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新课标2012届高考物理总复习配套课件实验15 用双缝干涉测光的波长


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实验十五 用双缝干涉测光的波长

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1.理解 缝 涉 原 , 安 和 试 双干 的 理 能 装 调 仪 2.观察 射 分 为 光 单 光 双干 的 入光 别 白 和 色 时 缝 涉 图 3.掌握 公 用式 l Δx= λ 测波长的方法. d

器. 样.

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单色光通过单缝后,经双缝产生稳定的干涉图样,图样中相邻两 条亮(暗)纹间距Δx与双缝间距d、双缝到屏的距离l、单色光的波长λ之 间满足λ=d·Δx/l.

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附:测量头的构造及使用

如图1甲所示,测量头由分划板、目镜、手轮等构成,转动手轮,

分划板会向左右移动,测量时,应使分划板中心刻度对齐条纹的中心, 如图1乙所示,记下此时手轮上的读数.

图1

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两读之就示两条间距 次 数 差 表 这 条纹 的 实测 要 验量 数 , n 条纹 明 (暗纹)的 度 为 宽设

离. a, 那 么 a Δx= . n-1

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双缝干涉仪,即: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.

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1.观察双缝干涉图样 (1)将光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上如图2所示.

图2

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(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到达光屏.
(4)安装双缝和单缝,中心大致位于遮光筒的轴线上,使双缝与单 缝的缝平行,二者间距约5~10 cm,这时,可观察白光的干涉条纹. (5)在单缝和光源间放上滤光片,观察单色光的干涉条纹.

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2.测定 色 的 长 单光 波 1 安 测 头调 至 清 观 到 涉 ) ( 装量,节可晰察干条 2 使 划 中刻 对 某 亮 纹 中 , ) ( 分 板 心 线 齐 条 条 的 央记 读数 a1;动轮使 划 中 刻 移 至一 条 的 央 转 手,分 板 心 线 动 另 亮 纹 中 , 记此手上读 下时轮的数 则邻亮纹 距 相两条间 a2; 记两 测 时 过 条 数 并 下 次 量 移的 纹 |a2-a1| Δx= . n n, 纹 . 下轮的 手上

(3)用刻度尺测量双缝到光屏间距离 l(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.

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1.使用测量头测量a1、a2易出现误差.这样造成了条纹间距Δx的 误差. 2.用刻度尺测量l时,也容易出现误差.

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1.实验时应调整光源、单缝、双缝和光屏、测量头共轴,单缝 和双缝安装时应竖直且相互平行,遮光筒的轴线要与光具座导轨平

行.若不共轴或单缝与双缝不平行则会引起干涉条纹亮度小,不清晰, 不便于观察和测量. 2.分划板上的刻线应与干涉条纹的亮(暗)线平行,否则会增大测

量结果的误差.
3.双缝、测量头安装到遮光筒上时要装到底,使各部件的定位 面紧密吻合,否则影响测量结果.

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题型一

对实验原理、步骤、数据测量的考查

[例1]

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,要把它们放在下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.

图3

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(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;

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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__________________________________________________.

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(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4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Δx为________mm.

图4

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(4)已知双缝间距d为2.0×10 -4 m,测得双缝到屏的距离l为0.700

m,由计算式λ=________,求得所测红光波长为________nm.

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[解析]

(1)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.所以排列顺序
为:C、E、D、B、A. (2)在操作步骤②时应注意的事项有:放置单缝、双缝时,必须使 缝平行;单缝、双缝间距离大约为5~10 cm;要保证光源、滤光片、 单缝、双缝和光屏的中心在同一轴线上. (3)螺旋测微器的读数应该:先读整数刻度,然后看半刻度是否露

出,最后看可动刻度,图乙读数为13.870 mm,图甲读数为2.320 mm,

所以相邻条纹间距

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13.870-2.320 Δx= mm=2.310 mm. 5 l dΔx (4)由条纹间距离公式 Δx= λ 得:λ= ,代入数值得:λ= d l 6.6×10
-7

m=6.6×102 nm.

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题后反思

双缝干涉是光具有波动性的有力的实验证据.通过对干涉图样的
观察、测量与有关计算分析,让学生建立牢固的波的形象的概念.

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变式1—1

(2009·北京高考)在《用双缝干涉测光的波长》实验中,

将双缝干涉实验仪按要求安装在光具座上(如图5),并选用缝间距d=
0.20 mm的双缝屏.从仪器注明的规格可知,像屏与双缝屏间的距离L =700 mm.然后,接通电源使光源正常工作.

图5

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图6

图7

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①已知测量头主尺的最小刻度是毫米,副尺上有50分度.某同学

调整手轮后,从测量头的目镜看去,第一次映入眼帘的干涉条纹如图
6(a)所示,图6(a)中的数字是该同学给各暗纹的编号,此时图6(b)中游 标尺上的读数x1=1.16 mm;接着再转动手轮,映入眼帘的干涉条纹如 图7(a)所示,此时图7(b)中游标尺上的读数x2=________mm; ②利用上述测量结果,经计算可得两个相邻明纹(或暗纹)间的距 离Δx=________mm;这种色光的波长λ=________nm.

