1实验用双缝干涉测量光的波长学案

第十三章光§实验：用双缝干涉测量光的波长学案一．学习目标1、理解实验的原理;2、能够弄清楚单缝和双缝的作用;3、知道如何操作及注意事项；4、进一步理解简谐运动的周期性和对称性。二．重点难点1.重点：用双缝干涉测量光的波长实验原理2.难点：测定单色光的波长三．学法指导本节课是实验课，通过了解实验原理—利用两相邻亮条纹中心间距的表达式测单色光的波长，知道影响干涉条纹宽度的因素。经历用双缝干涉测量光的波长的实验过程，加深对双缝干涉图样的认识和理解，养成合作意识。首先把本节课的内容认真的看一遍。看好以后可以查阅一下资料，最后完成本学案。四．自主学习一、如右图，与两缝S1、S2之间的距离d相比，每个狭缝都很窄，宽度可以忽略。两缝S1、S2的连线的中垂线与屏的交点为P0.双缝到屏的距离OP0=l.若屏上P1点是亮条纹，请问P1S1－P1S2应该满足什么条件？挡板屏lP0P1S1S2挡板屏lP0P1S1S2激光束试着推导x,l,λ,d之间的关系相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距Δx=测波长的公式为λ=根据测波长的公式，预计实验时所用的器材有哪些？改变什么条件可以增大相邻亮条纹的距离以便于测量？不同颜色的单色光的干涉条纹会有什么不同？请你作出猜想，并在后面的实验中验证。二、实验目的：（1）观测白光及单色光的图样（2）测定单色光的三、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，通过屏可以观察到干涉条纹；如果用白光通过双缝可以观察到色条纹。（2）若双缝到屏的距离用l表示，双缝间的距离用d表示，相邻两条亮条纹间d的距离用Δx表示，则入射光的波长为。实验中d是已知的，测出l、Δx即可测出光的波长四、实验器材：双缝干涉仪包括：光具座、光源、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、毛玻璃屏、测量头，另外还有学生电源、导线、刻度尺五、实验装置：如教材上图所示，将直径约为10cm、长约为1m的遮光筒平放在光具座上，筒的一端有双缝，另一端装上毛玻璃做光屏，其上有刻度，先取下双缝，打开光源，调节光源高度，使他发出的一束光恰好沿遮光筒的轴线照亮光屏，然后放好单缝和双缝，两屏相距5cm-10cm六、实验步骤：调节双缝干涉仪，观察光的双缝干涉现象用单色光入射得到干涉条纹，测出n条亮条纹的距离a，得相邻条纹间的距离利用已知的双缝间距d，用刻度尺测出双缝到屏的距离l，根据公式计算出波长换用不同颜色的滤光片，观察干涉条纹间的距离有什么变化，并求出相应的波长。6、注意事项（1）调节双缝干涉仪时，要注意调节的高度，使它发出的一束光能沿着遮光筒的轴线把屏照亮（2）放置单缝和双缝时，缝要相互平行，中心大致位于遮光筒的线上（3）调节测量头时，应使分划板中心刻线对齐条纹的中心，记下此时手轮上的读数，转动测量头，使分划板中心对齐另一条纹的中心，记下此时手轮上的读数，两次读数之差就表示这两条条纹间的（4）不要直接测Δx，要测几个条纹的间距计算得到Δx，这样可误差（5）白光的干涉观察到的是彩色条纹，其中色在中央，色在最外层。五．典型例题例1如图所示是实验装置示意图，甲图是用绿光进行实验的，光屏上观察到的条纹情况，a为中央明纹；乙图为换另一种颜色的单色光进行实验时观察到的条纹情况，b为此时中央明条纹，则下列说法正确的是()A.乙图可能是用红光实验产生的条纹，表明红光波长较长B.乙图可能是用紫光实验产生的条纹，表明紫光波长较长C.乙图可能是用紫光实验产生的条纹，表明紫光波长较短D.乙图可能是用红光实验产生的条纹，表明红光波长较短解析：在同一实验装置下，l、d相同，由Δx=λ可知，相邻两条亮条纹（或暗条纹）之间的距离Δx与λ成正比.由题意知乙中b大于甲中a，所以乙图所用光的波长要长，而对于可见光红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫，波长依次变短，由此可知可能是红光而不是紫光.A选项正确.答案：A方法归纳明确条纹间距公式Δx=λ中各物理量的意义，通过实验观察和理论总结理解条纹间距与波长成正比关系，是解决本题的关键.例2如图所示是用双缝干涉测光的波长的实验设备示意图.（1）图中①是光源，⑤是光屏，它们之间的②③④依次是、和.（2）以下哪些操作能够增大光屏上相邻两条亮纹之间的距离（）A.增大③和④之间的距离B.增大④和⑤之间的距离C.将红色滤光片改为绿色滤光片D.