(高二物理教案：_实验：用双缝干涉测量光的波长_(新人教版选修3-4).doc

光的双缝干涉实验研究教案 马鹏 【教学目标】（一）知识与技能1学习双缝干涉仪的使用，观察双缝干涉图样。2掌握单色光波长的测量原理，并测量红光和绿光的波长。（二）过程与方法培养学生的动手能力，操作能力和分析处理问题的能力（三）情感、态度与价值观体会用宏观量测量微观量的方法，让学生进行体会控制变量物理思想方法。【教学重点】双缝干涉测量光的波长的实验原理及光路的调节。【教学难点】、L、d的准确测量。【教学方法】课堂演示，理论推导，实验探究【教学用具】双缝干涉仪、光具座、光源、学生电源、导线、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、毛玻璃屏、测量头、刻度尺【教学过程】第一课时（一）演示实验引入新课如下图所示，将实验室用小型的氦氖激光器置于讲台上，用铁架台架子夹住双缝，并让双缝处于竖直状态。将铁架台置于距离激光源约23m远处，打开激光器，让光束沿水平方向射出，调节铁架台上的夹子，使激光刚好能通过双缝，这时候就能在教室后面的墙上看到清晰的双缝干涉图样 。 图1：演示实验图师：同学们观察墙上出现的条纹，总结以下这些条纹的一些特点。生：明暗相间且间距相等，中间的一些条纹亮度相差不大。师：同学们，刚才我们看到的就是光的干涉图样，光具有波动性，光的双缝干涉实验就是一个很好的证明，上节课我们讲述了形成稳定干涉图样的条件，有谁能告诉我吗？生：当屏上某点到两个狭缝的路程差=2n，n=0、1、2时，出现明纹；当=（2n+1） ，n=0、1、2时，出现暗纹。师：那么同学们想一下我们平时怎么不能注意到光的干涉现象呢，干涉图样的条纹间距与哪些因素有关呢，同学们可以讨论一下。生：1、光源的强弱；2、光源的颜色（频率或者波长）；3、光源距双缝的距离；4、双缝与光屏的距离；5、双缝的自身间距师：很好，那么今天下面我们就来研究一下光的干涉条纹间距与哪些因素有关，同学们的猜想是否准确呢？（二）进行新课1实验装置介绍及安装整台仪器由光源及照明系统、双缝座、观察系统、测量系统以及遮光管等主要部件组装而成，根据课本光路图安装调节实验仪器，实验光路调节时，可以先目测主要部件的中心是否等高共轴，可以用两次成像法调节光源、透镜、单缝，调整好了后将实验仪器固定。2观察双缝干涉图样，探究干涉条纹间距与哪些因素有关。（教师指导学生按步骤进行观察，也可引导学生先设计好步骤，分析研究后再进行，教师可将实验步骤投影，尤其是注意控制变量法的培养）步骤：（1）按课本图5-45，将光源、单缝、遮光管、毛玻璃屏依次安放在光具座上。（2）接好光源，打开开关，使灯丝正常发光；（3）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；（4）安装单缝和双缝，使双缝与单缝平行，二者间距约510 cm.；（5）调节光路，观察白光的干涉条纹。（5）分别在单缝和光源间放上红色和绿色滤光片，调节光路使条纹变得清晰，观察单色光的干涉条纹，探究光的频率对干涉间距的影响，并进行相关数据的测量。数据测量步骤：a) 安装测量头，调节至可清晰观察到干涉条纹；b) 使分划板中心刻线对齐某条（记为第1条）亮条纹的中央，记下手轮上的读数a1，转动手轮，使分划板中心刻线移动，当中心刻线与第n条亮纹中央对齐，记下移动的条纹数n和移动后手轮的读数a2，则相邻两条纹间的距离。