【步步高】2020年高考物理大一輪 實(shí)驗(yàn)十五 　用雙縫干涉測(cè)量光的波長(zhǎng) 新人教版選修3-4

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1、實(shí)驗(yàn)十五　用雙縫干涉測(cè)量光的波長(zhǎng) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1．理解雙縫干涉的原理，能安裝和調(diào)試儀器． 2．觀察入射光分別為白光和單色光時(shí)雙縫干涉的圖樣． 3．掌握利用公式Δx＝λ測(cè)波長(zhǎng)的方法． 二、實(shí)驗(yàn)原理 單色光通過(guò)單縫后，經(jīng)雙縫產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉圖樣，圖樣中相鄰兩條亮(暗)條紋間的距離Δx與雙縫間的距離d、雙縫到屏的距離l、單色光的波長(zhǎng)λ之間滿(mǎn)足λ＝d·Δx/l. 三、實(shí)驗(yàn)器材 雙縫干涉儀，即：光具座、光源、濾光片、單縫、雙縫、遮光筒、毛玻璃屏、測(cè)量頭，另外還有學(xué)生電源、導(dǎo)線、刻度尺． 附：測(cè)量頭的構(gòu)造及使用 如圖1甲所示，測(cè)量頭由分劃板、目鏡、手輪等構(gòu)成，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，分劃板會(huì)向

2、左右移動(dòng)，測(cè)量時(shí)，應(yīng)使分劃板的中心刻度對(duì)齊條紋的中心，如圖乙，記下此時(shí)手輪上的讀數(shù)．然后轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量頭，使分劃板中心刻線與另一條紋的中心對(duì)齊，再次記下手輪上的刻度．兩次讀數(shù)之差就表示這兩個(gè)亮條紋間的距離． 圖1 實(shí)際測(cè)量時(shí)，要測(cè)出n條亮條紋(暗條紋)的寬度，設(shè)為a，那么Δx＝. 四、實(shí)驗(yàn)步驟 1．安裝儀器 (1)將光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上，如圖2所示． 圖2 (2)接好光源，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，使白熾燈正常發(fā)光．調(diào)節(jié)各部件的高度，使光源燈絲發(fā)出的光能沿軸線到達(dá)光屏． (3)安裝單縫和雙縫，中心位于遮光筒的軸線上，使雙縫和單縫相互平行． 2．觀察與記錄 (1)調(diào)整單

3、縫與雙縫間距為幾厘米時(shí)，觀察白光的干涉條紋． (2)在單縫和光源間放上濾光片，觀察單色光的干涉條紋． (3)調(diào)節(jié)測(cè)量頭，使分劃板中心刻度線對(duì)齊第1條亮條紋的中心，記下手輪上的讀數(shù)a1；轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使分劃板向一側(cè)移動(dòng)，當(dāng)分劃板中心刻度線與第n條相鄰的亮條紋中心對(duì)齊時(shí)，記下手輪上的刻度數(shù)a2，則相鄰兩條紋間的距離Δx＝. (4)換用不同的濾光片，測(cè)量其他色光的波長(zhǎng)． 3．?dāng)?shù)據(jù)處理 用刻度尺測(cè)量出雙縫到光屏間的距離l，由公式λ＝Δx計(jì)算波長(zhǎng)．重復(fù)測(cè)量、計(jì)算，求出波長(zhǎng)的平均值． 五、誤差分析 測(cè)定單色光的波長(zhǎng)，其誤差主要由測(cè)量引起，條紋間距Δx測(cè)量不準(zhǔn)，或雙縫到屏的距離測(cè)不準(zhǔn)都會(huì)引起誤差，

4、但都屬于偶然誤差，可采用多次測(cè)量取平均值的方法來(lái)減小誤差． 六、注意事項(xiàng) 1．調(diào)節(jié)雙縫干涉儀時(shí)，要注意調(diào)整光源的高度，使它發(fā)出的一束光能夠沿著遮光筒的軸線把屏照亮． 2．放置單縫和雙縫時(shí)，縫要相互平行，中心大致位于遮光筒的軸線上． 3．調(diào)節(jié)測(cè)量頭時(shí)，應(yīng)使分劃板中心刻線和條紋的中心對(duì)齊，記清此時(shí)手輪上的讀數(shù)，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使分劃板中心刻線和另一條紋的中心對(duì)齊，記下此時(shí)手輪上的讀數(shù)，兩次讀數(shù)之差就表示這兩條紋間的距離． 4．不要直接測(cè)Δx，要測(cè)多個(gè)亮條紋的間距再計(jì)算得Δx，這樣可以減小誤差． 5．白光的干涉觀察到的是彩色條紋，其中白色在中央，紅色在最外層． 記憶口訣 亮光源、濾光片，單

