物理人教版选修3-4学案第十三章第4节实验用双缝干涉测量光的波长-1

4．实验：用双缝干涉测量光的波长1．了解“用双缝干涉测量光的波长”的实验原理，知道影响干涉条纹宽度的因素。2．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，加强合作意识。测量长度的工具有：毫米刻度尺、米尺、螺旋测微器、游标卡尺等。光波的波长该用什么尺子来测量呢？双缝干涉实验仪提示：不是用某一把尺子，而是用双缝干涉仪来测量，在这个仪器中有毫米刻度尺和螺旋测微器(或游标卡尺)。1．观察双缝干涉图样(1)将____、______、________依次安放在光具座上。如图所示。(2)接好光源，打开开关，使灯丝正常发光。(3)调节各器件的高度，使光源灯丝发出的光能沿轴线射到光屏上。(4)安装双缝和单缝，中心大致位于遮光筒的中心____上，使双缝与单缝的缝____，二者间距约5～10cm，这时，(5)在单缝和光源间放上滤光片，观察单色光的干涉条纹。2．测定单色光的波长(1)安装测量头，调节至可清晰观察到干涉条纹。(2)使分划板中心刻线对齐________中心时，记下手轮上的读数a1；转动手轮，使分划板中心刻线移动至________的中心时，记下此时手轮上的读数a2；并记下两次测量时移过的条纹数n，则相邻两亮条纹间距______________。(3)用刻度尺测量____________(d是已知的)。(4)重复测量、计算，求出波长的平均值。(5)换用不同滤光片，重复实验。思考：为什么不直接测Δx，而要测n条条纹间距？答案：1．(1)光源遮光筒毛玻璃屏(4)轴线平行2．(2)某亮条纹另一亮条纹Δx＝||(3)双缝到毛玻璃屏间的距离l思考提示：由于光的波长很小，实验中条纹宽度很小，无法直接测出一条条纹的宽度，只能先测出n个条纹间距，再求相邻亮条纹间的距离。一、实验原理光波波长很小，Δx、l的测量对波长λ的影响很大。l用毫米刻度尺测量，Δx用测量头上的游标尺测量，可测多条亮条纹间距离再求Δx，采用多次测量求λ的平均值法，可减小误差。实验原理分析：如图所示，电灯发出的光，经过滤光片后变成单色光，把单缝S照亮，这时单缝S相当于一单色光源，它又把双缝S1和S2照亮，S1、S2双缝相当于两个步调完全一致的单色相干光源，透过S1、S2双缝的单色光波在屏上相遇并叠加，S1、S2到屏上P点的路程分别是r1、r2，两列光波传到P的路程差Δr=|r1－r2|，设光波波长为λ。(1)若Δr=nλ(n=0,1,2，…)，两列波传到P点时同相，互相加强，出现亮条纹。(2)若Δr=(2n+1)(n=0,1,2，…)，两列波传到P点时反相，互相减弱，出现暗条纹。这样就在屏上得到了平行于双缝S1、S2的明暗相间的干涉条纹。相邻两条亮条纹间的距离Δx与入射光的波长λ，双缝S1、S2间距离d及双缝到屏的距离l有关，其关系式为Δx=λ，因此，只要测出Δx、d、l，即可测出波长λ。两条相邻的亮(暗)条纹间的距离Δx用测量头测出。测量头由分划板、目镜、手轮等构成，如图甲所示。转动手轮，分划板会左、右移动，测量时，应使分划板中心刻线对齐亮条纹的中心(如图乙所示)，记下此时手轮上的读数a1，转动手轮，使分划板向一侧移动，当分划板中心刻线对齐另一条相邻的亮条纹的中心时，记下手轮上的刻度数a2，两次读数之差就是相邻两条亮条纹间的距离，即Δx＝|a1－a2|。Δx很小，直接测量时相对误差较大，通常测出n条亮条纹间的距离a，再推算相邻两条亮(暗)条纹间的距离，Δx＝eq\f(a,n－1)。计算相邻亮条纹的距离时要用n条亮条纹的距离a除以n－1条亮条纹间距，而且为了减小误差，实验中Δx、l都应测量多组数据，最后求λ的平均值。二、注意事项1．