c) 用刻度尺测量双缝到光屏间距离L； d) 用游标卡尺测量双缝间距d（这一步也可省去，d在双缝玻璃上已标出）；e) 将实验数据记录在以下的表格中d= （mm）L= （mm）(mm)(mm)(mm)（nm）112233平均平均表1：数据记录表格（6）选取一种单色光，利用控制变量法探究影响条纹间距的因素：a) 调节光源亮度，保持其他因素不变，观察干涉条纹，直观上不准确可以进行具体数据的测量过，探究光源亮度对干涉条纹间距的影响；b) 调整光源与双缝的距离，保持其他因素不变，观察干涉条纹，探究光源与双缝的距离对条纹间距得而影响；c) 选取不同间距的双缝，保持其他因素不变，观察干涉条纹，探究双缝宽度对干涉条纹间距的影响。d) 选取连接接长管或去掉接长管，保持其他因素不变，观察干涉条纹，探究双缝与光屏的距离对干涉条纹间距的影响。（教师指导学生分别观察红色、绿色等不同颜色的单色光的干涉图样，比较不同色光干涉条纹宽度，与教材彩图对照，得出结论：红光干涉条纹间距大于绿光干涉条纹间距（注意其他条件相同，进行实验）。对于同种色光，改变双缝间距d，得出结论：双缝间距d越小，条纹间距越大。光源的亮度和光源与双缝的距离只会让条纹的亮度有变化，但条纹间距无变化；观察线状白炽灯的干涉条纹，与课本60页图彩图对比，得出结论：白光的干涉条纹是彩色的，中间的条纹最亮） 说明：实验过程中教师要注意指导：（1）双缝干涉仪是比较精密的实验仪器，实验前教师要指导学生轻拿轻放，不要随便拆分遮光筒，测量头等元件，学生若有探索的兴趣应在教师指导下进行。（2）滤光片、单缝、双缝、目镜等会粘附灰尘，要指导学生用擦镜纸轻轻擦拭，不用其他物品擦拭或口吹气除尘。（3）指导安装时，要求学生注意调节光源、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，引导学生分析理由。（4）光源使用线状长丝灯泡，调节时使之与单缝平行且靠近。（5）实验中会出现像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线所致；干涉条纹的清晰与否与单缝和双缝是否平行很有关系.因此（3）（4）两步要求应在学生实验中引导他们分析，培养分析问题的能力。（6）实验过程中学生还会遇到各种类似“故障”，教师要鼓励他们分析查找原因。第二课时3.理论推导师：通过刚才的实验，我们得出条纹间距与双缝到光屏间距离L，双缝间距d，光的频率（波长）有一定的关系，前面，我们已经说过，形成干涉的条件是：当屏上某点到两个狭缝的路程差=2n，n=0、1、2时，出现明纹；当=（2n+1） ，n=0、1、2时，出现暗纹。下面我们进行具体的推导：图2：理论推导图设两缝S1、S2间距离为d，它们所在平面到屏面的距离为l，且ld，O是S1S2的中垂线与屏的交点，O到S1、S2距离相等。推导：（教师板演，学生表达）由图可知S1P=r1师：r1与x间关系如何？生：r12=l2+（x-）2师：r2呢？生：r22=l2+（x+）2师：路程差|r1-r2|呢？（大部分学生沉默，因为两根式之差不能进行深入运算）师：我们可不可以试试平方差？r22-r12=（r2-r1）（r2+r1）=2dx由于ld，且lx，所以r1+r22l，这样就好办了，r2-r1=r=x师：请大家别忘了我们的任务是寻找x与的关系。r与波长有联系吗？生：有。师：好，当r=2n，n=0、1、2时，出现亮纹。即x=2n时出现亮纹，或写成x=第n条和第（n-1）条（相邻）亮纹间距离x为多少呢？生：x=xn-xn-1=n-（n-1）师：也就是x=我们成功了！大家能用语言表述一下条纹间距与波长的关系吗？生：成正比。师：对，不过大家别忘了这里l、d要一定。暗纹间距大家说怎么算？生：一样。师：结果如何？生：一样。师：有了相邻两个亮条纹间距公式x=，现在我们就可以用双缝干涉实验来测量光的波长了。4测定单色光的波长师：同学们，现在利用前面的探究我们测量得到的数据，算算红光和绿光的波长吧。