高三物理第一轮复习光学实验

第4课时实验：1.用双缝干涉测量光的波长2.测定玻璃的折射率基础知识归纳一、用双缝干涉测量光的波长1.实验目的(1)了解光波产生稳定的干涉现象的条件；(2)观察白光及单色光的双缝干涉图样；(3)测单色光的波长.2.实验原理(1)如果双缝光源的相位相同，双缝到屏上任意一点P的路程差Δx＝nλ时，P点加强，出现亮条纹；2)12(nx时，P点减弱，出现暗条纹.所以如果用单色光，光屏上将出现明暗相间的条纹，如果用白光，光屏上将出现彩色条纹.(2)光通过双缝干涉仪上的单缝和双缝后，得到振动情况完全相同的光，它们在双缝后面空间互相叠加，发生干涉现象.(3)由公式Lxd可以计算出光波的波长，其中双缝间距d是已知的，双缝到屏的距离L可以用米尺测出，条纹间距Δx可以用测量头测出.3.实验器材光具座、单缝片、双缝片、滤光片(红、绿色滤光片各一片)、遮光筒、光源、测量头(目镜、游标尺、分划板、滑块、手轮)、米尺.4.实验装置如图所示：5.实验步骤(1)按照上图所示的装置安装好仪器，调整光源的位置，使光源发出的光能平行地进入遮光筒并照亮光屏.(2)放置单缝和双缝，使缝相互平行，调整各部件的间距，观察白光的双缝干涉图样.(3)在光源和单缝间放置滤光片，使单一颜色的光通过后观察单色光的双缝干涉图样.(4)用米尺测出双缝到屏的距离L，用测量头测出相邻的n条亮(暗)纹间的距离a；并利用公式1nax计算出Δx.(5)利用表达式Lxd，求单色光的波长.(6)换用不同颜色的滤光片重复(3)(4)(5)步骤，观察干涉图样的异同，并求出相应的波长.6.注意事项(1)单缝、双缝应相互平行，其中心大致位于遮光筒的轴线上，双缝到单缝的距离应相等；(2)测双缝到屏的距离L可以用米尺多次测量取平均值；(3)测条纹间距Δx时，用测量头测出相邻n条亮(暗)纹之间的距离a，再求出相邻的两条亮(暗)纹之间的距离1nax.7.误差分析(1)误差来源本实验误差的主要①米尺和测量头出现的读数误差对实验结果的影响很大；②单缝、双缝没有严格相互平行，其中心没有位于遮光筒的轴线上；③单缝到双缝的距离没有严格相等.(2)减小误差的方法①米尺测量单缝到双缝的距离时多次测量取平均值，测量n条亮纹间距时多测几条亮纹之间的间距和，多次测量取平均值；②尽量把单缝、双缝调平行，调节单缝到双缝的距离相等，其中心大致位于遮光筒的中心.二、测定玻璃的折射率1.实验目的测定玻璃的折射率.2.实验原理如图所示，当光线AO以一定的入射角穿过两面平行的玻璃砖时，通过插针法找出跟入射光线AO对应的出射光线O′B，从而求出折射光线OO′和折射角γ，再根据n＝sinsini算出玻璃的折射率.3.实验器材一块两面平行的玻璃砖，白纸，木板，大头针，量角器(或圆规、三角板)，刻度尺.4.实验装置如上图所示.5.实验步骤(1)把白纸铺在木板上.(2)在白纸上画一直线aa′作为界面，过aa′上的一点O画出界面的法线NN′，并画一条线段AO作为入射光线.(3)把长方形玻璃砖放在白纸上，并使其长边与aa′重合，再用直尺画出玻璃的另一边bb′.(4)在线段AO上竖直地插上两枚大头针P1、P2.(5)从玻璃砖bb′一侧透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像，调整视线方向直到P1的像被P2的像挡住.再在bb′一侧插上大头针P3、P4，使P3能挡住P1、P2的像，P4能挡住P1、P2的像及P3.(6)移去玻璃砖，在拔掉P1、P2、P3、P4的同时分别记下它们的位置，过P3、P4作直线O′B交bb′于O′；连接O、O′，OO′就是玻璃砖内折射光线的方向；∠AON为入射角，∠O′ON′为折射角.(7)用量角器量出入射角和折射角的度数，查出它们的正弦值，并把这些数据记录下来.(8)用上述方法分别求出入射角是15°、30°、45°、60°和75°时的折射角，查出入射角和折射角的正弦值，记录下来.