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1、比知识你海纳百川，比能力你无人能及，比心理你处变不惊，比信心你自信满满，比体力你精力充沛，综上所述，高考这场比赛你想不赢都难，祝高考好运，考试顺利。 课时 13.4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,养成合作意识。 重点难点 :利用双缝干涉测量光的波长实验,对相邻亮条纹中心间距公式的推导及应用。 教学建议 :本节主要讲相邻亮(暗)条纹中心间距的表达式,并依据该式测定单色光的波长。要注意相邻亮条 纹中心间距公式的推导,相邻亮条纹距离实际上是其中心的
2、距离。尤其是要处理好两个方面的问题:一是推导过 程中的两次近似处理,二是推导过程中出现的正负号的含义和k值的意义。对于用双缝干涉测量光的波长的实 验,要使学生先理解实验原理,通过思考与讨论 ,提出猜想 ,引导学生积极思考并最大限度地自主完成实验。 导入新课 :你见过的最精密的尺子是什么?可能是千分尺。 千分尺的精度可以达到10 -5 m ,但光的波长比这个 还要小得多 ,光的波长是怎样测量的呢? 1.实验原理 如图所示 ,设双缝S1、S2之间的距离为d,双缝到光屏的距离为l,入射光的波长为 ,相邻两个亮条纹或暗条 纹的中心间距是x,则在双缝干涉中相邻两个亮条纹或暗条纹中心间距的公式是x=错误！
3、未找到引用源。 。 2.观察双缝干涉图样 (1)双缝干涉的实验装置示意图如图所示(请写出各部分的名称)。 a.光源、 b.滤光片、 c.单缝、 d.双缝。 (2)观察双缝干涉图样时,单缝和双缝要相互平行 ,尽量使缝的中心位于遮光筒的轴线上。 3.测定单色光的波长 实验中用于测量干涉条纹间距的仪器叫测量头,其外形如图所示。 (1)测量头由分划板、目镜和手轮三部分构成。 (2)转动手轮 ,分划板会左右移动,测量时从手轮上读取测量数据,手轮的使用与螺旋测微器类似。 1.当角 很小时 ,用弧度表示的 与其正切值、正弦值是什么关系? 解答 : 三者近似相等。 2.从公式 x=错误！未找到引用源。 得知
4、,改变哪些条件便于测量? 解答 : 减小两缝间距d,增大缝到屏的距离l。 3.测量头由哪几部分组成? 解答 : 由分划板、目镜、手轮等构成。 主题 1:双缝干涉实验的原理及现象 问题 :(1)做双缝干涉实验时,为什么要加装滤光片? (2)实验中单缝、双缝和光屏分别有什么作用? (3)用单色光做实验时,观察到的干涉条纹有何特点? (4)用同一个实验装置做双缝干涉实验时,为什么加装不同的滤光片做实验时干涉条纹宽度不同? (5)如果直接用白光 (不加装滤光片 )做实验 ,看到的干涉条纹是怎样的?如何解释看到的现象? 解答 :(1)从小灯泡发出的光经过滤光片后,就可以得到单色光。 (2)单缝获得线光源
5、 ,双缝获得相干光 ,光屏呈现干涉条纹。 (3)等宽、等亮、等间距。 (4)加装不同的滤光片,入射光的波长不同。由x=错误！未找到引用源。 可知 ,入射光波长不同 ,条纹宽 度也不同。 (5)亮条纹中除中央亮条纹是白光外,其余都是彩色的。 其原因是白光中含有七种不同颜色的光,而不同颜色 的单色光波长不同,条纹间距不同 ,所以干涉条纹就变成了彩色的。 知识链接 :在相同条件下用同一实验装置做双缝干涉实验时,条纹间距仅由相干光的波长决定。 主题 2:对双缝干涉条纹间距的测量 问题 :(1)实验中干涉条纹间距是由什么仪器测量的? (2)测量条纹间距时为什么不直接测量相邻亮(暗)条纹的间距 ? (3)
