高中物理 13.3 光的干涉 实验用双缝干涉测量光的波长课件 新人教版选修34.ppt

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 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 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 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 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 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 一 杨氏双缝干涉实验1 双缝干涉的装置示意图 图1 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 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 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 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 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 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 ps1 ps2 k 2k k 0 1 2 3 k 0时 ps1 ps2 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 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 ps1 ps2 2k 1 k 1 2 3 k为暗条纹的级次 从第1级暗条纹开始向两侧展开 例2如图2所示是双缝干涉实验装置 使用波长为600nm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400nm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 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 p1s1 p1s2 600nm 橙 当换用波长为400nm的紫光时 p1s1 p1s2 600nm 紫 则两列 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 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 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 r1 r2 应为 图3 答案d 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 870mm 题图甲读数为2 320mm 所以相邻条纹间距 x mm 2 310mm 答案13 8702 310 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 由计算式 求得所测红光波长为 nm 6 6 102 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 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 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f1 5 0 1014hz和f2 7 5 1014hz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 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 x 0 6 m 1 所以用单色光f1照射时p点出现亮条纹 x 0 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 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 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 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 必须测定双缝到屏的距离l和条纹间距 x 绿 双缝到屏的距离相邻条纹间距 2 已知双缝到光屏之间的距离l 500mm 双缝之间的距离d 0 50mm 单缝到双缝之间的距离s 100mm 某同学在用测量头测量时 调整手轮 在测量头目镜中先看到分划板中心刻线对准a条亮纹的中心 然后他继续转动 使分划板中心刻线对准b条亮纹的中心 前后两次游标卡尺的读数如图8所示 则入射光的波长 m 结果保留两位有效数字 图8 解析游标卡尺读数精确度为0 1mm a