(9)算出不同入射角时sinsini的值，比较一下，看它们是否接近一个常数.求出几次实验测得的sinsini的平均值，这就是这块玻璃的折射率.6.注意事项(1)轻拿轻放玻璃砖，手只能接触玻璃砖的毛面或棱，不能触摸光洁的光学面.严禁把玻璃砖当直尺用.(2)实验过程中，玻璃砖在纸面上的位置不可移动.(3)插针P1与P2、P3与P4的间距要适当地大些，以减小确定光路方向时出现的误差.(4)实验时入射角不能太小(接近零度)，否则会使测量误差加大；也不能太大(接近90°)，否则会不易观察到P1、P2的像.(5)本实验中如果采用的不是两面平行玻璃砖，如采用三棱镜，半圆形玻璃砖等，只是出射光和入射光不平行，但一样能测出折射率.7.误差分析(1)误差本实验误差的主要来源是测量光在玻璃中的折射角γ的误差；(2)减小误差的方法①选用宽度ab较大的玻璃砖，宜在5cm以上；②入射角应在15°～75°范围内取值；③在纸上画aa′、bb′两条线时，应尽量准确地与玻璃砖的两个平行的折射面重合，这样，两交点O、O′才能与光线的实际入射点较好地相符，否则将使画出的玻璃中的光路与实际情况严重偏离.重点难点突破一、测定玻璃的折射率1.插针法：测量玻璃的折射率时的两种计算折射率的方法.此实验是通过测量入射角和折射角，然后查数学用表，找出入射角和折射角的正弦值，再代入n＝sinsin中求玻璃的折射率.除运用此方法之外，还有以下处理数据的方法：(1)在找到入射光线和折射光线以后，以入射点O为圆心，以任意长为半径画圆，分别与AO交于C点，与OO′(或OO′的延长线)交于D点，过C、D两点分别向NN′作垂线，交NN′于C′、D′，用直尺量出CC′和DD′的长.如图所示，由于sinα＝COCC，sinβ＝DODD，而CO＝DO，所以折射率n＝sinsin＝DDCC.重复以上实验，求得各次折射率计算值，然后求其平均值，即为玻璃砖折射率的测量值.(2)根据n＝sinsin有sinβ＝n1sinα.在多次改变入射角、测量相对应的入射角和折射角正弦值基础上，以sinα值为横坐标、sinβ值为纵坐标，建立直角坐标系.如图所示，描数据点，过数据点连线得到一条过原点的直线，求解图线的斜率，设斜率为k，则k＝n1，故玻璃砖折射率n＝k1.2.除了插针法测玻璃砖的折射率，还可以利用光的反射与折射相结合等方法来判定玻璃砖的折射率，基本原理和处理方法是一致的，即正确作出光路图，找到入射角θ1与折射角θ2，则n＝21sinsin.二、对用双缝干涉测量光波的波长的原理的理解λ＝Ld·Δx，将两次手轮的读数相减，求出n条亮纹间的距离a.注意：Δx＝1na，而不是na，n条亮纹间隔数为(n－1).典例精析1.用双缝干涉装置测可见光波长的基本操作步骤及数据处理【例1】现有毛玻璃屏A、双缝B、白光光源C、单缝D和滤光片E等光学元件，要把它们放在如图所示光具座上组装成双缝干涉装置，用以测量红光的波长.(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：.(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；④用测量头测量数条亮条纹间的距离.在操作步骤②时还应注意和.(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，记下此时图乙中手轮上的示数为mm，求得相邻亮纹的间距Δx为mm.(4)已知双缝间距d＝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)滤光片E是从白光选出单色红光，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、双缝间距大约为5～10cm.