4　实验：用双缝干涉测量光的波长.doc

光的波动性 实验：用双缝干涉测光的波长考点过关 能力测试点解题关键点1、光波的叠加原理2、光的干涉条件、形成原因、条纹特征、应用等3、光的衍射条件、图样及图样与波长、缝宽的定性关系4、电磁波谱及各电磁波的产生机理1、正确理解波的叠加原理是解释光的干涉和衍射现象的关键2、正确理解条纹的间距公式：活题巧解例1如图68-1所示：这是用干涉法测量细金属丝直径的装置，所用单色光是用自然光经过滤光片后产生的。（1）检测中所观察到的干涉条纹是由哪两个表面反射的光线叠加而成的？ P Q RAa的上表面和b的下表面 a Ba的上表面和b的上表面 Ca的下表面和b的上表面 bDa的下表面和b的下表面 图68-1 图68-2（2）如果在某次测量中得到如图68-2所示的干涉图样，干涉条纹产生弯曲是由于下面的测量平台不平整而产生的。平台表面有凸起点的干涉条纹是 ；表面有凹坑的干涉条纹是 。 【解析】本题考查的知识点相干条件；簿膜干涉的应用。对普通光源来说，即使是同一光源发出的同一频率的两束光在叠加区域里也不会发生干涉，这是由光源中原子分子发光的复杂性以及相干光的条件所决定的。只有同一波列的光被分成两束以后才可能满足光的相干条件。题（1）中进入a中后的某一波列的光在空气膜的上下两个表面上发生反射，形成两个相干波列，分别从a的上表面出射，由于空气膜很薄，空气膜的倾角很小，这两列相干光能重合在一起产生干涉。题（2）：由波的叠加原理和双缝干涉实验可知：同一干涉条纹应有同一光程差，相邻的明（或暗）条纹之间的光程差相差一个波长。如果b面某点是凹下去的，由几何知识可知相邻的明（或暗）条纹之间的光程差相差一个波长的水平间距将减小，反之也然。实验中当细金属丝的直径略为增加时，条纹会向劈尖移动【答案】（1）C （2）R、P【方法提炼】解这类题时要紧扣干涉条件、双缝干涉实验中对明暗条纹的分析结论以及能量守恒定律进行思考。【易错分析】在问题（1）中，学生不明确两列相干光是来自于空气劈的上下两个表面（亦即a的下表面和b的上表面），因教材上本节内容的知识结构本身不完整，学生仅仅知道干涉时频率相等，所以常错选A、B。在问题（2）中，不会把产生明暗干涉条纹的具体条件与几何知识相结合来分析处理实际问题。例2光的干涉现象的衍射现象有什么区别和联系？【解析】光的干涉和光的衍射都是光的波动性的重要实验证据。干涉图样和衍射图样都是明暗相间的条纹（对单色光）或彩色条纹（对复色光）。干涉通常是由同一光源分离出的两列光波在相遇处由于叠加而出现加强和减弱的现象，它强调的是两列或有限的几列光波的叠加，并认为每列光波在叠加前都是沿直线传播的。衍射则是由于光波在传播过程中遇到障碍物或孔、缝时出现偏离直线传播的现象，它强调的是一列波自身的行为。衍射图样的出现是由于单缝所在处产生了无数个子波，这无数个子波在屏上不同点相互叠加，有规律地相互加强和减弱，可见，干涉和衍射都是波的叠加行为。事实上，对参与干涉的每列波而言，仍然存在着它自身如何传播的问题，因此在实际问题中干涉和衍射往往同存在，只是在不同条件下，主次不同而已。从观察上看，干涉图样是等宽的明暗相间的条纹；而衍射条纹则不等距，中央有特别明亮的宽条纹，两边条纹宽度越来越窄，亮度很快减弱。【答案】光的干涉光的衍射联系都是光的波动性的重要证据，图样都是明暗相间的条纹或彩色条纹，都是波的叠加结果区别条件频率相同的两个相干光源相遇障碍物或孔尺寸比波长小（或差不多）现象单色光明暗相间的等距条纹明暗相间不等距条纹复色光彩色等距条纹彩色不等距、中央有特别明亮的宽条纹本质两列或两列以上的有限列叠加的结果无数列叠加的结果例3以单色光照射到相距为0.2mm的双缝上，双缝隙遭到屏的垂直距离为1m，（1）从第一级亮纹到同侧第四级亮纹之间的距离为7.5mm，求单色光的波长；（2）若入射光的波长为600nm，求相邻两条纹之间的距离？