5、縫雙縫成一線； 遮光筒、測(cè)量頭，中間有屏把像留； 單縫雙縫平行放，共軸調(diào)整不能忘； 分劃線、亮條紋，對(duì)齊平行測(cè)得準(zhǔn)； n條亮紋讀尺數(shù)，相除可得鄰間距； 縫距筒長(zhǎng)記分明，波長(zhǎng)公式要記清. 例1　在“用雙縫干涉測(cè)光的波長(zhǎng)”實(shí)驗(yàn)中： (1)實(shí)驗(yàn)裝置采用雙縫干涉儀，它由各部分光學(xué)元件在光具座上組成，現(xiàn)準(zhǔn)備了下列儀器：A.光源，B.雙縫片，C.單縫片，D.濾光片，E.毛玻璃(其中雙縫片和光屏連在遮光筒上)．把以上儀器安裝在光具座上時(shí)，正確的排列順序是____________． (2)關(guān)于本實(shí)驗(yàn)，正確的說(shuō)法是

6、 (　　) A．實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)調(diào)節(jié)各器件共軸，并且單縫和雙縫的縫應(yīng)相互平行 B．觀察到的白光的干涉圖樣是：可以看到彩色的干涉條紋，中央為一條白亮的零級(jí)干涉條紋；彩色條紋的排列，以零級(jí)亮條紋為中心左右對(duì)稱(chēng)，在第一級(jí)亮條紋中紫色在最外側(cè) C．看到白光的干涉條紋后，在單縫前面放上紅色或綠色濾光片，即可看到紅黑相間或綠黑相間的干涉條紋，且紅條紋的間距比綠條紋的間距大 D．測(cè)量時(shí)應(yīng)使測(cè)量頭的分劃板的中心刻線對(duì)齊條紋的中心再讀數(shù) 例2　利用雙縫干涉測(cè)定光的波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)中，雙縫間距d＝0.4 mm，雙縫到光屏的距離l＝0.5 m，用某種單色光照射雙縫得到干涉條紋如圖3所示，分劃板在圖中A、B位置時(shí)游標(biāo)

7、卡尺讀數(shù)也如圖中所示，則： 圖3 (1)分劃板在圖中A、B位置時(shí)游標(biāo)卡尺讀數(shù)分別為xA＝______mm，xB＝______mm，相鄰兩條紋間距Δx＝______mm； (2)波長(zhǎng)的表達(dá)式λ＝________(用Δx、l、d表示)，該單色光的波長(zhǎng)λ＝________m； (3)若改用頻率較高的單色光照射，得到的干涉條紋間距將________(填“變大”、“不變”或“變小”)． 例3　在觀察光的干涉現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)中，將兩片刀片合在一起，在涂有墨汁的玻璃片上劃出不同間隙的雙縫；按圖4所示的方法，讓激光束通過(guò)自制的雙縫． 圖4 (1)保持縫到光屏的距離不變，換用不同間隙的雙縫，

8、雙縫的間隙越小，屏上明暗相間的條紋間距________(選填“越大”或“越小”)； (2)保持雙縫的間隙不變，光屏到縫的距離越大，屏上明暗相間的條紋間距________(選填“越大”或“越小”)； (3)在狹縫間的距離和狹縫與屏的距離都不變的條件下，用不同顏色的光做實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)用藍(lán)色光做實(shí)驗(yàn)在屏上明暗相間的條紋間距比用紅色光做實(shí)驗(yàn)時(shí)______(選填“大”或“小”)． 1．利用圖5中裝置研究雙縫干涉現(xiàn)象時(shí)，下面幾種說(shuō)法中正確的是 (　　) 圖5 A．將屏移近雙縫，干涉條紋間距變窄 B．將濾光片由藍(lán)色的換成紅色的，干涉條紋間距變寬 C．將單縫向雙縫

9、移動(dòng)一小段距離后，干涉條紋間距變寬 D．換一個(gè)兩縫之間距離較大的雙縫，干涉條紋間距變窄 2．某同學(xué)在做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，按各元件的合理順序正確的安裝好實(shí)驗(yàn)裝置，在光屏上卻觀察不到干涉圖樣，這可能是由于 (　　) A．光束的中央軸線與遮光筒的軸線不一致，相差較大 B．沒(méi)有安裝濾光片 C．單縫與雙縫不平行 D．光源發(fā)出的光束太強(qiáng) 3．如圖6所示是用雙縫干涉測(cè)量光的波長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖． 圖6 (1)圖中①是光源，⑤是光屏，它們之間的②③④依次是________、________、________.