增大双缝之间的距离解析：在光的干涉测波长的实验中，光具座上从左向右依次是光源、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、光屏和测量头.由Δx=λ可知，相邻两条纹间距离与双缝间的距离成反比，应减小双缝之间的距离，D选项错，增大双缝到屏之间的距离，B选项正确，增大光的波长，C选项错误.答案：（1）滤光片单缝双缝（2）B方法归纳掌握光的干涉测波长的实验原理，熟悉实验步骤，正确运用公式计算光的波长.例3在用单色光做双缝干涉实验中，屏中央（到两缝距离相等处）是亮条纹，称为第零级亮条纹，紧靠中央亮纹的暗纹称为第一级暗纹，那么（）A.第三级暗纹到两缝距离差为波长的倍B.第三级亮纹到两缝距离差为波长的倍C.第三级亮纹到两缝距离之差为波长的2倍D.第三级亮纹到两缝距离差为波长的3倍解析：根据出现明暗条纹的条件：当|S2P-S1P|=nλ时，在屏上P点出现亮条纹.n=0时，在屏中央出现第零级亮纹，n=1时，在屏上出现第一级亮纹.以此类推，|S2P′-S1P′|=(2n-1)在屏上出现暗条纹.n=1时，在屏上出现第一级暗纹，n=2时，在屏上出现第二级暗纹.以此类推，根据以上所述，答案应选D.答案：D误区警示本题只需掌握出现明、暗条纹的条件及出现第几级明（暗）纹时，n就是几.易错点是切不可把|S2P′-S1P′|=(2n-1)记作|S2P′-S1P′|=(2n+1).例4用单色光照射双缝，双缝间距等于0.06cm，缝到屏的距离为1.5m，若测得屏上7条亮条纹之间共相距9.0mm，则此单色光的波长是多少？解析：先通过已知条件得出两个相邻条纹间距Δx，然后利用公式λ=Δx进行计算.答案：两个相邻条纹间距Δx=9.0mm/（7-1）=9.0mm/6=×10-3用Δx=×10-3m及双缝间距d=0.06cm=6×10-4m，缝到屏的距离代入λ=Δx可得：λ=6×10-7m.误区警示容易犯的错误是：两个相邻条纹间距Δx=9.0mm/7，错误的原因是没搞清楚条纹数和间距数的关系.六．课堂练习1．用单色光做双缝干涉实验，下列说法中正确的是()A．相邻干涉条纹之间的距离相等B．中央明条纹宽度是两边明条纹宽度的2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2．用包括有红光、绿色、紫光三种色光的复合光做光的干涉实验，所产生的干涉条纹中，离中央亮纹最远的干涉条纹是()A．紫色条纹 B．绿色条纹C．红色条纹 D．都一样近3．分别以红光和紫光先后用同一装置进行双缝干涉实验，在屏上得到相邻条纹间的距离分别为Δx1和Δx2，则()A．Δx1<Δx2B．Δx1>Δx2C．若双缝间距d减小，而其他条件保持不变，则Δx1增大D．若双缝间距d减小，而其他条件保持不变，则Δx1不变4．如图17－1所示双缝干涉实验中产生的条纹图样，甲图为用绿光进行实验的图样，a为中央亮条纹。乙图为换用另一种单色光进行实验的图样，a′为中央亮条纹，则以下说法中正确的是()图17－1A．乙图可能是用红光实验产生的条纹，表明红光波长较长B．乙图可能是用紫光实验产生的条纹，表明紫光波长较长C．乙图可能是用紫光实验产生的条纹，表明紫光波长较短D．乙图可能是用红光实验产生的条纹，表明红光波长较短5．从点光源L发出的白光，经过透镜后成一平行光束，垂直照射到挡板P上，板上开有两条靠得很近的平行狭缝S1、S2，如图17－2所示，在屏Q上可看到干涉条纹，图中O点是屏上与两狭缝等距离的一点，则()图17－2A．干涉条纹是黑白的，O点是亮点B．干涉条纹是黑白的，O点是暗点C．干涉条纹是彩色的，O点是亮点D．干涉条纹是彩色的，O点是暗点6．如图17－3所示，用单色光做双缝干涉实验，S1和S2为双狭缝，O为光屏上的中央亮纹，P处为O点上方的第二亮纹。现改用频率较高的单色光重做实验，其他条件不变，则中央亮纹上方第二条亮纹的位置()、图17－3A．仍在P点处B．在P点上方C．在P点下方D．必须要将屏向双缝方向移近一些才能看到亮纹7．如图17－4所示是研究光的双缝干涉的示意图。不透光的挡板上有两条平行狭缝S1、S2，用单色红光照射双缝，由S1和S2发出的红光到达屏上时会产生干涉条纹，则下列说法正确的是()图17－4A．若只减小两条狭缝S1、S2之间的距离，条纹间距将增大B．若只减小两条狭缝与屏之间的距离，条纹间距将增大C．若只在两条狭缝与屏之间插入一块与屏平行的平板玻璃砖，条纹间距将增大D．若只把用红光照射改用绿光照射，条纹间距将增大8．在“用双缝干涉测量光的波长”实验中：(1)实验装置采用双缝干涉仪，它由各部分光学元件在光具座上组成，现准备了下列仪器：A.