(3)测量头的读数：先读整数刻度，然后看半刻度是否露出，最后看可动刻度.题图甲读数为2.320mm，题图乙读数为13.870mm，所以相邻条纹间距：Δx＝5320.2870.13mm＝2.310mm(4)由条纹间距公式Δx＝dlλ得：λ＝lxd，代入数值得λ＝6.6×10－7m＝660nm【答案】(1)C、E、D、B、A(2)放置单缝、双缝时，必须使缝平行；单缝、双缝间距离大约5～10cm(3)13.870；2.310(4)lxd；660【思维提升】理解实验的原理能更容易解此题.【拓展1】用氦氖激光器进行双缝干涉实验，已知使用的双缝间距离d＝0.1mm，双缝到屏的距离L＝6.0m，测得屏上干涉条纹中相邻亮条纹的间距是3.8cm，则氦氖激光器发出的红光的波长λ是多少？假如把整个装置放入折射率是34的水中，这时屏上的条纹间距是多少？【解析】由Δx＝dL·λ，可以得出红光的波长λ＝Ld·Δx＝0.6108.3101.023m≈6.3×10－7m激光器发出的红光的波长是6.3×10－7m.如果将整个装置放入水中，激光器发出的红光在水中的波长设为λ′，由光的特点可知：光在传播过程中，介质发生变化，波长和波速会发生改变，但频率不变.由此可知c＝v，而vc＝n由λ′＝n＝43103.67m≈4.7×10－7m这时屏上条纹的间距是Δx′＝dL·λ′＝37101.0107.40.6m≈2.8×10－2m2.插针法测玻璃砖的折射率【例2】某同学用插针法测定玻璃砖的折射率，他的实验方法和操作步骤正确无误.但他处理实验记录时发现玻璃砖的两个光学面aa′与bb′不平行，如图所示，则()A.P1P2与P3P4两条直线平行B.P1P2与P3P4两条直线不平行C.他测出的折射率偏大D.他测出的折射率不受影响【解析】如图所示，在aa′面光线进入玻璃砖中，由折射定律有n＝sinsin，在光线由bb′射出玻璃砖的现象中，同理n＝isinsin，若aa′与bb′平行，则i＝β，因此α＝γ，此时入射光线AO与出射光线O′B平行.若aa′与bb′不平行，则i≠β，因此α≠γ.此时入射光线AO与出射光线O′B不平行.故选项B正确.在具体测定折射率时，要求实验方法、光路均准确无误，折射率的测量值应不受aa′与bb′是否平行的影响.【答案】BD【思维提升】(1)入射光线与出射光线是否平行，取决于玻璃砖两界面aa′与bb′是否平行.(2)利用插针法确定光的入射点和出射点，从而确定入射光线和折射光线.此方法可适合于平行玻璃砖、棱镜、圆柱形玻璃体等.【拓展2】在利用插针法测定玻璃砖折射率的实验中：(1)甲同学在纸上正确画出玻璃砖的两个界面aa′和bb′后，不自觉地碰了玻璃砖使它向aa′方向平移了少许，如图所示，则他测出的折射率值将不变(填“偏大”、“偏小”或“不变”)；(2)乙同学在画界面时，不自觉地将两界面aa′、bb′间距画得比玻璃砖宽些，如图所示，则他测得折射率偏小(填“偏大”、“偏小”或“不变”).【解析】(1)如图1所示，甲同学利用插针法确定入射光线、折射光线后，测得的入射角、折射角没有受到影响，因此测得的折射率将不变.(2)如图2所示，乙同学利用插针法确定入射光线、折射线后，测得的入射角不受影响，但测得的折射角比真实的折射角偏大，因此测得的折射率偏小.3.利用反射与折射相结合测玻璃砖的折射率【例3】某同学用如下方法测定玻璃的折射率：先将平行玻璃砖固定在水平桌面的白纸上，画出两侧界面MN、PQ(MN、QP面平行于桌面)，在玻璃砖的一侧用激光照射，在光源同侧且与MN平行的光屏上得到的两光点A、B，两光线的位置如图所示.测得入射光线与界面的夹角α＝30°，光屏上两光点之间的距离L＝3.0cm，玻璃砖的厚度h＝2.0cm，求玻璃砖的折射率.【解析】光路图如图所示，可知OO′与AB的距离相等，由几何原理有sinβ＝530.30.240.34)2(2222222