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解析:本 考 双 干 测 波 实 的 本 作计 , 题查 缝涉量长 验基操和算 意 考考实 能,括握验 理会用量具 在查 生验力包 掌实原、使测 工和 处实数 理验据 0 2 1 5 . 则有 Δx= 2 ×2 0 . 3 1 . 700 等由 图 , 4 号 纹 动 . 知 条移 了 -1 1 6 . 6 =2 1 3 . m) (m 6 个纹距宽, 条间的度 λ=

l ;再由 Δx= λ, 求 可出 d

mm=6 ×102 n. 6 . m

答案:①15.02

②2.31

6.6×102

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1.先后用两种不同的单色光,在相同的条件下用同一双缝干涉 装置做实验,在屏幕上相邻的两条亮纹间距不同,其中间距较大的那

种单色光比另一种单色光(
A.在真空中的波长较短

)

B.在玻璃中传播速度较大
C.在玻璃中传播时,玻璃的折射率较大 D.其光子的能量较小 答案:BD

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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做如下改动,仍能使实验成功的
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

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l 解析:双缝发生干涉,而单缝发生衍射,故 D 错;由 Δx= λ d 知.改变双缝到屏的距离 l 仍能得清晰条纹,只不过条纹间距变 化,故 A 正确;单缝与双缝之间距离对干涉无影响,故 C 正确; 滤光片的作用是得到相干单色光,在单缝前还是在单、双缝之间 不影响干涉,故 B 正确.

答案:ABC

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3.如图8所示,在“用双缝干涉测光的波长”实验中,光具座上

放置的光学元件如下图所示,则

图8

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(1)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.将红色滤光片改为绿色滤光片
B.增大双缝之间的距离 C.减小④和⑥之间的距离 D.增大④和⑥之间的距离

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(2)转动测量头的手轮,使分划板中心刻线对准第1条亮纹中心,
对应的读数如图9甲所示为x1=________mm,继续转动手轮,使分划

板 中 心 刻 线 对 准 第 5 条 亮 纹 中 心 , 对 应 的 读 数 如 图 9 乙 所 示 为 x2 =
________mm.

图9

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l 解析:(1)根据 Δx= λ,可知增大 l 和 λ 可使 Δx 增大,故选 d D. (2)由甲图,x1=2.190 mm~2.193 mm,均对. 由乙图,x2=7.869 mm~7.871 mm,均对.

答案:(1)D

(2)2.190(2.190~2.193均对)

7.870(7.869~7.871均对)

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4.在利用双缝干涉测定光波波长时,首先调节光源、滤光片、

单缝和双缝的中心均位于遮光筒的中心轴线上,并使单缝和双缝竖直
并且互相平行,当屏上出现了干涉图样后,用测量头上的游标卡尺去 测量,转动手轮,移动分划板使分划板中心刻线与某条明纹中心对齐 时(如图10A所示)将此明纹记为1,

图10

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然后再转动手轮,分划板中心刻线向右移动,依次经过2、3??
明纹,最终与明纹6中心对齐,分划板中心刻线与明纹1和明纹6对齐时

游标卡尺示数分别如图中B、C所示(游标卡尺为10分度),则图B对应
的读数为________m,图C对应的读数为________m.用刻度尺量得双 缝到屏的距离为60.00 cm.由双缝上标示获知双缝间距为0.2 mm,则发 生干涉的光波波长为________m. 在实验中,若经粗调后透过测量头上的目镜观察,看不到明暗相 间的条纹,只看到一片亮区,造成这种情况的最可能的原因是 ________________________________________________.

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解: 图 B 对 读为 析 应数

4 9 1 .
-2

×10 2m m



图 C 对应读数为 2.84×10 l 根据公式 Δx= λ d λ= Δxd = l
-3 -2

1 0.2×10 ×(2.84×10 -1.94×10 )× 5 m -2 60.00×10
-2

=6.00×10

-7

m

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若粗调后看不到干涉条纹,只看到一片亮区,则最可能的原因是

单缝与双缝不平行.
答案:1.94×10-2 2.84×10-2 6.00×10-7 单缝与双缝不平行

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5 . 在 “ 用 双 缝 干 涉 测 光 的 波 长 ” 的 实 验 中 , 装 置 如 图 11 所

示.双缝间的距离d=3 mm.

图11

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(1)若测定红光的波长,应选用________色的滤光片.实验时需要 测定的物理量有:____________和____________. (2)若测得双缝与屏之间距离为0.70 m,通过测量头(与螺旋测微器 原理相似,手轮转动一周,分划板前进或后退0.500 mm)观察到第1条 亮纹的位置如图12(a)所示,观察第5条亮纹的位置如图12(b)所示.则 可求出红光的波长λ=________ m.(保留一位有效数字).

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图12

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解析:(1)测红光波长选红色滤光片,因为红色滤光片只能透 过红光. L (2)据 Δx= λ 知,需测双缝到屏的距离 L 和 n 条亮(或暗)纹 d 间距离 a,从而计算出条纹间距离 Δx,最后算出 λ.

答案:(1)红 (2)7×10-7

双缝到屏的距离L n条亮(或暗)纹间距离a

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