光源，B.双缝片，C.单缝片，D.滤光片，E.毛玻璃(其中双缝片和光屏连在遮光筒上)。把以上仪器安装在光具座上时，正确的排列顺序是____________________。(2)关于本实验，正确的说法是()A．实验时应调节各器件共轴，并且单缝和双缝的缝应相互平行B．观察到的白光和干涉图样是：在视场中可以看到彩色的干涉条纹，中央为一条白亮的零级干涉条纹；彩色条纹的排列，以零级亮条纹为中心左右对称，在第一级亮条纹中紫色在最外侧C．看到白光的干涉条纹后，在单缝前面放上红色或绿色滤光片，即可看到红黑相间或绿黑相间的干涉条纹，且红条纹的间距比绿条纹的间距大D．测量时应使测量头的分划板的中心刻线对齐条纹的中心再读数9．在双缝干涉实验中，从光源发出的光经过滤光片后成为________光，经过跟单缝互相平行的双缝后变为________光，从而在屏上可以观察到________图样。若去掉滤光片，在屏上观察到的干涉条纹是________色的。这是因为白光是由________复合而成的，而不同色光的________不同，产生的亮暗条纹________也不同，所以在屏上出现了________色条纹。10．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17－5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。图17－5(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。(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用米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)测量数条亮纹间的距离。在操作步骤②时还应注意________和________。(3)将测量头的分划板中心刻线与某条亮纹中心对齐，将该亮纹定为第1条亮纹，此时手轮上的示数如图17－6(a)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17－6(b)中手轮上的示数________mm，求得相邻亮纹的间距Δx＝________mm。图17－6(4)已知双缝间距d为×10－4m，测得双缝到屏的距离l为0.700m，由计算式λ＝________，求得所测红光的波长为________mm11．用单色光照射双缝，双缝间距等于0.06cm，缝到屏的距离为1.5m，若测得屏上7条亮条纹之间相距9.0mm，则此单色光的波长是多少？12．1801年，托马斯·杨用双缝干涉实验研究了光波的性质。1834年，洛埃利用单面镜同样得到了杨氏干涉的结果(称洛埃镜实验)。图17－7(1)洛埃镜实验的基本装置如图17－7所示，S为单色光源，M为一平面镜。试用平面镜成像作图法画出S经平面镜反射后的光与直接发出的光在光屏上相交的区域。(2)设光源S到平面镜的垂直距离和光屏的垂直距离分别为a和L，光的波长为λ，在光屏上形成干涉条纹。写出相邻两条亮纹(或暗纹)间距离Δx的表达式。参考答案1、解析：因为相邻两条亮纹(或暗纹)间的距离Δx＝eq\f(l,d)λ，其中d为缝间距离，l为缝到屏的距离，λ为光波波长。对于一单色光，干涉条纹间距相等，A正确，C错误；又因为λ红＞λ蓝，所以Δx红>Δx蓝，故D错；干涉条纹还有一个明显区别于衍射条纹的特点，就是干涉条纹的各明或亮条纹的间距相等，故B错。答案：A2、解析：本题考查干涉条纹与入射光波长之间的关系，由相邻两条亮条纹间的间距Δx＝eq\f(l,d)λ可知：条纹间的间距与波长成正比，故C项正确。答案：C3、解析：由Δx＝eq\f(l,d)λ，λ红＞λ紫，Δx红>Δx紫，B项正确；当双缝间距d减小时，其他条件不变，条纹间距Δx应增大，故C项正确。答案：B、C4、解析：因为条纹间距与波长成正比，乙图中条纹间距大于甲图，故乙图中照射光的波长较长，可能为红光，故A正确。答案：A5、解析：白光是复色光，通过双缝形成的干涉条纹是彩色条纹，由题意知eq\x\to(OS1)＝eq\x\to(OS2)，即光程差等于零，在O点振动加强，形成亮点。所以A、B、D错误，C正确。答案：C6、解析：频率变高，波长减小，由Δx＝eq\f(l,d)λ可知，Δx减小，故P点下方出现第二条亮纹，C项正确。答案：C7、解析：由Δx＝eq\f(l,d)λ可知，只减小d，Δx变大，A项正确；只减小L，Δ变小，B项错误