【三维设计】2016年高考物理一轮第十三章 波与相对论(选修3-4)实验十五 用双缝干涉测光的波

实验十五用双缝干涉测光的波长一、实验目的(1)了解光波产生稳定的干涉现象的条件。(2)观察白光和单色光的双缝干涉图样。(3)测定单色光的波长。二、实验原理(1)光源发出的光经滤光片成为单色光，单色光经过单缝后相当于线光源，经双缝产生稳定的干涉图样，我们通过光屏可以观察到明暗相间的干涉条纹。若用白光照射，通过两狭缝可以在光屏上观察到彩色条纹。(2)根据λ＝dlΔx可以计算出单色光的波长。公式中d为双缝间距离，Δx为相邻两条亮纹间的距离，l为双缝到屏之间的距离，实验中d一般是已知的，所以测出l、Δx即可求出光的波长。Δx的测量可用测量头完成，如图实－15－1所示，测量头由分划板、目镜、手轮等构成。通过测量头可清晰看到干涉条纹，分划板上中心有刻线，以此作标准，并根据手轮的读数可求得Δx。由于Δx较小，可测出n条亮(或暗)条纹的间距a，则相邻亮条纹间的距离Δx＝an－1。图实－15－1三、实验器材双缝干涉仪(由光具座、光源、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、毛玻璃屏、测量头组成)，另外还有学生电源、导线、刻度尺。四、实验步骤1．观察干涉条纹(1)将光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上。如图实－15－2所示。图实－15－2(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5～10cm，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。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某条亮条纹的中央，记下手轮上的读数a1，将该条纹记为第1条亮纹；转动手轮，使分划板中心刻线移动至另一亮条纹的中央，记下此时手轮上的读数a2，将该条纹记为第n条亮纹。(3)用刻度尺测量双缝到光屏的距离l(d是已知的)。(4)重复测量。五、数据处理(1)条纹间距Δx＝|a2－a1n－1|。(2)波长λ＝dlΔx。(3)计算多组数据，求λ的平均值。六、注意事项(1)双缝干涉仪是比较精密的仪器，应轻拿轻放，且注意保养。(2)安装时，注意调节光源、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、双缝平行且间距适当。(3)光源灯丝最好为线状灯丝，并与单缝平行且靠近。(4)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所致；干涉条纹不清晰的一般原因是单缝与双缝不平行所致，故应正确调节。七、误差分析(1)双缝到屏的距离l的测量存在误差。(2)测条纹间距Δx带来的误差：①干涉条纹没有调整到最清晰的程度。②误认为Δx为亮(暗)条纹的宽度。③分划板刻线与干涉条纹不平行，中心刻线没有恰好位于条纹中心。④测量多条亮条纹间的距离时读数不准确，此间距中的条纹数未数清。实验原理与操作[例1](2013·太原模拟)(1)如图实－15－3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依次为①光源、②________、③________、④________、⑤遮光筒、⑥光屏。对于某种单色光，为增加相邻亮纹(暗纹)间的距离，可采取_____________或_____________________的方法。图实－15－3(2)如果将灯泡换成激光光源，该实验照样可以完成，这时可以去掉的部件是________(填数字代号)。(3)转动测量头的手轮，使分划板中心刻线对准第1条亮条纹，读下手轮的读数如图实－15－4甲所示。继续转动手轮，使分划板中心刻线对准第10条亮条纹，读下手轮的读数如图乙所示。则相邻两亮条纹的间距是________mm。图实－15－4(4)如果已经量得双缝的间距是0.30mm、双缝和光屏之间的距离是900mm，则待测光的波长是______m。(取三位有效数字)[解析](1)由实验原理可知②③④分别是滤光片、单缝、双缝。由Δx＝ldλ可知，要增加相邻亮纹(暗纹)间的距离，可采取的办法有：①增大双缝到光屏间的距离(或选用较长的遮光筒)；②减小双缝之间的距离。(2)由于激光是相干光源，故可以去掉的部件是②、③。(3)甲图读数是0.045mm，乙图读数是14.535mm，它们的差值是14.490mm，中间跨越了10－1＝9个条纹间距，所以相邻两亮条纹间距是Δx＝14.4909mm＝1.610mm。(4)光的波长λ＝Δx·dl＝5.37×10－7m。[答案](1)滤光片单缝双缝增加双缝到光屏间的距离(或选用较长的遮光筒)减小双缝之间的距离(2)②③(3)1.610(4)5.37×10－7[题组演练]1．如图实－15－5所示的双缝干涉实验，用绿光照射单缝S时，在光屏P上观察到干涉条纹。要得到相邻条纹间距更大的干涉图样，可以()A．增大S1与S2的间距B．减小双缝屏到光屏的距离C．将绿光换为红光D．