2022-2023年鲁科版(2019)新教材高中物理选择性必修1 第5章光的干涉衍射和偏振第2节科学测量：用双缝干涉测光的波长课件VIP

第2节科学测量:用双缝干涉测光的波长【实验目的】1.用双缝干涉实验装置测量光的波长;2.学习测量微小距离的方法.【实验器材】光具座、___________(由光源、滤光片、单缝、_____、遮光筒、毛玻璃屏、测量头组成)、学生电源.双缝干涉仪双缝【实验原理与设计】1.实验原理:根据双缝干涉的条纹间距公式可得λ=

Δy,分别测量d、l、Δy,可求得光波波长.2.实验设计——三个物理量的测量方法:(1)双缝间距d直接读取;(2)双缝到光屏之间的距离l通过光具座的刻度测量;(3)相邻两条亮纹或暗纹中心距离Δy用测量头读出.【实验过程】一、实验步骤1.如图所示,在光具座上把各光学原件装配好.2.从遮光筒上取下双缝,打开电源,调节光源的高度,直到光束能沿遮光筒的轴线射到毛玻璃光屏的中心.3.放上单缝和双缝,使它们的距离为5～10厘米,并保持缝相互平行.注意各光学元件中心应大致位于遮光筒的轴线上.4.观察屏上的白光干涉条纹的特点.给光源加上不同的滤光片,看条纹的色彩、间距发生了什么变化,相邻亮条纹(或暗条纹)的间距是否相等.5.记下双缝间的距离d和双缝到光屏的距离l.6.转动手轮,先使分划板的中心刻线对准某条亮纹中心,如图所示,记下此时的读数.继续转动手轮,使分划板中心刻线移过n条条纹,对齐另一亮纹中心,再记下此时的读数.转动手轮进行测量时,一次测量中不要反向旋转.7.把测量结果记录在数据表格中,算出两次读数之差,求出相邻亮条纹(或暗条纹)的平均间距Δy.求出光的波长.【思考·讨论】如图所示,与两缝之间的距离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.需要知道哪些量,就可以求该激光的波长? (科学思维)提示:知道双缝间距d、双缝到屏的距离l和条纹间距Δy,就可以求得波长λ=Δy.二、数据收集与分析1.列d、l、Δy数据收集表:实验次数双缝间的距离d双缝到光屏的距离l相邻条纹的平均间距Δy1232.实验结论:通过实验数据求得光的波长.【思考·讨论】怎样比较准确地测量相邻条纹的平均间距Δy? (科学思维)提示:Δy利用测量头测量,可利用“累计法”测n条亮条纹间距,再求Δy=,并且采用多次测量求平均值的方法进一步减小误差.【注意事项】1.双缝干涉仪是比较精密的实验仪器,要轻拿轻放,不要随便拆分遮光筒、测量头等元件.2.安装时,要保证光源、滤光片、单缝、双缝和光屏的中心在同一条轴线上,并使单缝、双缝平行且竖直.3.光源使用线状长丝灯泡,调节时使之与单缝平行且靠近.4.测量头的分划板中心刻线要对准条纹的中心.5.要多测几条亮条纹(或暗条纹)中心间的距离,再求Δy.类型一实验操作【典例1】在“用双缝干涉测光的波长”实验中(实验装置如图所示):(1)下列说法中错误的是________.(选填选项前的字母)

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.测量某条干涉亮纹位置时,应使测微目镜分划板中心刻线与该亮纹的中心对齐C.为了减小测量误差,可用测微目镜测出n条亮纹间的距离a,求出相邻两条亮纹间距Δy=

(2)测量某亮纹位置时,手轮上的示数如图所示,其示数为________mm.

【解析】(1)调节光源高度使光束沿遮光筒轴线照在屏中心时,无需放上单缝和双缝,故A错误;测量某条干涉亮纹位置时,应使测微目镜分划板中心刻线与该亮纹的中心对齐,故B正确;为了减小测量误差,可用测微目镜测出n条亮纹间的距离a,求出相邻两条亮纹间距Δy=,再利用公式Δy=λ便可得到波长的测量值,故C正确;本题选择错误的,故选A.(2)螺旋测微器的主尺读数为1.5mm,可动刻度是0.01mm×47.0=0.470mm,总读数为1.5mm+0.470mm=1.970mm.答案:(1)A

(2)1.970类型二数据处理【典例2】用双缝干涉测光的波长,已知双缝与屏的距离L=0.700m,双缝间距d=0.200mm.用测量头来测量亮纹中心的距离.测量头由分划板、目镜、手轮等构成,转动手轮,使分划板左右移动,让分划板的中心刻线对准亮纹的中心,如图甲所示,记下此时手轮上的读数,转动测量头,使分划板中心刻线对准另一条亮纹的中心,记下此时手轮上的读数.

