【步步高】2013年高考物理大一轮 实验十五 　用双缝干涉测量光的波长 新人教版选修3-4

1 实验十五实验十五 用双缝干涉测量光的波长用双缝干涉测量光的波长 一 实验目的 1 理解双缝干涉的原理 能安装和调试仪器 2 观察入射光分别为白光和单色光时双缝干涉的图样 3 掌握利用公式 x 测波长的方法 l d 二 实验原理 单色光通过单缝后 经双缝产生稳定的干涉图样 图样中相邻两条亮 暗 条纹间的距离 x与双缝间的距离d 双缝到屏的距离l 单色光的波长 之间满足 d x l 三 实验器材 双缝干涉仪 即 光具座 光源 滤光片 单缝 双缝 遮光筒 毛玻璃屏 测量头 另外还有学生电源 导线 刻度尺 附 测量头的构造及使用 如图 1 甲所示 测量头由分划板 目镜 手轮等构成 转动手轮 分划板会向左右移动 测量时 应使分划板的中心刻度对齐条纹的中心 如图乙 记下此时手轮上的读数 然 后转动测量头 使分划板中心刻线与另一条纹的中心对齐 再次记下手轮上的刻度 两 次读数之差就表示这两个亮条纹间的距离 图 1 实际测量时 要测出n条亮条纹 暗条纹 的宽度 设为a 那么 x a n 1 四 实验步骤 1 安装仪器 1 将光源 遮光筒 毛玻璃屏依次安放在光具座上 如图 2 所示 2 图 2 2 接好光源 打开开关 使白炽灯正常发光 调节各部件的高度 使光源灯丝发出的 光能沿轴线到达光屏 3 安装单缝和双缝 中心位于遮光筒的轴线上 使双缝和单缝相互平行 2 观察与记录 1 调整单缝与双缝间距为几厘米时 观察白光的干涉条纹 2 在单缝和光源间放上滤光片 观察单色光的干涉条纹 3 调节测量头 使分划板中心刻度线对齐第 1 条亮条纹的中心 记下手轮上的读数 a1 转动手轮 使分划板向一侧移动 当分划板中心刻度线与第n条相邻的亮条纹中心 对齐时 记下手轮上的刻度数a2 则相邻两条纹间的距离 x a1 a2 n 1 4 换用不同的滤光片 测量其他色光的波长 3 数据处理 用刻度尺测量出双缝到光屏间的距离l 由公式 x计算波长 重复测量 计算 d l 求出波长的平均值 五 误差分析 测定单色光的波长 其误差主要由测量引起 条纹间距 x测量不准 或双缝到屏的距 离测不准都会引起误差 但都属于偶然误差 可采用多次测量取平均值的方法来减小误 差 六 注意事项 1 调节双缝干涉仪时 要注意调整光源的高度 使它发出的一束光能够沿着遮光筒的轴线 把屏照亮 2 放置单缝和双缝时 缝要相互平行 中心大致位于遮光筒的轴线上 3 调节测量头时 应使分划板中心刻线和条纹的中心对齐 记清此时手轮上的读数 转动 手轮 使分划板中心刻线和另一条纹的中心对齐 记下此时手轮上的读数 两次读数之 差就表示这两条纹间的距离 4 不要直接测 x 要测多个亮条纹的间距再计算得 x 这样可以减小误差 5 白光的干涉观察到的是彩色条纹 其中白色在中央 红色在最外层 记忆口诀 亮光源 滤光片 单缝双缝成一线 遮光筒 测量头 中间有屏把像留 单缝双缝平行放 共轴调整不能忘 分划线 亮条纹 对齐平行测得准 n条亮纹读尺数 相除可得邻间距 3 缝距筒长记分明 波长公式要记清 例 1 在 用双缝干涉测光的波长 实验中 1 实验装置采用双缝干涉仪 它由各部分光学元件在光具座上组成 现准备了下列仪器 A 光源 B 双缝片 C 单缝片 D 滤光片 E 毛玻璃 其中双缝片和光屏连在遮光筒上 把以上仪器安装在光具座上时 正确的排列顺序是 2 关于本实验 正确的说法是 A 实验时应调节各器件共轴 并且单缝和双缝的缝应相互平行 B 观察到的白光的干涉图样是 可以看到彩色的干涉条纹 中央为一条白亮的零级干涉 条纹 彩色条纹的排列 以零级亮条纹为中心左右对称 在第一级亮条纹中紫色在最 外侧 C 看到白光的干涉条纹后 在单缝前面放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 且红条纹的间距比绿条纹的间距大 D 测量时应使测量头的分划板的中心刻线对齐条纹的中心再读数 例 2 利用双缝干涉测定光的波长实验中 双缝间距d 0 4 mm 双缝到光屏的距离 l 0 5 m 用某种单色光照射双缝得到干涉条纹如图 3 所示 分划板在图中A B位置时 游标卡尺读数也如图中所示 