（三）课堂总结、点评通过今天的学习，我们掌握了干涉条纹的间距与光的波长之间的定量关系，即x=，并利用上式测量了光的波长。该实验为我们提供了一种用宏观量测量微观量的方法。（四）课余作业完成课本“问题与练习”的题目，讨论单缝在实验中的作用。附：课后训练1在做双缝干涉实验时，用普通的白光做光源，若在双缝处把一缝用红色玻璃挡住，另一缝用绿色玻璃挡住，则屏上会出现 （ ）A红色干涉条纹 B绿色干涉条纹C红绿相间的干涉条纹 D无干涉条纹，但有亮光答案：D2在杨氏双缝干涉实验中，保持双缝到屏的距离不变，调节双缝间距离，当距离增大时，干涉条纹距离将变_，当距离减小时，干涉条纹间距将变_.答案：小，大 3用单色光做双缝干涉实验时，测得双缝间距离为0.4 mm，双缝到屏的距离为1 m，干涉条纹间距为1.5 mm，求所用光波的波长。答案：610-7 m4光纤通信是70年代以后发展起来的新兴技术，世界上许多国家都在积极研究和发展这种技术。发射导弹时，可在导弹后面连一根细如蛛丝的光纤，就像放风筝一样，这种纤细的光纤在导弹和发射装置之间，起着双向传输信号的作用，光纤制导的下行光信号是镓铝砷激光器发出的在纤芯中波长为0.85 m的单色光。而上行光信号是铟镓砷磷发光二极管发射的在纤芯中波长为1.06 m的单色光，这样操纵系统通过这根光纤向导弹发出控制指令，导弹就如同长“眼睛”一样盯住目标。根据以上信息，回答下列问题：（1）在光纤制导中，上行光信号在真空中波长是多少？（2）为什么上行光信号和下行光信号要采用两种不同频率的光？（已知光纤纤芯的折射率为1.47）答案：（1）157 m，（2）如果上行光信号和下行光信号频率相同，会发生干涉现象。相互间产生干扰。5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），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，其他颜色的双缝干涉条纹依然存在C任何颜色的双缝干涉条纹都不存在，但在屏上仍有光亮D屏上无任何光亮解析：题目中给出的条件是：以白光为光源时，在屏幕上得到了彩色的干涉条纹。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），那么，从双缝射出的则是频率不同的红色光和绿色光，所以不可能产生干涉条纹，故A、D错；而其他颜色的光不可能透过滤光片，故B亦错.虽然不能产生干涉条纹，但仍有光照在屏上，故C对。答案：C6用单色光做双缝干涉实验，下列说法正确的是A相邻干涉条纹之间距离相等B中央明条纹宽度是两边明纹宽度的两倍C屏与双缝之间距离减小，则屏上条纹间的距离增大D在实验装置不变的情况下，红光的条纹间距小于蓝光的条纹间距解析：因为双缝干涉的条纹宽x=，可见条纹宽应是相等的，A正确，BC错，又因为红蓝，所以x红x蓝，故D错.答案：A7如图所示，用波长为的单色光做双缝干涉实验时，设两个狭缝S1、S2到屏上某点P的路程差为d，则A距O点最近的一条暗纹必是d=/2B对屏上某点d=n/2（n为正整数）时，出现暗纹C距O点越远的点d越长，就越容易出现暗条纹D用各色光在同一条件下实验，波长越短的色光条纹间距越小解析：当路程差d=n时出现亮条纹，路程差d=（2n1）/2时出现暗条纹，可见，当n=0时，d=/2，所以A正确。由x=l/d（式中d为两狭缝间的距离）得，频率越大的色光，其波长越短，干涉条纹之间的距离越小，故D正确。答案：AD8在利用双缝干涉测定光波波长时，首先调节_和_的中心均位于遮光筒的中心轴线上，并使单缝和双缝竖直并且互相平行.当屏上出现了干涉图样后，用测量头上的游标卡尺测出