(1)分划板的中心刻线分别对准第1条和第6条亮纹的中心时,手轮上的读数如图乙所示,则对准第1条时读数x1=________mm、对准第6条时读数x2=________mm.

(2)写出计算波长λ的表达式,λ=________(用x1、x2

、L、d表示,不用计算).

(3)在屏上观察到了干涉条纹,如果将双缝到屏距离增大,则屏上的干涉条纹的间距将________(选填“变大”“不变”或“变小”).

【解析】(1)主尺读数为1mm,可动刻度为19.0×0.01mm,读数为1mm+19.0×0.01mm=1.190mm,同理可得x2的读数为9.869mm;(2)由Δy=λ可知λ=(3)由公式Δy=λ可知将双缝到屏距离增大,则屏上的干涉条纹的间距将变大答案:(1)1.190(1.189～1.191)

9.869(9.868～9.870)(2)

(3)变大【变式训练】利用双缝干涉测定单色光波长,某同学在做该实验时,第一次将分划板中心刻度对齐A条纹中心时(图甲),游标卡尺的示数如图丙所示,第二次将分划板中心刻度对齐B条纹中心时(图乙),游标卡尺的示数如图丁所示,已知双缝间距为0.5mm,从双缝到屏的距离为1m,则图丙中游标卡尺的示数为________mm,图丁游标卡尺的示数为________mm.在实验中,所测单色光的波长为________m.在本实验中如果在双缝上各有一个红色和绿色滤光片,那么在光屏上将________(选填“能”或“不能”)看到明暗相间的条纹.

【解析】根据游标卡尺的原理,可读出图丙的示数为11.40mm,图丁的示数是16.80mm.Δy==1.35mm.又根据Δy=λ,则λ=Δy=6.75×10-7m.当在双缝上各有一个红色和绿色滤光片时,不满足干涉条件,故不能看到明暗相间的条纹.答案:11.40

16.80

6.75×10-7不能类型三实验创新【典例3】在观察光的干涉现象的实验中,将两片刀片合在一起,在涂有墨汁的玻璃片上划出不同间隙的双缝;按如图所示的方法,让激光束通过自制的双缝.

(1)双缝的作用是当激光照射它时 (

)A.在双缝处形成明暗相间等间距的条纹B.形成相干光并在光屏上出现中间宽两边窄的条纹C.形成两束增强的光并进行叠加形成明暗相间的条纹D.形成振动情况相同的两束光并在光屏上形成明暗相间等间距的条纹(2)实验时如果增大双缝到光屏的距离,条纹间距________,条纹亮度________.

【解析】(1)双缝的目的在于产生双缝干涉现象,使后面的光屏上形成明暗相间的等间距的条纹,故选D;(2)由Δy=λ可知,增大双缝到光屏的距离后,可以使条纹间距增大;而同时条纹的亮度会变暗.答案:(1)D

(2)增大变暗【创新评价】创新角度创新方案实验器材用刀片在涂有墨汁的玻璃片上划出有很小间隙的自制双缝代替双缝.1.下列关于双缝干涉实验的说法中正确的是 (

)A.单缝的作用是获得频率保持不变的相干光源B.双缝的作用是获得两个振动情况相同的相干光源C.光屏上距两缝的路程差等于半波长的整数倍处出现暗条纹D.在光屏上能看到光的干涉图样,但在双缝与光屏之间的空间却没有干涉发生【解析】选B.单缝的作用是获得一个线光源,双缝的作用是为了获得频率相同的两个光源,故A错误,B正确;光屏上距两缝的路程差等于半波长的奇数倍处出现暗条纹,光屏上距两缝的路程差等于半波长的偶数倍处出现明条纹,故C错误;两列光波只要相遇就会叠加,满足相干条件就能发生干涉,所以在双缝与光屏之间的空间也会发生光的干涉,用光屏接收只是便于肉眼观察,故D错误.故选B.【补偿训练】

(多选)某同学在做双缝干涉实验时,安装好实验装置,在光屏上却观察不到干涉图样,这可能是由于 (

)A.光束的中央轴线与遮光筒的轴线不一致,相差较大B.没有安装滤光片C.单缝与双缝不平行D.光源发出的光束太强【解析】选A、C.安装实验器件时要注意:光束的中央轴线与遮光筒的轴线要重合,光源与光屏正面相对,滤光片、单缝和双缝要在同一高度,中心位置在遮光筒轴线上,单缝与双缝要相互平行,才能使实验成功.还要使光源发出的光束不要太暗.据以上分析,可知选项A、C正确.2.如图甲所示为双缝干涉实验的装置示意图.乙图为用绿光进行实验时,在屏上观察到的条纹情况,a为中央亮条纹,丙图为换用另一颜色的单色光做实验时观察到的条纹情况,a′为中央亮条纹.则以下说法正确的是 (

