新教材适用2023-2024学年高中物理第四章光及其应用5.实验用双缝干涉测量光的波长课件教科版选择性必修第一册

5.实验:用双缝干涉测量光的波长第四章内容索引010203实验探究新知导学典例精讲释疑解惑随堂练习课标定位素养阐释1.知道光是横波,会用双缝干涉实验测量光的波长。2.了解“双缝干涉测量光的波长”的实验原理和实验器材,掌握测量头的读数方法。1.理解双缝干涉的原理,能安装和调试仪器,培养科学探究能力。2.掌握相邻亮条纹(或暗条纹)间距的计算公式Δx=λ及推导过程,培养科学思维。实验探究新知导学一、实验目的1.理解双缝干涉的原理,能安装和调试仪器。2.掌握相邻亮条纹(或暗条纹)间距的计算公式Δx=λ及推导过程。3.观察双缝干涉图样,掌握实验方法。二、实验原理1.相邻亮条纹(或暗条纹)间的距离Δx与入射光波长λ之间的定量关系:如图所示,双缝间距d,双缝到屏的距离l。双缝S1、S2的连线的中垂线与屏的交点为P0。对屏上与P0距离为x的一点P,两缝与P的距离PS1=r1,PS2=r2。在线段PS2上作PM=PS1,则S2M=r2-r1,因d≪l,三角形S1S2M可看作直角三角形。有r2-r1=dsinθ(令∠S2S1M=θ)①因为x≈ltanθ≈lsinθ②2.干涉图样的获得: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,经双缝后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。3.光的波长的测量:若双缝到屏的距离用l表示,双缝间的距离用d表示,相邻两亮条纹间的距离用Δx表示,则入射光的波长为λ=。实验中d是已知的,测出l、Δx即可测出光的波长λ。4.测量Δx的方法:测量头由分划板、目镜、手轮等构成,如图(a)所示,测量时先转动测量头,让分划板中心刻线与干涉条纹平行,然后转动手轮,使分划板向左(或向右)移动至分划板的中心刻线与条纹的中心对齐,如图(b)所示,记下此时读数x1,再转动手轮,用同样的方法测出n条亮条纹时的游标卡尺读数xn,则可求出相邻两亮条纹间的距离(a)(b)三、实验器材双缝干涉仪,即光具座、光源、透镜、滤光片、单缝、双缝、拨杆、遮光管、毛玻璃屏、测量头,另外还有学生电源、导线、刻度尺。四、实验操作1.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,使缝与水平面垂直。再装好单缝管,使单缝与双缝平行。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25cm。点亮灯泡,先把透镜移近单缝,直至在单缝面上形成一放大的灯丝像,若灯丝的放大像不在单缝中心,则上下或左右调节灯泡,反复调节几次,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,边调节单缝与双缝平行,直至看到白光的干涉条纹最清晰,这时看到彩色干涉条纹的特征是:中央为一条白色亮条纹,称为零级亮条纹;其余各级亮条纹都是彩色的,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,红色在最外侧。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,把分划板对准最左边的一条干涉亮条纹(或暗条纹),并记下它在游标卡尺上的读数x1,然后转动手轮,把分划线移向右边,并对准第n条干涉亮条纹(或暗条纹)。这时游标卡尺的读数为xn,则相邻两条7.改变双缝中心距离d,重复上面的步骤,再测一次。8.请自己设计表格,把测量数据记录在表中,算出波长并对结果进行分析。五、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,用毫米刻度尺测多次取平均值。典例精讲释疑解惑【例题1】

