第三章 第3讲

第十三章 光 目标定位 1.知道光的干涉现象，知道光是一种波. 2.理解相干光源和产生干涉现象的条件. 3.理解明暗条纹的成因及出现明暗条纹的条件. 4.了解双缝干涉测量光的波长的实验原理，能够利用双缝干涉实 验测量单色光的波长. 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 1 预习导学 梳理识记点拨 2 课堂讲义 理解深化探究 3对点练习 巩固应用反馈 预习导学 梳理识记点拨 4 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 一、杨氏干涉实验 1.1801年，英国物理学家 成功地观察到了光的干涉 现象. 2.让一束单色光投射到一个有两条狭缝S1和S2的挡板上，狭缝 S1和S2相距很近，狭缝就成了两个波源，它们的频率、相位 和振动方向总是 的.这两个波源发出的光在挡板后面的空 托马斯杨 相同 5 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 间互相叠加，发生干涉现象，挡板后面的屏上得到_ 的条纹.这种现象证明光是一种 . 二、出现明、暗条纹的条件 当两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长的 时(即 恰好等于波长的 时)，两列光在这点相互加强，这里出 现 ；当两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长的 时，两列光在这点 ，这里出现暗条纹. 明暗相间 波 偶数倍 整数倍 亮条纹 奇数倍 相互削弱 6 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 三、实验：用双缝干涉测量光的波长 1.实验原理：相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距是x ，根据这个公式，可以测出波长. 2.观察双缝干涉图样时注意使单缝与双缝相互 ，尽量使 缝的中点位于遮光筒的轴线上. 平行 7 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 3.测定单色光的波长 在x 中，双缝间的距离d是已知的，双缝到屏的距离l 可以用 测出，相邻两条亮条纹间的距离x需用_ 测出. 米尺测量头 8 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 想一想 实验中为什么不直接测出相邻两条亮条纹间的距离 x，而要测出n个亮条纹间的距离，再求平均值？ 答案 由于光的波长很小，实验中条纹宽度很小，直接测出 一条条纹的宽度不准确或较难实现，只能先测出n个条纹间 距，再求相邻亮条纹间的距离，这样既便于测量，又可以减 小误差. 课堂讲义 理解深化探究 9 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 一、杨氏双缝干涉实验 1.双缝干涉的装置示意图 图1 10 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 实验装置如图1所示，有光源、单缝、双缝和光屏. (1)单缝的作用：获得一个线光源，使光源有唯一的频率和 振动情况.也可用激光直接照射双缝. (2)双缝的作用：一束光被分成两束频率相同和振动情况完 全一致的相干光. 2.产生干涉的条件：两列光的频率相同、相位相同、振动 方向相同.本实验中是靠“一分为二”的方法获得两个相干 光源的. 11 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 3.干涉图样 (1)若用单色光作光源，则干涉条纹是等间距的明暗相间的 条纹. (2)若用白光作光源，则干涉条纹是彩色条纹，且中间条纹 是白色的. 4.实验结论：证明光是一种波. 12 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 例1 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)，已 知红光与绿光频率、波长均不相等，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 13 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 B.红色和绿色的双缝干涉条纹消失，其他颜色的干涉条纹依 然存在 C.任何颜色的双缝干涉条纹都不存在，但屏上仍有光亮 D.屏上无任何光亮 解析 分别用绿色滤光片和红色滤光片挡住两条缝后，红光 和绿光频率不等，不能发生干涉，因此屏上不会出现干涉条 纹，但仍有光亮. 答案 C 14 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 借题发挥 明确两列光波发生干涉的条件，知道不同色光 的频率不同，是对此类问题做出正确判断的关键. 15 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 二、屏上某处出现亮、暗条纹的条件 1.亮条纹的条件：屏上某点P到两条缝S1和S2的路程差正好是 波长的整数倍或半波长的偶数倍.即： |PS1PS2|k2k (k0,1,2,3，) k0时，PS1PS2，此时P点位于屏上的O处，为亮条纹，此 处的条纹叫中央亮条纹或零级亮条纹.k为亮条纹的级次. 16 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 2.暗条纹的条件：屏上某点P到两条缝S1和S2的路程差正好是 半波长的奇数倍.即： |PS1PS2|(2k1) (k1,2,3，) k为暗条纹的级次，从第1级暗条纹开始向两侧展开. 17 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 例2 如图2所示是双缝干涉实验装置，使用波长为600 nm 的 橙色光源照射单缝S，在光屏中央P处观察到亮条纹，在位于P 点上方的P1点出现第一条亮条纹(即P1到S1、S2的光程差为一个 波长)，现换用波长为400 nm的紫光源照射单缝，则( ) A.P和P1仍为亮点 B.P为亮点，P1为暗点 C.P为暗点，P1为亮点 D.P、P1均为暗点 图2 18 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 解析 从单缝S射出的光波被S1、S2两缝分成两束相干光， 由题意知屏中央P点到S1、S2距离相等，即分别由S1、S2射 出的光到P点的路程差为零，因此是亮条纹中心，因而， 无论入射光是什么颜色的光，波长多大，P点都是中央亮 条纹中心.而分别由S1、S2射出的光到P1点的路程差刚好是 橙光的一个波长，即|P1S1P1S2|600 nm橙.当换用波长 为400 nm的紫光时，|P1S1P1S2|600 nm 紫，则两列 19 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 光波到达P1点时振动情况完全相反，即分别由S1、S2射 出的光到达P1点时相互削弱，因此，在P1点出现暗条纹. 综上所述，选项B正确. 答案 B 20 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 借题发挥 判断屏上某点为亮条纹还是暗条纹，要看该点 到两个光源(双缝)的路程差(光程差)与波长的比值，要记住 光程差等于波长整数倍处出现亮条纹，等于半波长奇数倍 处为暗条纹，还要注意这一结论成立的条件是：两个光源 情况完全相同. 21 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 针对训练 如图3所示，用频率为f的单色光( 激光)垂直照射双缝，在光屏的P点出现第3条 暗条纹，已知光速为c，则P到双缝S1、S2的距 离之差|r1r2|应为( ) 图3 22 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 答案 D 23 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 三、用双缝干涉测光的波长 1.