调节双缝干涉仪时，要注意调节光源的高度，使它发出的一束光能够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轴线上。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，使分划板中心刻线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距离。4．不要直接测Δx，要测几个条纹的间距计算得Δx，这样可减小误差。5．白光的干涉观察到的是彩色条纹，其中白色在中央，红色在最外层。在实验中有时照在光屏上的光很弱，主要原因是灯丝与单缝、双缝，测量头与遮光筒不共轴线所致；干涉条纹不清晰一般主要原因是单缝与双缝不平行所致，故应正确调节。类型一光的干涉条件及现象【例1】如图所示，用单色光做双缝干涉实验时，P处为第二条亮条纹，改用频率较高的单色光重做实验(其他条件不变)时，则第二条亮条纹的位置()。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亮条纹解析：由Δx＝eq\f(l,d)λ判断Δx的变化情况。光波的频率变高，则光波波长变短。由Δx＝eq\f(l,d)λ可知，Δx减小。所以，第二条亮条纹的位置在P点的下方。答案：C题后反思：由Δx＝eq\f(l,d)λ可看出，影响两相邻亮条纹间距的因素有：入射光的波长λ、双缝间距离d、双缝到光屏的距离l。触类旁通：例1中，若将屏移到远处(即双缝到屏间距离增大)，其他条件不变，则结果如何？类型二干涉实验测量光波波长【例2】在用双缝干涉测光的波长的实验中：(1)已知双缝到光屏之间的距离是600mm，双缝之间的距离是0.20mm，单缝到双缝之间的距离是100mm，某同学在用测量头测量时，先将测量头目镜中看到的分划板中心刻线对准某条亮条纹(记作第1条)的中心，这时手轮上的示数如甲图所示。然后他转动测量头，使分划板中心刻线对准第7条亮条纹的中心，这时手轮上的示数如乙图所示。这两次示数依次为______mm和__________mm。由此可以计算出本实验所用的单色光的波长为__________nm。解析：测量头为螺旋测微器，甲图示数为a1＝mm，乙图示数为a2＝中间共有6条亮条纹，则Δx＝eq\f(a2－a1,n)＝eq\f(9.789－0.639,6)mm＝1.525mm由题意：l＝600mm由公式Δx＝eq\f(l,d)λ整理并代入数据：λ＝eq\f(d,l)Δx＝eq\f(×1.525,600)×10－4mm＝508nm答案：508题后反思：注意的问题是在移动分划板时共移动了几条亮条纹，再一点就是本类实验装置有所不同，测量头有的是游标卡尺，有的是螺旋测微器。答案：触类旁通提示：由Δx＝得，当l增大时，Δx也增大，即第二条亮条纹在P点上方。1在双缝干涉实验中，用黄光得到一个干涉图样，若要使其干涉条纹间的距离变宽，可以采取的办法有()。A．换用绿色的滤光片 B．换用红色的滤光片C．使光源发出的光更强一些 D．使光屏向双缝靠拢一些2某同学按实验装置安装好仪器后，观察光的干涉现象，获得成功。若他在此基础上对仪器的安装作如下改动，则还能使实验成功的是()。A．将遮光筒内的光屏向靠近双缝的方向移动少许，其他不动B．将滤光片移至单缝和双缝之间，其他不动C．将单缝向双缝移动少许，其他不动D．将单缝与双缝的位置互换，其他不动3分别以红光和紫光先后用同一装置进行双缝干涉实验，已知λ红＞λ紫，在屏上得到相邻亮纹间的距离分别为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Δx不变4做“双缝干涉测量光的波长”实验时，一同学在光屏上隐约看到亮光，根本无法看见明暗相间的条纹，其原因可能是()。A．光源的高度不合适B．没有放入滤光片C．单缝和双缝不平行D．单缝和双缝的前后位置放反了×10－3