课堂讲义系列高中物理人教版34（浙江）讲义第十三章光第3课时

第3课时光的干预试验：用双缝干预测量光的波长[讨论选考·把握考情]学问内容光的干预试验：用双缝干预测量光的波长考试要求加试c教学要求1.知道杨氏双缝干预试验，以及它对熟悉光的本性的意义2.知道光的干预条件，知道杨氏双缝干预试验设计的奇妙之处3.了解干预条件的特点4.理解明、暗条纹产生的条件5.了解试验装置，知道试验原理及需要测量的物理量6.知道测量头的使用方法，会测量明条纹的间距7.知道滤光片和遮光筒的作用，理解试验中为了满意干预条件所采纳的方法8.知道获得抱负干预条纹的试验操作要求9.会用掌握变量的方法，分别讨论光的颜色、双缝距离和双缝与屏之间距离等与条纹间距的关系10.会设计试验数据记录表并记录数据11.会依据给出的波长表达式计算不同颜色光的波长12.会用光传感器做双缝干预试验13.经受试验过程，体会条纹间距测量时的试验方法说明1.不要求定量计算以双缝干预为背景的问题2.不要求推导相邻两个明条纹或暗条纹中心间的计算公式学问点一杨氏干预试验[基础梳理]1.1801年，英国物理学家托马斯·杨胜利地观看到了光的干预现象。2.双缝干预的装置示意图图1试验装置如图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状况。也可用激光直接照耀双缝。(2)双缝的作用：一束光被分成两束频率相同和振动状况完全全都的相干光。3.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相同的。这两个波源发出的光在挡板后面的空间相互叠加，发生干预现象，挡板后面的屏上得到明暗相间的条纹。这种现象证明光是一种波。[要点精讲]1.产生干预的条件：两列光的频率相同、相位相同、振动方向相同。本试验中是靠“一分为二〞的方法获得两个相干光源的。2.干预图样(1)假设用单色光作光源，那么干预条纹是等间距的明暗相间的条纹。(2)假设用白光作光源，那么干预条纹是彩色条纹，且中间条纹是亮的。3.试验结论：证明光是一种波。【例1】在双缝干预试验中，以白光为光源，在屏幕上观看到了彩色干预条纹，假设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)，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预条纹，其他颜色的双缝干预条纹消逝B.红色和绿色的双缝干预条纹消逝，其他颜色的干预条纹依旧存在C.任何颜色的双缝干预条纹都不存在，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拦住两条缝后，红光和绿光频率不等，不能发生干预，因此屏上不会消失干预条纹，但仍有光亮。答案C学问点二消失明暗条纹的条件[基础梳理]当两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长的偶数倍时(即恰好等于波长的整数倍时)，两列光在这点相互加强，这里消失亮条纹；当两个光源与屏上某点的距离之差等于半波长的奇数倍时，两列光在这点相互减弱，这里消失暗条纹。[要点精讲]1.屏上某处消失亮、暗条纹的条件试验装置如图2所示，双缝S1、S2之间的距离为d，双缝到屏的距离为l，屏上的一点P到双缝的距离分别为r1和r2，路程差Δr＝r2－r1。图2(1)假设满意路程差为波长的整数倍，即Δr＝kλ(其中k＝0，1，2，3，…)，那么消失亮条纹。(2)假设满意路程差为半波长的奇数倍，即Δr＝(2k＋1)eq\f(λ,2)(其中k＝0，1，2，3，…)，那么消失暗条纹。2.相邻亮条纹(暗条纹)间的距离Δx与波长λ的关系：Δx＝eq\f(l,d)λ，其中l为双缝到屏的距离，d为双缝之间的距离。【例2】如图3所示为双缝干预试验装置。