实验原理 (1)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. 24 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 (2)若双缝到屏的距离用l表示，双缝间的距离用d表示，相 邻两条亮纹间的距离用x表示，则入射光的波长为 . 实验中d是已知的，测出l、x即可测出光的波长. 25 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 2.实验步骤 (1)按如图4所示安装仪器. 图4 (2)将光源中心、单缝中心、双缝中心调节在遮光筒的中心 轴线上. 26 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 (3)使光源发光，在光源和单缝之间加红(绿)色滤光片，让 通过后的条形光斑恰好落在双缝上，通过遮光筒上的测量 头，仔细调节目镜，观察单色光的干涉条纹；撤去滤光片 ，观察白光的干涉条纹(彩色条纹). 27 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 (4)加装滤光片，通过目镜观察单色光的干涉条纹，同时调 节手轮，分划板的中心刻线对齐某一条纹的中心，记下手 轮的读数，然后继续转动使分划板移动，直到分划板的中 心刻线对齐另一条纹中心，记下此时手轮读数和移过分划 板中心刻度线的条纹数n. 28 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 (5)将两次手轮的读数相减，求出n个亮条纹间的距离a，由 x ，算出条纹间距，然后利用公式 x，求出此 单色光的波长(d、l仪器中都已给出). (6)换用另一滤光片，重复步骤(3)、(4)，并求出相应的波长. 29 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 3.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. (3)测条纹间距x时，采用累积法，即用测量头测出n条亮条 纹间的距离a，求出相邻的两条亮条纹间的距离x . 30 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 例3 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，要把它们放在图5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. (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. 图5 31 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 解析 滤光片E是从白光中选出单色红光，单缝屏是获取线 光源，双缝屏是获得相干光源，最后成像在毛玻璃屏上.所 以排列顺序为：C、E、D、B、A. 答案 (1)E、D、B 32 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 (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； 用米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_. 33 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 解析 在操作步骤时还应注意：放置单缝、双缝时，必 须使缝平行. 答案 放置单缝、双缝时，必须使缝平行 34 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 (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6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，记下此时图乙中手 轮上的示数_ mm，求得相邻亮纹的间距x为_ mm. 图6 35 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 解析 测量头的读数应该：先读整数刻度，然后看半刻度是 否露出，最后看可动刻度，题图乙读数为13.870 mm，题图甲 读数为2.320 mm，所以相邻条纹间距x mm 2.310 mm. 答案 13.870 2.310 36 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 (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_，求得所测红光波长为 _ nm.6.6102 对点练习 巩固应用反馈 37 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 杨氏双缝干涉实验 1.在杨氏双缝干涉实验中，如果( ) A.用白光作为光源，屏上将呈现黑白相间的条纹 B.用红光作为光源，屏上将呈现红黑相间的条纹 C.若仅将入射光由红光改为紫光，则条纹间距一定变大 D.用红光照射一条狭缝，用紫光照射另一条狭缝，屏上将呈 现彩色条纹 38 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 解析 用白光做杨氏双缝干涉实验，屏上将呈现彩色条纹， A错； 用红光作为光源，屏上将呈现红色亮条纹与暗条纹(即黑条纹 )相间，B对； 变小，x变小，C错； 红光和紫光频率不同，不能产生干涉条纹，D错. 答案 B 39 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 明、暗条纹的判断 2.在双缝干涉实验中，双缝到光屏上P点的距离之差为0.6 m，若 分别用频率为f15.01014 Hz和f27.51014 Hz的单色光垂直照 射双缝，则P点出现明、暗条纹的情况是( ) A.用单色光f1和f2分别照射时，均出现明条纹 B.用单色光f1和f2分别照射时，均出现暗条纹 C.用单色光f1照射时出现明条纹，单色光f2照射时出现暗条纹 D.用单色光f1照射时出现暗条纹，单色光f2照射时出现明条纹 40 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 解析 单色光f1的波长： 单色光f2的波长： 因P点到双缝的距离之差x0.6 m1， 41 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 所以用单色光f1照射时P点出现亮条纹. x0.6 m 2， 所以用单色光f2照射时P点出现暗条纹，故选项C正确. 答案 C 42 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 3.如图7所示，用单色光做双缝干涉实验，P处为第二条暗条 纹，改用频率较低的单色光重做上述实验(其他条件不变)时， 则同侧第二条暗条纹的位置( ) A.仍在P处 B.在P点上方 C.在P点下方 D.要将屏向双缝方向移近一些才能看到 图7 43 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 解析 由 知f变小，变大.若出现第二条暗条纹，则P到双 缝的光程差r ，当变大时，r也要变大，故第二条暗条 纹的位置向上移，在P点上方，B正确. 答案 B 44 第3讲 光的干涉 实验：用双缝干涉测量光的波长 用双缝干涉测光的波长 4.在“用双缝干涉测量光的波长”的实验中，若已知双缝间 的距离d. (1)若测定绿光的波长，应选用_色的滤光片.实验时需 要测定的物理量有_和_. 解析 由于测量绿光的波长，因此应用绿色滤光片.由x 可知要想测必须测定双缝到屏