泡 调节时使之与单缝平行且靠近 实验中会出现屏上的光很弱的情况 主要是灯丝 单缝 双缝 测量头与遮光筒不共轴所致 干涉条纹是否清晰与单缝和双缝是否平行有关系 做一做 教材p55 点拨用刀刃刻上的细缝成为双缝 用它观察白炽灯的灯丝时 灯发出的白光由七种不同的光组成 七色光各自干涉条纹间距不同 在屏上的单色光加强的位置不同 于是就看到了彩色条纹 距灯越近通过缝的光的能量越大 条纹越清晰 教材资料分析 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 典例1 光发生干涉的条件 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两列光波发生干涉的条件之一是频率相等 利用双缝将一束光分成能够发生叠加的两束光 在光屏上形成干涉条纹 但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 但仍有红光和绿光的衍射图样 答案c借题发挥明确两列光波发生干涉的条件 知道不同色光的频率不同 是对此类问题做出正确判断的关键 该知识点必须记住 两盏普通白炽灯发出的光相遇时 观察不到干涉条纹 这是因为 a 两盏灯亮度不同b 灯光的波长太短c 两盏灯灯光的振动情况不同d 电灯发出的光不稳定解析答案c 变式1 如图13 3 4 6所示是双缝干涉实验装置 使用波长为600nm的橙色光源照射单缝s 在光屏中央p处观察到亮条纹 在位于p点上方的p1点出现第一条亮条纹中心 即p1到s1 s2的光程差为一个波长 现换用波长为400mm的紫光源照射单缝 则 明 暗条纹的判断 典例2 图13 3 4 6 a p和p1仍为亮点b p为亮点 p1为暗点c p为暗点 p1为亮点d p p1均为暗点解析从单缝s射出的光波被s1 s2两缝分成两束相干光 由题意知屏中央p点到s1 s2距离相等 即分别由s1 s2射出的光到p点的路程差为零 因此是亮条纹中心 因而 无论入射光是什么颜色的光 波长多大 p点都是中央亮条纹中心 而分别由s1 s2射出的光到p1点的路程差刚好是橙光的一个波长 即 p1s1 p1s2 600nm 橙 则两列光波到达p1点振动情况完全一致 振动得到加强 因此 出现亮条纹 当换用波长为400nm的紫光时 p1s1 p1s2 600nm 答案b借题发挥判断屏上某点为亮条纹还是暗条纹 要看该点到两个光源 双缝 的路程差 光程差 与波长的比值 要记住光程差等于波长整数倍处出现亮条纹 等于半波长奇数倍处为暗条纹 还要注意这一结论成立的条件是 两个光源情况完全相同 如图13 3 4 7所示 用频率为f的单色光 激光 垂直照射双缝 在光屏的p点出现第3条暗条纹 已知光速为c 则p到双缝s1 s2的距离之差 r1 r2 应为 答案d 变式2 图13 3 4 7 现有毛玻璃屏a 双缝b 白光光源c 单缝d和透红光的滤光片e等光学元件 要把它们放在图13 3 4 8所示的光具座上组装成双缝干涉装置 用以测量红光的波长 1 将白光光源c放在光具座最左端 依次放置其他光学元件 由左至右 表示各光学元件的字母排列顺序应为c a 典例3 用双缝干涉测光的波长 图13 3 4 8 2 本实验的步骤有 取下遮光筒左侧的元件 调节光源高度 使光束能直接沿遮光筒轴线把屏照亮 按合理顺序在光具座上放置各光学元件 并使各元件的中心位于遮光筒的轴线上 用米尺测量双缝到屏的距离 用测量头 其读数方法同螺旋测微器 测量数条亮纹间的距离 在操作步骤 时还应注意 3 将测量头的分划板中心刻线与某亮纹中心对齐 将该亮纹定为第1条亮纹 此时手轮上的示数如图13 3 4 9甲所示 然后同方向转动测量头 使分划板中心刻线与第6条亮纹中心对齐 记下此时图13 3 4 9乙中手轮上的示数 mm 求得相邻亮纹的间距 x为 mm 图13 3 4 9 4 已知双缝间距d为2 0 10 4m 测得双缝到屏的距离l为0 700m 由计算式 求得所测红光波长为 nm 解析 1 滤光片e是从白光中选出单色红光 单缝屏是获取线光源 双缝屏是获得相干光源 最后成像在毛玻璃屏 所以排列顺序为 c e d b a 2 在操作步骤 时应注意的事项有 放置单缝 双缝时 必须使缝平行 单缝 双缝间距离大约为5 10cm 要保证光源 滤光片 单缝 双缝和光屏的中心在同一轴线上 答案 1 e d b 2 放置单缝 双缝时 必须使缝平行 单缝 双缝间距离大约为5 10cm 要保证光源 滤光片 单缝 双缝和光屏的中心在同一轴线上 利用图13 3 4 10中装置研究双缝干涉现象时 下面几种说法 a 将屏移近双缝 干涉条纹间距变窄b 将滤光片由蓝色的换成红色的 干涉条纹间距变宽c 将单缝向双缝移动一小段距离后 干涉条纹间距变宽d 换一个双缝之间距离较大的双缝 干涉条纹间距变窄e 去掉滤光片后 干涉现象消失其中正确的是 变式3 图13 3 4 10 答案abd 一束红光射向一块有双缝的不透光的薄板 在薄板后的光屏上呈现明 暗相间的干涉条纹 现将其中一条窄缝挡住 让这束红光只通过一条窄缝 则在光屏上可以看到 a 与原来相同的明暗相间的条纹 只是明条纹比原来暗些b 与原来不相同的明暗相间的条纹 而中央明条纹变宽些c 只有一条与缝宽对应的明条纹d 无条纹 只存在一片红光 光发生干涉的条件 1 解析双缝为相干光源的干涉 单缝为光的衍射 且干涉和衍射的图样不同 衍射图样和干涉图样的异同点 中央都出现明条纹 但衍射图样中央明条纹较宽 两侧都出现明暗相间的条纹 干涉图样为等间隔的明暗相间的条纹 而衍射图样两侧为不等间隔的明暗相间的条纹 且亮度迅速减弱 所以本题正确选项为b 答案b 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f1 5 0 1014hz和f2 7 5 1014hz的单色光垂直照射双缝 则p点出现明 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 明 暗条纹的判断 2 答案c 2013 潍坊高二检测 在 用双缝干涉测光的波长 实验中 将双缝干涉实验仪按要求安装在光具座上 如图13 3 4 11甲所示 并选用缝间距d 0 2mm的双缝屏 从仪器注明的规格可知 像屏与双缝屏间的距离l 700mm 然后 接通电源使光源正常工作 用双缝干涉测光的波长