(1)如图(a)所示,在“用双缝干涉测光的波长”实验中,(a)光具座上放置的光学元件依次为①光源、②

、③

、④

、⑤遮光筒、⑥光屏。对于某种单色光,为增加相邻亮条纹(暗条纹)间的距离,可采取___________________

或

的方法。

(2)转动测量头的手轮,使分划板中心刻线对准第1条亮条纹,读出手轮的读数如图(b)所示。继续转动手轮,使分划板中心刻线对准第10条亮条纹,读出手轮的读数如图(c)所示。则相邻两亮条纹的间距是

mm。

(b)(c)(3)如果已经量得双缝的间距是0.30mm、双缝和光屏之间的距离是900mm,则待测光的波长是

m(取三位有效数字)。

答案:(1)滤光片

单缝

双缝

增大双缝到光屏间的距离(或选用较长的遮光筒)

换用双缝之间距离较小的双缝(2)1.610(3)5.37×10-7知,要增加相邻亮条纹(或暗条纹)间的距离,可采取的办法有:①增大双缝到光屏间的距离(或选用较长的遮光筒);②换用双缝之间距离较小的双缝。解答此题应注意以下几点(1)螺旋测微器的读数方法,注意半格线是否露出。【例题2】

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(a)所示的光具座上组装成双缝干涉装置,用来测量红光的波长。(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。

(a)(2)本实验的步骤有:①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;②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;③用毫米刻度尺测量双缝到屏的距离;④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②时除了注意单缝和双缝间距为5~10cm,还应注意

。

(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(b)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(c)中手轮上的示数

mm,求得相邻亮条纹的间距Δx为

mm。

(b)(c)(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,则所测红光波长为

nm。

答案:(1)E、D、B(2)使单缝与双缝平行(3)13.870

2.310(4)660解析:(1)排列顺序为C、E、D、B、A。(2)操作步骤②时还要注意使单缝与双缝平行。(3)图(b)读数为2

mm+32.0×0.01

mm=2.320

mm,图(c)读数为13.5

手轮的读数误区(1)手轮的读数与螺旋测微器读数相同,注意半格线是否露出,一定要估读,注意有效数字的位数。(2)一个条纹间距是指两相邻亮(或暗)条纹中心的距离。随堂练习1.(实验原理与操作)在“用双缝干涉测量光的波长”实验中(实验装置如图),下列说法错误的是(

)A.调节光源高度使光束沿遮光筒轴线照在屏中心时,应放上单缝和双缝B.测量某条干涉亮条纹位置时,应使测量头分划板中心刻线与该亮条纹的中心对齐C.为了减小测量误差,可用测量头测出n条亮条纹间的距离a,求出相邻两条D.将滤光片放在单缝与双缝之间不改变实验结果答案:A解析:调节光源高度使光束沿遮光筒轴线照在屏中心时,不需放单缝和双缝,故A错误;测量某条干涉亮条纹位置时,应使测量头分划板中心刻线与该亮条纹的中心对齐,故B正确;n条亮条纹之间有n-1个间距,相邻两条亮条纹的间距Δx=,故C正确;根据实验原理知D正确。2.(实验原理与操作)(多选)利用如图所示装置研究双缝干涉现象并测量光的波长时,有下面几种说法,其中正确的是(

)A.实验装置中的①②③元件分别为滤光片、单缝、双缝B.将滤光片由紫色的换成红色的,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.测量过程中,把5个条纹间距数成6个,导致波长测量值偏小答案:ABD3.(实验数据处理)在“用双缝干涉测量光的波长”的实验中,装置如图(a)所示。双缝间的距离d=3mm。(a)若测量红光的波长,选用红色的滤光片,实验中测得双缝与屏之间的距离为0.70m,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0.500mm)观察第1条亮条纹的位置如图(b)甲所示,其读数为

mm;观察第5条亮条纹的位置如图(b)乙所示,其读数为

mm。则可求出红光的波长λ=

m。

(b)答案:0

0.640

6.86×10-7解析:由测量头的数据可知a1=0,a2=0.640

mm,4.(实验数据处理)在“用双缝干涉测量光的波长”实验中,选用红色滤光片和间距为0.20mm的双缝,双缝与屏的距离为600mm。某同学