高中物理 第五章 光的波动性 5.2 学生实验：用双缝干涉测光的波长学案 教科版选修3-4.doc

学生实验：用双缝干涉测量光的波长 学习目标1.了解用双缝干涉测量光的波长的实验原理.2.知道影响干涉条纹间距的因素.3.观察白光及单色光的干涉图样.4.能够利用双缝干涉实验测量单色光的波长知识探究一、实验原理1观察干涉图样：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一个线光源，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2测量光的波长：由公式x可知，在双缝干涉实验中，d是双缝间距，是已知的；l是双缝到屏的距离，可以测出那么，只要测出相邻两亮条纹(或相邻两暗条纹)中心间距x，即可由公式x计算出单色光波长的大小二、实验步骤(如图1所示为安装仪器示意图)图11把遮光管架在支架环上，其轴线与光具座的导轨基本平行2在遮光管的一端装上双缝，并转动双缝座，使双缝与水平面垂直再装好单缝管3让灯泡灯丝及透镜中心与单缝中心等高灯丝与单缝之间的距离约为25 cm.点亮灯泡，上下或左右调节灯泡，使灯丝的放大像及缩小像均成在单缝中心4在遮光管的另一端装上测量头在单缝管上装上拨杆，边观察，边左右移动拨杆，以调节单缝与双缝平行，直至看到白光的干涉条纹最清晰5测量单色光波长时，在单缝前面加上红色或绿色滤光片即可看到红黑相间或绿黑相间的干涉条纹，再调节目镜，就能同时清晰地看到分划线和干涉条纹，然后绕光轴转动测量头，使分划线与干涉条纹平行，固定好测量头后即可进行测量6先移动测量头上的手轮，把分划线对准最左边的一条干涉亮条纹或者暗条纹，并记下它在游标尺上的读数x1，然后转动手轮，把分划线移向右边，并对准第n条(一般n可取7左右)干涉亮条纹或暗条纹，这时游标尺的读数为xn，则相邻两条亮条纹或暗条纹之间的距离为x.待测的光波波长为：.式中d为双缝中心距离，其数值刻在双缝座上，一块为0.250 mm，另一块为0.200 mm.l为双缝至光屏(即分划板)之间的距离，当遮光管未接长管时，l600 mm；当遮光管接上长管后，l700 mm.7改变双缝间的距离d，重复上面步骤，再测量一次三、注意事项1单缝、双缝应相互平行，其中心大致位于遮光筒的中心轴线上，双缝到单缝的距离应相等2测双缝到屏的距离l时用毫米刻度尺多次测量取平均值3测条纹间距x时，用测量头测出n条亮条纹间的距离a，求出相邻两条亮条纹间的距离x.四、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x的测量光波的波长很小，x的测量对波长的影响很大x利用测量头测量可利用“累积法”测n条亮条纹间的距离a，再求x，并且采用多次测量求x的平均值的方法进一步减小误差例题分析例1如图2所示的双缝干涉实验，用绿光照射单缝s时，在光屏p上观察到干涉条纹要得到相邻条纹间距更大的干涉图样，可以(红绿紫)()图2a增大s1与s2的间距b减小双缝屏到光屏的距离c将绿光换为红光d将绿光换为紫光解析在双缝干涉实验中，相邻两个亮条纹(或暗条纹)间的中心间距x，要想增大条纹间距，可以减小两缝间距d，或者增大双缝屏到光屏的距离l，或者换用波长更长的光做实验由此可知，选项c正确，选项a、b、d错误答案c例2在“用双缝干涉测量光的波长”的实验中，装置如图3所示双缝间的距离d3 mm.图3(1)若测定红光的波长，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4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4解析(1)由于测量红光的波长，因此用红色滤光片由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.答案见解析例3在双缝干涉实验中，一钠灯发出的波长为589 nm的光，在距双缝1.00 m的屏上形成干涉图样图样上相邻两明纹中心间距为0.350 cm，则双缝的间距为()a2.06107mb2.06104mc1.68104md1.68103m解析在双缝干涉实验中，相邻明条纹间距x、双缝间距d与双缝到屏的距离l间的关系为x，则双缝间距d m1.68104m.