则 图 3 1 分划板在图中A B位置时游标卡尺读数分别为xA mm xB mm 相邻 两条纹间距 x mm 2 波长的表达式 用 x l d表示 该单色光的波长 m 3 若改用频率较高的单色光照射 得到的干涉条纹间距将 填 变大 不变 或 变小 例 3 在观察光的干涉现象的实验中 将两片刀片合在一起 在涂有墨汁的玻璃片上划出 不同间隙的双缝 按图 4 所示的方法 让激光束通过自制的双缝 4 图 4 1 保持缝到光屏的距离不变 换用不同间隙的双缝 双缝的间隙越小 屏上明暗相间的 条纹间距 选填 越大 或 越小 2 保持双缝的间隙不变 光屏到缝的距离越大 屏上明暗相间的条纹间距 选 填 越大 或 越小 3 在狭缝间的距离和狭缝与屏的距离都不变的条件下 用不同颜色的光做实验 发现用 蓝色光做实验在屏上明暗相间的条纹间距比用红色光做实验时 选填 大 或 小 1 利用图 5 中装置研究双缝干涉现象时 下面几种说法中正确的是 图 5 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 换一个两缝之间距离较大的双缝 干涉条纹间距变窄 2 某同学在做双缝干涉实验时 按各元件的合理顺序正确的安装好实验装置 在光屏上却 观察不到干涉图样 这可能是由于 A 光束的中央轴线与遮光筒的轴线不一致 相差较大 B 没有安装滤光片 C 单缝与双缝不平行 D 光源发出的光束太强 3 如图 6 所示是用双缝干涉测量光的波长的实验设备示意图 图 6 5 1 图中 是光源 是光屏 它们之间的 依次是 2 以下哪些操作能够增大光屏上相邻两条亮纹之间的距离 A 增大 和 之间的距离 B 增大 和 之间的距离 C 将红色滤光片改为绿色滤光片 D 增大双缝之间的距离 3 在某次实验中 已知双缝到光屏之间的距离是 600 mm 双缝之间的距离是 0 20 mm 单缝到双缝之间的距离是 100 mm 某同学在用测量头测量时 先将测量头目镜中 看到的分划板中心刻线对准某条亮纹 记作第 1 条 的中心 这时手轮上的示数如图 7 甲 所示 然后他转动测量头 使分划板中心刻线对准第 7 条亮纹的中心 这时手轮上的示 数如图乙所示 这两次示数依次为 mm 和 mm 由此可以计算出这次实 验中所测得的单色光的波长为 nm 图 7 4 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 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 图 8 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 使光束能沿遮光筒的轴线把屏照亮 按合理的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 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 记下此时如图乙所示的手轮上的示数为 mm 求得相邻亮纹的间距 x 6 为 mm 图 9 4 已知双缝间距d为 2 0 10 4 m 测得双缝到屏的距离l为 0 700 m 由计算式 求得所测红光波长为 nm 5 在 用双缝干涉测光的波长 实验中 将双缝干涉仪按要求安装在光具座上 如图 10 所 示 并选用缝间距d 0 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L 700 mm 然后 接通电源使光源正常工作 图 10 图 11 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 11 a 所示 图 a 中的数字是该同学 给各暗纹的编号 此时图 b 中游标尺上的读数x1 1 16 mm 接着再转动手轮 映入 眼帘的干涉条纹如图 c 所示 此时图 d 中游标尺上的读数x2 mm 2 利用上述测量结果 经计算可得两个相邻明纹 或暗纹 间的距离 x mm 这种色光的波长 nm 7 答案 课堂探究 例 1 1 ADCBE 或 EBCDA 2 ACD 例 2 1 11 1 15 6 0 75 2 x 6