6、实验中测得n条亮纹的间距是d,某同学用 错误！未找到引用源。表示相邻亮条纹间距,那么他计算出的 波长准确吗 ?偏大还是偏小 ? 解答 :(1)测量头。 (2)相邻亮 (暗)条纹间距很小 ,直接测量相邻条纹的间距误差太大。 (3)不准确。此时相邻亮条纹间距应是x=错误！未找到引用源。,根据 x=错误！未找到引用源。 可 知计算出的波长偏小。 知识链接 :双缝干涉实验中测量相邻亮条纹间距时采用了“累积法 ”来减小测量误差 ,就像前面测单摆周 期一样。 1.(考查实验现象 )用白光做双缝干涉实验时,得到彩色的干涉条纹。已知白光中含有红、橙、黄、绿、蓝、靛、 紫七色光 ,其波长是在不断减小的。下列说法
7、正确的是()。 A. 干涉图样的中央亮纹是白色的 B. 干涉图样的中央亮纹是绿色的 C.在靠近中央亮纹两侧最先出现的是红色条纹 D.在靠近中央亮纹两侧最先出现的是紫色条纹 【解析】在可见光中从红光到紫光波长逐渐减小,根据双缝干涉中距O点为x处出现亮条纹公式x= k错 误！未找到引用源。 可知 ,同一装置中k相同时 ,对于紫光x最小 ,对于红光x最大。因此 ,除中央亮条纹白色 以外 ,两侧出现了彩色条纹,而且紫光更靠近中央亮条纹。 【答案】 AD 【点评】白光的干涉条纹中央是白色的,两侧是彩色的。 2.(考查实验的操作)在利用测量头测量条纹宽度时,应使分划板中心刻线最好() A.与亮条纹的边缘对
8、齐 B.与暗条纹的边缘对齐 C.与亮条纹的中心位置对齐 D.与暗条纹的中心位置对齐 【解析】在利用测量头测量条纹宽度时,应使分划板中心刻线最好与亮条纹的中心位置对齐,因条纹的边缘 轮廓不清晰 ,如果对准边缘测量,则误差较大。 【答案】 C 【点评】要掌握这些基本操作。 3.(考查实验原理 )利用图中装置研究双缝干涉现象时,有下面几种说法: A. 将屏移近双缝 ,干涉条纹间距变窄 B. 将滤光片由蓝色的换成红色的,干涉条纹间距变宽 C.将单缝向双缝移动一小段距离后,干涉条纹间距变宽 D.换一个两缝之间距离较大的双缝,干涉条纹间距变窄 E.去掉滤光片后 ,干涉现象消失 其中正确的是。 【解析】由双
9、缝干涉中条纹宽度公式x=错误！未找到引用源。 可得 ,x与单缝和双缝之间的距离无 关,选项 C 错误 ;只改变l时,l减小,x变小 ,选项 A正确 ;换一个间距较大的双缝时,干涉条纹间距变窄,D 正确 ; 只改变 时,x随 的改变而改变 ,当入射光由蓝光换成红光时, 变大 ,x变大 ,选项 B正确 ;去掉滤光片时 , 入射光为白光 ,依然能在屏上观察到干涉条纹,而且是彩色条纹,选项 E 错误。 【答案】 ABD 【点评】要记住公式x=错误！未找到引用源。,并能依据公式作出分析。 4.(考查数据处理 )某次实验时 ,某同学调节分划板的位置,使分划板中心刻线对齐某亮条纹的中心,如图所示 ,此 时测
10、量头的读数为mm 。 转动手轮 ,使分划板向一侧移动到另一条亮条纹的中心位置,再次从测量头上读 数。若实验测得第1 条到第 4 条亮条纹中心间的距离为a=0.960 mm ,已知双缝间距为d=1.5 mm,双缝到屏的距 离为l=1.00 m,则对应的光波波长 应为多少 ? 【解析】测量头的示数为1.180 mm (1.179 mm1.181 mm 均正确 )。 相邻两条亮 (暗)条纹间的距离x=错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。 mm=0.320 mm 由公式 x=错误！未找到引用源。 得,=错误！未找到引用源。 x=错误！未找到引用源。 mm=4.810 -4 mm 。 【答案】 1