10、(2)以下哪些操作能夠增大光屏上相鄰兩條亮紋之間的距離 (　　) A．增大③和④之間的距離 B．增大④和⑤之間的距離 C．將紅色濾光片改為綠色濾光片 D．增大雙縫之間的距離 (3)在某次實(shí)驗(yàn)中，已知雙縫到光屏之間的距離是600 mm，雙縫之間的距離是0.20 mm，單縫到雙縫之間的距離是100 mm，某同學(xué)在用測(cè)量頭測(cè)量時(shí)，先將測(cè)量頭目鏡中看到的分劃板中心刻線對(duì)準(zhǔn)某條亮紋(記作第1條)的中心，這時(shí)手輪上的示數(shù)如圖7甲所示，然后他轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量頭，使分劃板中心刻線對(duì)準(zhǔn)第7條亮紋的中心，這時(shí)手輪上的示數(shù)如圖乙所示．這兩次示數(shù)依次為_(kāi)_______mm和__

11、______mm，由此可以計(jì)算出這次實(shí)驗(yàn)中所測(cè)得的單色光的波長(zhǎng)為_(kāi)_______nm. 圖7 4．現(xiàn)有毛玻璃屏A、雙縫B、白光光源C、單縫D和透紅光的濾光片E等光學(xué)元件，要把它們放在如圖8所示的光具座上組裝成雙縫干涉裝置，用以測(cè)量紅光的波長(zhǎng)． 圖8 (1)將白光光源C放在光具座最左端，依次放置其他光學(xué)元件，由左至右，表示各光學(xué)元件的字母排列順序應(yīng)為C、____、____、____、A. (2)本實(shí)驗(yàn)的步驟有： ①取下遮光筒左側(cè)的元件，調(diào)節(jié)光源高度，使光束能沿遮光筒的軸線把屏照亮； ②按合理的順序在光具座上放置各光學(xué)元件，并使各元件的中心位于遮光筒的軸線上； ③用刻度尺測(cè)

12、量雙縫到屏的距離； ④用測(cè)量頭(其讀數(shù)方法同螺旋測(cè)微器)測(cè)量數(shù)條亮紋間的距離. 在操作步驟②時(shí)還應(yīng)注意__________________________和_______________________. (3)將測(cè)量頭的分劃板中心刻線與某亮紋中心對(duì)齊，將該亮紋定為第1條亮紋，此時(shí)手輪上的示數(shù)如圖9甲所示．然后同方向轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量頭，使分劃板中心刻線與第6條亮紋中心對(duì)齊，記下此時(shí)如圖乙所示的手輪上的示數(shù)為_(kāi)_______mm，求得相鄰亮紋的間距Δx為_(kāi)_______mm. 圖9 (4)已知雙縫間距d為2.0×10－4 m，測(cè)得雙縫到屏的距離l為0.700 m，由計(jì)算式λ＝_ _____

13、__，求得所測(cè)紅光波長(zhǎng)為_(kāi)_______nm. 5．在“用雙縫干涉測(cè)光的波長(zhǎng)”實(shí)驗(yàn)中，將雙縫干涉儀按要求安裝在光具座上(如圖10所示)，并選用縫間距d＝0.2 mm的雙縫屏．從儀器注明的規(guī)格可知，像屏與雙縫屏間的距離L＝700 mm.然后，接通電源使光源正常工作． 圖10 圖11 (1)已知測(cè)量頭主尺的最小刻度是毫米，副尺上有50分度．某同學(xué)調(diào)整手輪后，從測(cè)量頭的目鏡看去，第1次映入眼簾的干涉條紋如圖11(a)所示，圖(a)中的數(shù)字是該同學(xué)給各暗紋的編號(hào)，此時(shí)圖(b)中游標(biāo)尺上的讀數(shù)x1＝1.16 mm；接著再轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，映入眼簾的干涉條紋如圖(c)所示，此時(shí)圖(d)中游標(biāo)尺上的

14、讀數(shù)x2＝________ mm； (2)利用上述測(cè)量結(jié)果，經(jīng)計(jì)算可得兩個(gè)相鄰明紋(或暗紋)間的距離Δx＝______ mm；這種色光的波長(zhǎng)λ＝______ nm. 答案 課堂探究 例1　(1)ADCBE或EBCDA　(2)ACD 例2　(1)11.1　15.6　0.75　(2)Δx　6.0×10－7　(3)變小 例3　(1)越大　(2)越大　(3)小 隨堂訓(xùn)練 1．ABD　2.AC 3．(1)濾光片、單縫、雙縫　(2)B (3)0.641(±0.002)　10.293(±0.002) 536 4．(1)E　D　B　(2)放置單縫、雙縫時(shí)，必須使縫平行　單縫、雙縫間的距離要適當(dāng) (3)13.870　2.310　(4)　660 5．(1)15.02　(2)2.31　660