答案c 课时作业1某同学按双缝干涉实验装置安装好仪器后，观察光的干涉现象，获得成功若他在此基础上对仪器的安装做如下改动，仍能使实验成功的是()a将遮光筒内的光屏向靠近双缝的方向移动少许，其他不动b将滤光片移至单缝和双缝之间，其他不动c将单缝向双缝移动少许，其他不动d将单缝与双缝的位置互换，其他不动答案abc解析由x知，改变双缝到光屏的距离l仍能得到清晰条纹，只不过条纹间距变化，故a正确单缝与双缝间的距离对干涉无影响，故c正确滤光片的作用是得到相干单色光，装在单缝前还是在单、双缝之间不影响干涉，故b正确2在双缝干涉实验中，以下说法正确的是()a双缝屏的作用是使入射光到达双缝屏时，双缝就成了两个振动情况完全相同的光源b若入射光是白光，则像屏上的条纹是黑白相间的干涉条纹c像屏上某点到双缝的路程差为入射光波长的1.5倍时，该点处一定是亮条纹d双缝干涉中相邻亮条纹之间的距离与相邻暗条纹之间的距离不相等答案a解析分光法获得相干光，所以a正确；白光的干涉条纹是彩色的，不是黑白相间的，b错；像屏上某点到双缝的路程差为波长的1.5倍时，该处应是暗条纹，c错；相邻亮条纹间距等于相邻暗条纹间距，d错3在利用测量头测量条纹宽度时，最好应使分划板中心刻线()a与亮条纹的边缘线对齐 b与暗条纹的边缘线对齐c与亮条纹的中心位置对齐 d与暗条纹的中心位置对齐答案c解析相邻两亮条纹的间距是指相邻两亮条纹中心的间距4用单色光做双缝干涉实验，在光屏上某点p，从中央o点开始计数，p点恰为第三条亮条纹，现改用频率较高的单色光照射，其他的条件不变，那么()ap处仍为第三条亮条纹bp处可能是第四条亮条纹cp处可能是第二条亮条纹d若将光屏向双缝移近一些，在p处可能看到第二条亮条纹答案b解析频率高，则波长短，双缝到p点光程差不变，故a、c错，b对；若将光屏向双缝移近一些，条纹间距变小，故d错5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，要把它们放在如图1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图1(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.(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；用刻度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)测量数条亮条纹间的距离. 在操作步骤时还应注意：_和_(3)将测量头的分划板中心刻线与某亮条纹中心对齐，将该亮条纹定为第1条亮条纹，此时手轮上的示数如图2甲所示然后同方向转动测量头，使分划板中心刻线与第6条亮条纹中心对齐，记下此时图乙中手轮上的示数为_ mm，求得相邻亮条纹的间距x为_ mm.图2(4)已知双缝间距d为2.0104 m，测得双缝到屏的距离l为0.700 m，由计算式_，求得所测红光的波长为_ nm.答案(1)edb(2)放置单缝、双缝时，必须使缝平行单缝、双缝间距离大约为510 cm(3)13.8702.310(4)660解析(1)滤光片e是从白光中选出单色红光，单缝屏d是获得线光源，双缝屏b是获得相干光源，最后成像在毛玻璃屏a上所以排列顺序为：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510 cm；要保证光源、滤光片、单缝、双缝和光屏的中心在同一轴线上(3)螺旋测微器的读数应该：先读整数刻度，然后看半刻度是否露出，最后看可动刻度，图乙读数为13.870 mm，图甲读数为2.320 mm，所以相邻亮条纹间距x mm2.310 mm.(4)由条纹间距公式x得：代入数值得：6.6107 m660 nm.6在“用双缝干涉测量光的波长”实验中，将双缝干涉实验仪按要求安装在光具座上(如图3甲)，并选用缝间距d0.2 mm的双缝屏从仪器注明的规格可知，像屏与双缝屏间的距离l700 mm.然后，接通电源使光源正常工作图3(1)已知测量头主尺的最小刻度是毫米，副尺上有50分度某同学调整手轮后，从测量头的目镜看去，第1次映入眼帘的干涉条纹如图乙(a)所示，图乙(a)中的数字是该同学给各暗纹的编号，此时图乙(b)中游标尺上的读数x11.16 mm；接着再转动手轮，映入眼帘的干涉条纹如图丙(a)所示，此时图丙(b)中游标尺上的读数x2_mm；(2)利用上述测量结果，计算两个相邻亮条纹(或暗条纹)间的距离x