)A.丙图可能为用红光实验产生的条纹,表明红光波长较长B.丙图可能为用紫光实验产生的条纹,表明紫光波长较长C.丙图可能为用紫光实验产生的条纹,表明紫光波长较短D.丙图可能为用红光实验产生的条纹,表明红光波长较短【解析】选A.根据双缝干涉图样的特点,入射光的波长越长,同一装置产生的双缝干涉图样中条纹的间距就越大.由本题的条件可确定另一种颜色的单色光比绿光的波长长,因此A正确,B、C、D错误.3.用双缝干涉测光的波长,实验中采用双缝干涉仪,它包括以下元件(其中双缝和光屏连在遮光筒上):A.白炽灯B.单缝片C.光屏D.双缝E.滤光片(1)把以上元件安装在光具座上时,正确的排列顺序是:__________________;

(2)正确调节后,在屏上观察到红光干涉条纹,用测量头测出10条红亮条纹间的距离为a;改用绿色滤光片,其他条件不变,用测量头测出10条绿亮条纹间的距离为b,则一定有a________b(选填“>”“<”或“=”).

【解析】(1)为获取单色线光源,白色光源后面要有滤光片、单缝,然后让单色线光源通过双缝在光屏上形成干涉图样.所以在光具座上从左向右,应该是光源、滤光片、单缝、双缝、光屏,故自光源起合理的顺序是:AEBDC;(2)红光的波长大于绿光的波长,由公式Δy=λ,可知红光的干涉条纹间距Δy1与绿光的干涉条纹间距Δy2相比,Δy1>Δy2.答案:(1)AEBDC

(2)>4.利用双缝干涉测定光的波长实验中,取双缝间距d=0.25mm,双缝光屏间距离L=0.5m,用某种单色光照射双缝得到干涉图样如图,分划板在图中A、B位置时手轮上的读数如图,则图中A位置的读数为________mm,B位置的读数为________mm,单色光的波长为________m.

【解析】图中A位置的读数为2mm+0.01mm×19.1=2.191mm,B位置的读数为7.5mm+0.01mm×36.8=7.868mm;Δy==0.811mm,根据Δy=λ,解得λ==4.1×10-7m.答案:2.191(2.190～2.193都可)7.868(7.865～7.870都可)

4.1×10-7

5.某同学设计了一个测定激光的波长的实验装置如图所示,激光器发出一束直径很小的红色激光进入一个一端装有双缝、另一端装有感光片的遮光筒,感光片的位置上出现一排等距的亮线.(1)这个现象说明激光具有________性.

(2)某同学在做“用双缝干涉测光的波长”实验时,第一次分划板中心刻度线对齐A条纹中心时如图(1)所示,游标卡尺的示数如图(2)所示;第二次分划板中心刻度线对齐B条纹中心线时如图(3)所示,游标卡尺的读数如图(4)所示.已知双缝间距为0.5mm,从双缝到屏的距离为1m,则图(2)中游标卡尺的示数为________mm,图(4)中游标卡尺的示数为________mm,所测光波的波长为__________m(波长值保留两位有效数字).

【解析】(1)光的干涉现象说明激光具有相干性;(2)图(2)游标卡尺的主尺读数为11mm,游标读数为0.1×4mm=0.4mm,则最终读数为11.4mm,图(4)游标卡尺的主尺读数为16mm,游标读数为0.1×8mm=0.8mm,则最终读数为16.8mm,则相邻条纹的间距Δy=mm=1.35mm,根据Δy=λ得,λ=m=6.8×10-7m答案:(1)相干(2)11.4

16.8

6.8×10-76.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,由左到右,表示各光学元件的字母排列顺序应为C、________、________、________、A.

(2)已知测量头是50分度的游标卡尺.某同学调整手轮后,从测量头的目镜看去,第1次映入眼帘的干涉条纹如图(a)所示,图(a)中的数字是该同学给各亮纹的编号,此时图(b)中游标卡尺的读数x1=1.16mm;接着再转动手轮,映入眼帘的干涉条纹如图(c)所示,此时图(d)中游标卡尺的读数x2=________mm.

(3)利用上述测量结果,该同学经计算得这种色光的波长λ=660nm.已知L=700mm,则该同学选用的双缝屏的缝间距d=________mm.(计算结果保留两位有效数字)

【解析】(1)为获取单色线光源,白光光源后面要有滤光片、单缝、双缝,即为E、D、B;(2)游标卡尺的主尺读数为15mm,游标读数为0.02×1mm=0.02mm,所以最终读