将绿光换为紫光图实－15－5解析：由Δx＝ldλ知，增大S1与S2的间距d或减小双缝屏到光屏的距离l时，条纹间距变小，选项A、B错误；将绿光换为红光，波长变大，条纹间距变大，选项C正确；将绿光换为紫光，波长变小，条纹间距变小，选项D错误。答案：C2．(2012·福建高考)在“用双缝干涉测光的波长”实验中(实验装置如图实－15－6)：图实－15－6A．调节光源高度使光束沿遮光筒轴线照在屏中心时，应放上单缝和双缝B．测量某条干涉亮纹位置时，应使测微目镜分划板中心刻线与该亮纹的中心对齐C．为了减少测量误差，可用测微目镜测出n条亮纹间的距离a，求出相邻两条亮纹间距Δx＝an－1(2)测量某亮纹位置时，手轮上的示数如图实－15－7，其示数为________mm。解析：(1)调节光源高度使光束沿遮光筒轴线照在屏中心时，无需放上单缝和双缝，选项A错误。(2)主尺的示数为1.5mm，可动尺的示数为47.0×0.01mm＝0.470mm，总的示数为(1.5＋0.470)mm＝1.970mm答案：(1)A(2)1.970图实－15－7数据处理与误差分析[例2]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，要把它们放在如图实－15－8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。图实－15－8(1)本实验的实验步骤有：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；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________。(2)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实－15－9甲所示，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，记下此时如图乙所示的手轮上的示数_______mm，求得相邻亮纹的间距Δx为__________mm。图实－15－9(3)已知双缝间距d为2.0×10－4m，测得双缝到屏的距离l为0.700m，由计算式λ＝______，求得所测红光波长为______nm。[解析](1)单缝与双缝的间距为5～10cm，使单缝与双缝相互平行。(2)图甲的读数为2.320mm，图乙的读数为13.870mm，Δx＝13.870－2.3206－1mm＝2.310mm。(3)由Δx＝ldλ可得：λ＝dlΔx可求出λ＝2.0×10－40.700×2.310×106nm＝6.6×102nm。[答案](1)单缝与双缝的间距为5～10cm使单缝与双缝相互平行(2)13.8702.310(3)dlΔx6.6×102[题组演练]3．如图实－15－10所示，在杨氏双缝干涉实验中，激光的波长为5.30×10－7m，屏上P点距双缝S1和S2的路程差为7.95×10－7m，则在这里出现的应是_____(选填“明条纹”或“暗条纹”)。现改用波长为6.30×10－7m的激光进行上述实验，保持其他条件不变，则屏上的条纹间距将_______(选填“变宽”“变窄”或“不变”)。图实－15－10解析：7.95×10－75.30×10－7＝32，即半波长的奇数倍，所以出现暗条纹。根据条纹间距Δx＝ldλ，当单色光的波长变长时，条纹间距变宽。答案：暗条纹变宽4．用某种单色光做双缝干涉实验时，已知双缝间的距离d的大小恰好是图实－15－11中游标卡尺的读数，如图丁所示；双缝到毛玻璃间的距离的大小由图中的毫米刻度尺读出，如图丙所示；实验时先移动测量头(如图甲)上的手轮，把分划线对准靠近最左边的一条亮条纹(如图乙所示)，并记下螺旋测微器的读数x1(如图戊所示)，然后转动手轮，把分划线向右移动，直到对准第7条亮条纹并记下螺旋测微器的读数x2(如图己所示)，由以上测量数据求该单色光的波长。图实－15－11解析：根据条纹宽度公式Δx＝ldλ可知，波长λ＝dlΔx，只要根据题目提供的数据就可求解，由丁图可直接读出d＝0.25mm＝0.00025m，双缝到屏的距离由丙图读出l＝749.8mm＝0.7498m由图乙、戊、己可知，两条相邻亮条纹间的距离Δx＝14.700－0.3006mm＝2.400mm＝0.002400m。将以上数据代入得λ＝dΔxl＝0.00025×0.0024000.7498m≈8×10－7m。答案：8×10－7m5．用激光做单缝衍射实验和双缝干涉实验，比普通光源效果更好，图像更清晰。如果将感光元件置于光屏上，则不仅能在光屏上看到彩色条纹，还能通过感光元件中的信号转换，在电脑上看到光强的分布情况。下列说法正确的是()A．当做单缝实验时，光强分布图如乙所示B．当做单缝实验时，光强分布图如丙所示C．当做双缝实验时，光强分布图如乙所示D．当做双缝实验时，光强分布图如丙所示图实－15－12解析：当做单缝实验时，中间是亮条纹，往两侧条纹亮度逐渐降低，且亮条纹的宽度不等，所以其光强分布图如图乙所示，A项正确，B项错误；当做双缝实验时，在屏上呈现的是宽度相等的亮条纹，所以其光强分布图如图丙所示，C项错误，D项正确。答案：AD“阶段验收评估”见“阶段验收评估(十三)”(单击进入电子文档)谢谢观看