当使用波长为6×10－7m的橙色光做试验时，光屏上的P点及其上方的P1点形成两条相邻的明纹。假设使用波长为4×10－7m的紫光重复上述试验，在P点和P1点形成的明、暗纹状况是()图3A.P和P1都是明纹B.P是明纹，P1是暗纹C.P是暗纹，P1是明纹D.P和P1都是暗纹解析依据形成明、暗条纹的条件可知：无论换用哪种波长的色光、波程差，Δr＝PS1－PS2＝0，故P点总是明纹。橙色光在P1点形成第一级明纹，有Δr＝P1S2－P1S1＝nλ＝1×6×10－7m＝6×10－7m，这对紫光来说：P1S2－P1S1λ紫，故P1为暗纹。答案B学问点三试验：用双缝干预测量光的波长[要点精讲]操作指要1.双缝干预仪是比拟精密的试验仪器，不要任凭拆分遮光筒、测量头等元件。2.滤光片、单缝、双缝、目镜等会粘附灰尘，只能用擦镜纸轻轻擦拭，不要用其他物品擦拭或口吹气除尘。3.留意调整光源、滤光片、单缝、双缝的中心均在遮光筒的中心轴线上，并使单缝、双缝平行且竖直。4.光源使用线状长丝灯泡，调整时使之与单缝平行且靠近。测量头原理1.测量头由分划板、目镜、手轮构成，转动手轮，分划板会左右移动，测量时，应使分划板中心与条纹中心对齐，登记此时手轮上的读数，然后转动测量头，使分划板中心与另一条纹中心对齐，再次登记手轮上读数。两次读数之差表示这两个条纹间距离。(如图4甲、乙所示)图42.为减小误差，利用“累积法〞测n条亮纹间距，再求Δx＝eq\f(a,n－1)求得相邻条纹间距离。3.留意测量头读数时的有效数字。【例3】在“用双缝干预测量光的波长〞的试验中，装置如图5所示。双缝间的距离d＝3mm。图5(1)假设测量红光的波长，应选用__________色的滤光片。试验时需要测定的物理量有__________和__________。(2)假设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像，手轮转动一周，分划板前进或后退0.500mm)观看第1条亮条纹的位置如图6甲所示，观看第5条亮条纹的位置如图乙所示。那么可求出红光的波长λ＝__________m。图6解析(1)要测量红光的波长，应用红色滤光片。由Δx＝eq\f(l,d)λ可知要想测λ必需测定双缝到屏的距离l和条纹间距Δx。(2)由测量头的数据可知a1＝0，a2＝0.640mm，所以Δx＝eq\f(a2－a1,n－1)＝eq\f,4)×10－4m，λ＝eq\f(dΔx,l)＝eq\f(3×10－3××10－4,0.70)m≈×10－7m。答案见解析1.关于杨氏双缝干预试验，以下说法正确的选项是()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.假设仅将入射光由红光改为紫光，那么条纹间距肯定变大D.用红光照耀一条狭缝，用紫光照耀另一条狭缝，屏上将呈现彩色条纹解析用白光做杨氏双缝干预试验，屏上将呈现彩色条纹，A错误；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正确；λ变小，Δx变小，C错误；红光和紫光频率不同，不能产生干预条纹，D错误。答案B2.在双缝干预试验中，双缝到光屏上P点的距离之差为0.6μm，假设分别用频率为f1×1014Hz和f2×1014Hz的单色光垂直照耀双缝，那么P点现出明、暗条纹的状况是()A.用单色光f1和f2分别照耀时，均消失明条纹B.用单色光f1和f2分别照耀时，均消失暗条纹C.用单色光f1照耀时消失明条纹，单色光f2照耀时消失暗条纹D.用单色光f1照耀时消失暗条纹，单色光f2照耀时消失明条纹解析单色光f1的波长：λ1＝eq\f(c,f1)＝eq\f×108,×1014)×10－6m＝0.6μm。单色光f2的波长：λ2＝eq\f(c,f2)＝eq\f×108,×1014)×10－6m＝0.4μm。