11、.180(1.1791.181 均正确 )4.810 -4 mm 【点评】要掌握测量头的读数方法。 拓展 :双缝干涉仪及其使用 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 ,要把它们放在如图甲所示 的光具座上组装成双缝干涉装置,用以测量红光的波长。 甲 (1)将白光光源C放在光具座最左端,毛玻璃屏A放在最右端 ,再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)本实验的步骤为 : 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; 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; 用米尺
12、测量双缝到屏的距离; 用测量头 (其读数方法同螺旋测微器)测量数条亮条纹间的距离。 在操作步骤时还应注意和。 (3)将测量头的分划板中心刻线与某亮条纹中心对齐,将该亮条纹定为第1 条亮条纹 ,此时手轮上的示数如 图乙所示。 然后同方向转动手轮,使分划板中心刻线与第6 条亮条纹中心对齐,记下此时图丙中手轮上的示数为 mm ,求得相邻亮条纹中心的间距x为mm 。 (4)已知双缝间距d=2.010 -4 m ,测得双缝到屏的距离 l=0.700 m ,由计算式 = ,求得所测红光波长 为nm 。 【分析】本题综合考查学生对实验原理的应用和实验数据的处理能力,注意光具座上各元件的排列顺序和 测量头的读
13、数方法。 【解析】 (1)按此顺序依次获得单色光源、线光源和相干光源。 (2)步骤的目的是能形成相干光源,发生干涉现象。 (3)测量头的读法是将固定刻度上的毫米数加上可变刻度上的读数,图丙上的示数为13.5 mm+37.00.01 mm=13.870 mm ,图乙上的示数为2.0 mm+32.00.01 mm=2.320 mm ,x=错误！未找到引用源。 mm=2.310 mm 。 (4)由 x=错误！未找到引用源。 可知 ,=错误！未找到引用源。=6.610 -7 m=6. 610 2 nm。 【答案】 (1)EDB (2)单缝和双缝间距约5 cm10 cm使单缝与双缝相互平行 (3)13.
14、8702.310 (4)错误！未找到引用源。6.610 2 【点拨】实验过程是一个理论与实际相结合的过程,实验中可能会出现一些意想不到的问题和现象,这既是 我们面临的挑战,也是我们进行深入探究的机会。 一、物理百科 十大经典物理实验 美国两位学者在全美物理学家中做了一份调查,请他们提名有史以来最出色的十大物理试验,结果刊登在 了美国物理世界杂志上。 令人惊奇的是十大经典试验几乎都是由一个人独立完成的,或者最多有一两个助手协助。试验中没有用到 什么大型计算工具比如电脑一类,最多不过是把直尺或者是计算器。 所有这些实验的另外共通之处是他们都仅仅“抓”住了物理学家眼中“最美丽 ”的科学之魂 :用最简
15、单的 仪器和设备 ,发现了最根本、最单纯的科学概念,就像是一座座历史丰碑一样,扫开人们长久的困惑和含糊,开辟 了对自然界的崭新认识。 从十大经典科学试验评选本身,我们也能清楚地看出2000 年来科学家们最重大的发现轨迹,就像我们 “鸟 瞰”历史一样。 十大经典物理实验按时间先后顺序排列如下: 埃拉托色尼测量地球圆周(排名第七 ,公元前 3 世纪 ) 伽利略的自由落体试验(排名第二 ,16 世纪末 ) 伽利略的加速度试验(排名第八 ,16 世纪末 ) 牛顿的棱镜分解太阳光(排名第四 ,16 世纪末 ) 卡文迪许扭秤试验(排名第六 ,18 世纪末 ) 托马斯 杨的光干涉试验(排名第五 ,1830