【解析】考查知识点双缝隙干涉；条纹宽度与狭缝间距、缝到屏的距离及光的波长之间的关系。用公式计算时要知道式子中各个物理量的函义，中央条纹是第0级而不是第一级，相邻明条纹之间的间距等于相邻暗条纹之间的间距。【答案】（1）根据双缝干涉明条纹或暗条纹之间的间距：，K1，K2=0，1，2，以K2=1和K1=4代入上式得：x1,4=x4-x1=(4-1),（2）当=600nm时，【方法提炼】要理解表达式的函义，最好要能推导关系方程。【易错分析】不明白公式中各个物理量的函义，学生常会把中央条纹作为第一级。测试时间45分钟 活题巧解 测试分值60分1、如图68-3所示是一个双缝干涉实验装置示意图，其中S为单缝，S1 S2为双缝，P为光屏。实验时用白光从左边照射单缝S，可在光屏上观察到彩色的条纹。现在S1左边加一个红色的滤光片（只能透过红光），在S2左边加一个绿色滤光片（只能透过绿光），则在光屏P上可观察到： （ ）A红、绿相交的干涉条纹； S1 PB两种色光相叠加，但不出现干涉条条纹； Q C红光和绿光两套干涉条纹； S2 D屏的上部为红光，下部为绿光，不发生叠加，不发生干涉。 图68-3 2、如图68-4所示，一束白光从左侧射入肥皂薄膜，下列说法中正确的是： （ ）A从右侧向左看，可看到彩色条纹；B左侧向右看，可看到彩色条纹；C彩色条纹水平排列；D彩色条纹竖直排列。 图68-43在双缝干涉实验中，以红光为光源，在屏上观察到了明暗相间的干涉条纹，下列说法正确的是 （ ）A、 屏与狭缝之间距离减小时，屏上相邻明条纹变窄，但亮度变暗。B当用蓝光代替红光时，屏上相邻的暗条纹变宽、明条纹变窄，但中央位置仍是明条纹；C当减小两狭缝间距时，相邻明条纹之间的间隔变宽；D、当其中一条狭缝被挡住时屏上仍有明暗相间的条纹，但中央亮纹要宽得多，其他亮纹的亮度也会有所减弱。4、涂有增透膜的照相机镜头上看上去呈现淡紫色，说明 （ ）A增透膜明显地增强了红光的透射强度 B增透膜明显地增强了紫光的照射强度C增透膜明显地增强了绿光的透射强度 D增透膜明显地增强了绿光的反射损失5下列关于光的现象的说法中正确的是 （ ）A白光单缝衍射时，偏离中央亮条纹远的是红光 B黄光比紫光更易产生衍射说明波长短的光产生衍射较容易C涂有增透膜的光学仪器的镜头表面呈淡紫色是因为膜的厚度仅是绿光在空气中波长的四分之一D 松亮斑恰好是证明光是一种波的证据之一。6对光的衍射现象的定性分析，下列说明中不正确的有： （ ）A光的衍射是光在传播过程中绕过障碍物发生弯曲的现象； B、衍射现象是光波互相叠加的结果；C、衍射现象否定了光的直线传播的结论； D光的衍射为波动说提供了有力的证据。7由两个同一频率的光源发出的光叠加在同一区域，下列叙述正确的是 （ ）A 两个光源发出的光频率相同，叠加区域能出现明暗相间的干涉条纹；B两个光源发出的光经过同一狭缝衍射后叠加在一点，该点处能产生干涉；C两个光源发出的光彼此是相互独立的，不是相干光源，不会出现干涉条纹；D两个光源发出的光经过同一个滤色片后能产生干涉现象。8对光的干涉、衍射、色散现象，下列说法正确的是 （ ）A做小孔成像的实验时，当屏上成的像清晰后再减小小孔，屏上出现了明暗条纹，这进一步说明了光在同种均匀介质中是沿直线传播。B光照下物体身后影的轮廓是模糊的；仔细观察灯光下的薄刀片影的周围，你会发现明暗相间的条纹。