因P点到双缝的距离之差Δx＝0.6μm＝λ1，所以用单色光f1照耀时P点消失亮条纹。Δx＝0.6μm＝eq\f(3,2)λ2，所以用单色光f2照耀时P点消失暗条纹，应选项C正确。答案C3.矿井中的瓦斯对人危害极大，某同学查资料得知含有瓦斯的气体的折射率大于洁净空气的折射率，于是他依据双缝干预的原理设计了一个监测仪，在双缝前面放置两个完全相同的透亮?????容器A、B，其中A与洁净空气相通，B与矿井中的气体相通，观看屏上的干预条纹，假如屏的正中心变为暗纹，说明B中气体()图7A.肯定含瓦斯 B.肯定不含瓦斯C.不肯定含瓦斯 D.无法判定解析假如屏的正中心变为暗纹，说明从双缝到屏的路程差发生了变化，所以B中气体肯定含瓦斯。答案A4.用双缝干预测光的波长，试验中采纳双缝干预仪，它包括以下元件：A.白炽灯 B.单缝片C.光屏 D.双缝E.滤光片(其中双缝和光屏连在遮光筒上)图8(1)把以上元件安装在光具座上时，正确的排列挨次是：A____________(A已写好)。(2)本试验的试验步骤有：①取下遮光筒左侧的元件，调整光源高度，使光束能直接沿遮光筒轴线把屏照亮；②按合理挨次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时还应留意________和________。(3)正确调整后，在屏上观看到红光干预条纹，用测量头测出10条红亮纹间的距离为a；改用绿色滤光片，其他条件不变，用测量头测出10条绿亮纹间的距离为b，那么肯定有________大于________。解析(1)双缝干预仪各组成局部在光具座上的正确排序为光源、滤光片、单缝、双缝、屏。(2)单缝与双缝的间距为5cm～10cm，使单缝与双缝相互平行。保证光源、滤光片、单缝、双缝和光屏的中心在遮光筒轴线上。(3)由Δx＝eq\f(l,d)λ知，波长越长，条纹越宽，间距越大，可得出a肯定大于b。答案(1)EBDC(2)单缝与双缝的间距为5cm～10cm使单缝与双缝相互平行(3)ab选择题(在每题给出的四个备选项中至少有一个是符合题目要求的。)1.用两个红灯泡照耀白墙，在墙上看到的是()A.明暗相间的条纹 B.彩色条纹C.一片红光 D.晃动的条纹解析两灯泡不是相干光源，故现象为C。答案C2.以下关于双缝干预试验的说法中，正确的选项是()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状况相同的相干光源C.光屏上相距两缝的路程差等于半波长的整数倍处消失暗条纹D.照耀单缝的单色光的频率越高，光屏上消失的条纹宽度越宽解析单缝的作用是产生一个线光源，两个频率相同的光源称为相干光源，选项A错误；双缝的作用是产生两个频率相同、振动状况相同的相干光源，选项B正确；路程差等于半波长奇数倍处消失暗条纹，选项C错误；频率越高，波长越短，条纹宽度越窄，选项D错误。答案B3.用a、b两种单色光分别照耀同一双缝干预装置，在距双缝恒定距离的屏上得到如图1所示的干预图样，其中图甲是a光照耀形成的，图乙是b光照耀形成的，那么关于a、b两束单色光，以下说法中正确的选项是()图1A.a光的频率比b光的大B.在水中a光传播的速度比b光的大C.水对a光的折射率比b光的大D.b光的波长比a光的短解析从题图可以看出，a光的条纹间距小，说明a光的波长小，频率大，选项D错误，A正确；水对频率低的单色光的折射率小，即水对b光的折射率小，选项C正确；折射率小的光在水中的传播速度大，即b光在水中的传播速度大，选项B错误。答案AC4.一束白光通过双缝后在屏上观看到干预条纹，除中心白色条纹外，两侧还有彩色条纹，其缘由是()A.各色光的波长不同，因而各色光分别产生的干预条纹间距不同B.各色光的速度不同，造成条纹的间距不同C.各色光的强度不同，造成条纹的间距不同D.