16、年) 让傅科钟摆试验 (排名第十 ,1851 年) 罗伯特 密立根的油滴试验(排名第三 ,1909 年) 卢瑟福发现核子(排名第九 ,1911 年) 托马斯 杨的双缝演示应用于电子干涉试验(排名第一 ,1961 年) 二、备用试题 1.某同学做双缝干涉实验时,按要求安装好实验装置后,在光屏上却观察不到干涉图样,这可能的原因是 ()。 A.光源发出的光束太强 B.单缝与双缝不平行 C.没有安装滤光片 D.光束的中心轴与遮光筒的轴线不一致,相差较大 【解析】在双缝干涉实验中,如果单缝和双缝不平行或光束的中心轴与遮光筒的轴线不一致,相差较大 ,则没 有光线到达屏上,当然不会产生干涉现象,故 B、 D
17、选项正确 ;没有安装滤光片 ,也能看到干涉现象,不过不是单色光 的干涉条纹 ,而是彩色条纹 ,故 C选项错误。 【答案】 BD 2.双缝干涉实验装置如图所示,绿光通过单缝S后,投射到具有双缝的挡板上,双缝S1和S2与单缝的距离相等,光 通过双缝后在与双缝平行的屏上形成干涉条纹。屏上O点距双缝S 1和S2的距离相等 ,P点是距O点最近的第一 条亮条纹。如果将入射的绿光换成红光或蓝光,讨论屏上O点及其上方的干涉条纹的情况:O点是红光的亮条 纹;红光的第一条亮条纹在P点的上方 ;O点不是蓝光的亮条纹;蓝光的第一条亮条纹在P点的上方。 其中 正确的是 ()。 A.只有正确B.只有正确 C.只有正确 D
18、.只有正确 【解析】O点到双缝的距离相等,故不论换用红光还是蓝光,O点均为亮条纹 ,所以正确 ,错误 ;由 x=错 误！未找到引用源。 可知 ,红光的波长比绿光的大,条纹间距也比绿光大,因此 ,红光的第一条亮条纹在P点的 上方 ,正确 ;同理 ,蓝光的波长比绿光的小,蓝光的第一条亮条纹在P点的下方 ,错误 ;综上所述 ,只有 A正确。 【答案】 A 3.如图所示 ,在“用双缝干涉测光的波长”的实验中 ,光具座上放置的光学元件有光源、遮光筒和其他元件,其中 a、b、c、d各装置的名称依次是下列选项中的()。 A.单缝、滤光片、双缝、光屏 B.单缝、双缝、滤光片、光屏 C.滤光片、单缝、双缝、光屏
19、 D.滤光片、双缝、单缝、光屏 对于某种单色光,为增加相邻亮纹 (或暗纹 )之间的距离 ,可采用的方法是 (任写一种方法 )。 【解析】a、b、c、d各装置的名称分别为滤光片、单缝、双缝、光屏,故 C正确 ;由 x=错误！未找到引 用源。 可知 ,要增加相邻亮纹 (或暗纹 )的距离 ,可以增加双缝到屏的距离,也可以减小双缝间距。 【答案】 C增加双缝到屏的距离或减小双缝间距 4.用双缝干涉测光的波长的实验装置如图甲所示 ,已知单缝与双缝间的距离 l1=100 mm ,双缝与屏的距离l2=700 mm ,双缝间距 d=0.25 mm 。用测量头来测量亮条纹中心的距离 ,测量头由分划板、目镜、手轮
20、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某亮条纹中心,如图乙所示 ,记下此时手轮上的示数。 再转动测量头 , 使分划板中心刻线对准另一条亮条纹的中心,记下此时手轮上的示数。 (1)分划板的中心刻线分别对准第1 条和第 4 条亮条纹的中心时,手轮上的读数如图丙所示,则对准第 1条时示数 x1=mm ,对准第 4 条时示数x2=mm 。 (2)计算波长 的表达式为(用符号表示 ),=nm 。 【解析】从测量头的手轮上读数的方法,与从螺旋测微器上读数的方法相同,应特别注意半毫米刻度线是否 露出 ,同时不要忘记需要在下一位进行估读。图丙中读数分别为x1=2.190 mm ,x2=7.868 mm 。 第 1、4 条亮条纹之间是三个条纹间距的宽度,则相邻亮条纹间的距离是x=错误！未找到引用源。=错误！ 未找到引用源。 由公式 x=错误！未找到引用源。,解得 =错误！未找到引用源。=676 nm。 【答案】 (1)2.1907.868(2)=错误！未找到引用源。676