这些都是光的衍射引起的；dC阳光下，水面上油膜的表面呈现彩色，平板玻璃的边缘呈现的也是彩色；透过棱镜观察远处的高楼会看到轮廓的边缘呈现绚丽的色彩。这些现象都是光的色散引起的；D、白光做双缝干涉实验时，中央亮纹是白色的。这是因为从两缝中射出的所有对应色光到达该条纹中央的路程差均为零。CWCA9如图68-5所示：把一个玻璃球冠（半径较大）的球面压在另一平板玻璃表面，平面一侧水平朝上，让单色光从上方垂直射入上表面，这时可以看到明暗相间的同心圆。这个现象是牛顿首先发现的，这些同心圆叫做牛顿环。如轻压球冠的上侧面，发现明暗圆环会象水波一样向外扩展。试定性分析说明产生这种现象的原因（如能定量分析更好）。附：干涉图样中心处暗斑产生的原因是光从光疏介质射向光密介质时会产生了位相突变，相当于光反射时多走（或少走了）半个波长的距离，称为半波损失。 图68-5 发展思维测试10测定固体热膨胀系数的装置如图68-6所示：在平台D上放置一上表面磨成稍微倾斜的待测样品W，W外罩一个热膨胀系数很小的石英环C，环顶放一个平板玻璃A，其下表面和样品之间形成一空气劈尖。如以波长为的单色光垂直照射A，在A上方的观察仪器中能看到明暗相间的干涉条纹。设在温度为t0时，待测样品的长度为L0；温度升高到t时W的长度为L，C的长度变化很微小可忽略不计。在观察仪器的视场中数出通过某一刻度线的明条纹的数目为N，在下图中干涉条纹向左还是向右移动？样品的热膨胀系数为多少？定义：=（L-L0）/L0(t-t0) 图68-6pSSOdLQO12/11如图68-7所示的双缝干涉实验中，用某一波长的色光做实验时，第n条明条纹中央出现在屏上距OO高为Y1的位置，如使用同一装置换用另一波长的色光做实验时，第n-2条明条纹的中央出现在距OO高为Y2的位置，求这两种色光的波长之比。 图68-7 12根据图68-8所示的双缝实验，回答下列问题： 屏与缝隙之间的间距为L，双缝隙宽度为d。（1）最左侧光屏上的狭缝的作用是什么？（2）双缝的作用是什么？（3）实验中将双缝旋转一定的角度后，屏上是否还能看到干涉条纹？设想如在双缝后放二个偏振片，使偏振光振动方向与缝平行，然后使其中的一个偏振片旋转一定的角度，屏上就不能观察到干涉条纹，这个现象说明了什么？（4）叙述探索相邻明（或暗）条纹的宽度与狭缝间距、缝到屏的距离及光的波长之间的关系的方法。图68-8（5）如果在图中的光线S2P的光路上放一块透明玻璃片，观察到屏上的条纹发生了移动，探讨与这种现象有关的因素可能是什么？（6）如果把其中的一条缝贴住会观察到什么现象？参考答案 光的波动性 实验：用双缝干涉测光的波长1B （点拨：不满足干涉条件）2BC（点拨：背面有折射光透过，但不形成两束相干光。）3CD （点拨：=L/d）4.C (点拨：增透膜的厚度是以绿光在膜中波长的1/4为标准的。)5AD （点拨：波长越长衍射越明显，所以红光在衍射条纹的外侧。）6C (点拨：只能说明光的直线传播规律有一定的条件。)7C （点拨：两个光源是彼此独立的，不满足相干条件。）8BCD （点拨：小孔成像后再减小直径将发生衍射现象，这时光的直线传播规律不成立。）9R2=r2+(R-d)2，式中R为球半径，r为环半径，d近似为产生干涉的两反射光的反射点之间的距离。d远小于R，于是得d=r2/2R,光程差为=2d+/2,如为半个波长的奇数倍，则出现暗条纹，如是偶数倍，则为明条纹。（点拔：进入球冠的光经球面折射后经球面和玻璃砖的上表面之间的空气膜反射后叠加形成干涉。）10.=N/2L0(t-t0) (点拨：当W上移/2时干涉条纹向右移过一级。移过条纹数为N条时，同一位置的厚度减小N/2。)11.1/2=(n-2)y1/ny2 (点