各色光通过双缝到达一确定点的距离不同解析各色光的频率不同，波长不同，在屏上得到的干预条纹的宽度不同，各种颜色的条纹相间得到彩色条纹。答案A5.如图2所示，在用单色光做双缝干预试验中，屏中心(到两缝距离相等处)是亮条纹，称为第零级亮条纹，紧靠中心亮纹的暗纹称为第一级暗纹，那么()图2A.B.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倍解析产生亮纹的条件为Δr＝r2－r1＝kλ(k＝0，1，2，3，…)，第三级亮纹：k＝3，那么Δr＝3λ，故D项正确，B、C两项错误；产生暗纹的条件为Δr＝r2－r1＝(2k－1)×eq\f(1,2)λ(k＝1，2，3，…)，第三级暗纹：k＝3，那么Δr＝(2×3－1)×eq\f(1,2)λ＝eq\f(5,2)λ＝2.5λ，故A项错误。答案D6.用绿光做双缝干预试验，在光屏上呈现出绿、暗相间的条纹，相邻两条绿条纹间的距离为Δx。以下说法中正确的有()A.假如增大单缝到双缝间的距离，Δx将增大B.假如增大双缝之间的距离，Δx将增大C.假如增大双缝到光屏之间的距离，Δx将增大D.假如换成红光做试验，试验装置不变，Δx将增大解析依据公式Δx＝eq\f(l,d)λ可以推断出λ越大那么条纹间距越大，而红光的波长大于绿光的波长，因此D正确；d增大那么Δx减小，因此B错误；l增大那么Δx增大，因此C正确；而单缝到双缝的距离不影响条纹间距，因此A错误。答案CD7.如图3所示，在双缝干预试验中，假设单缝S从双缝S1、S2的中心对称轴位置处略微向上移动，那么()图3A.不再产生干预条纹B.仍可产生干预条纹，其中心亮条纹P的位置不变C.仍可产生干预条纹，其中心亮条纹P的位置略向上移D.仍可产生干预条纹，其中心亮条纹P的位置略向下移解析本试验中单缝S的作用是形成频率肯定的线光源，双缝S1、S2的作用是形成相干光源，略微移动S后，没有转变传到双缝的光的频率，因此S1、S2射出的仍是相干光，那么单缝S发出的光到达屏上P点下方某点的光程差为零，故中心亮纹下移。答案D8.双缝干预试验装置如图4所示，绿光通过单缝S后，投射到有双缝的挡板上，双缝S1和S2与单缝S的距离相等，光通过双缝后在与双缝平行的屏上形成干预条纹。屏上O点距双缝S1和S2的距离相等，P点是距O点的第一条亮条纹，假如将入射的单色光换成红光或蓝光，红光波长大于绿光波长，绿光波长大于蓝光波长，那么以下说法正确的选项是()图4A.O点是红光的亮条纹B.红光的第一条亮条纹在P点的上方C.O点不是蓝光的亮条纹D.蓝光的第一条亮条纹在P点的上方解析由于O点到双缝的光程差为零，所以为各种色光的亮条纹，A正确；P点由于是绿光的第一条亮条纹，红光的波长大于绿光的波长，红光的条纹间距大于绿光的条纹间距，因此B正确；同理可知，C、D错误。答案AB光进行双缝干预试验，在屏上观看到如图5甲所示的条纹，仅转变一个试验条件后，观看到的条纹如图乙所示。他转变的试验条件可能是()图5A.减小光源到单缝的距离B.减小双缝之间的距离C.减小双缝到光屏之间的距离D.换用频率更高的单色光源解析转变条件后亮条纹之间的间距变大，由公式Δx＝eq\f(l,d)λ可知，要使Δx增大，可增大双缝到光屏之间的距离l，C错误；减小双缝之间的距离d，B正确；换用波长更长，即频率更低的单色光，D错误；转变光源到单缝的距离不会转变Δx，A错误。答案B10.某同学在做双缝干预试验时，按装置图安装好试验装置，在光屏上却观看不到干预图样，这可能是由于()A.光束的中心轴线与遮光筒的轴线不全都，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安装试验器材时要留意：光束的中心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，才能使试验胜利。当然还要使光源发出的光束不致太暗。综上所述，可知选项A、C正确。答案