资源简介

第4节 实验：用双缝干涉测量光的波长
教材分析
本节课程是在认识了光的波粒二象性，知道了杨氏双缝干涉实验基础上的应用，通过研究干涉条纹的特点，知道干涉条纹的间距，从而得出，知道表达式中各参数代表的物理意义，并能够使用游标卡尺或螺旋测微器测量条纹的宽度。
教学目标与核心素养
【物理观念】通过杨氏双缝干涉实验的结论求解不同频率色光的波长；
【科学思维】通过公式，求出，清楚公式中各物理参数的意义；
【科学探究】通过实验进行探究或验证，对物体双缝干涉加深理解；
【科学态度与责任】充分体会物理与数学的关联性，知道物理是一门实验科学需要数学理论的支持，在清楚学习物理时实验的重要性的同时，也要体会数理不分家的学习理念。
教学重难点
【教学重点】实验中各参数的物理意义、通过游标卡尺或螺旋测微器测量条纹间距；
【教学难点】实验数据分析。
教学过程
复习实验原理。
思考：
1、怎样才能得到双缝干涉条纹
2、测量波长需要测量哪些量 需要用什么器材测量
3、怎样增大(或减小)亮条纹的宽度
4、换用不同颜色的滤光片进行实验，干涉条纹间的距离怎样变化
5、实验过程中应记录的数据有哪些
6、白光的干涉条纹有什么特点 用白光实验时会存在什么问题
【进行新课】
探究点一、实验器材
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、刻度尺等。
实验：光源发出的光经滤光片（装在单缝前）成为单色光，把单缝照亮。单缝相当于一个线光源，它又把双缝照亮。来自双缝的光在双缝右边的空间发生干涉。遮光筒的一端装有毛玻璃屏，我们可以在这个屏上观察到干涉条纹，并由 λ ＝ x 计算出光的波长。透镜的作用是使射向单缝的光更集中。
组装实验仪器：
探究点二、物理量的测量
实验：根据 λ ＝ x可知，本实验需要测量的物理量是双
缝到屏的距离 l 和相邻两条亮条纹间的距离 x（双缝间的距离 d 已知）。具体操作如下。l 的测量 双缝到屏的距离 l 可以用刻度尺测出。 x 的测量 相邻两条亮条纹间的距离 x 需用测量头测出。测量头通常有两（图 ），但都由分划板、目镜、手轮等构成。转动手轮，分划板会左右移动。
测量头
测量时，应使分划板的中心刻线与条纹的中心对齐（图 ），记下此时手轮上的读数。然后转动测量头，使分划板中心刻线与另一条纹的中心对齐，再次记下手轮上的读数。两次读数之差表示这两个条纹间的距离 x。
为了减小测量误差，可测多个亮条纹间的距离，再求出相邻两个条纹间的距离。例如，可测出 n 个亮条纹间的距离 a，再求出相邻两个亮条纹间的距离 x ＝。
分划板中心刻线
探究点三、进行实验
实验前先取下双缝，打开光源，调节光源的高度和角度，使它发出的光束沿着遮光筒的轴线把屏照亮。然后放好单缝和双缝。注意使单缝与双缝相互平行，尽量使缝的中点位于遮光筒的轴线上。
做好以上调整后，在单缝与光源之间放上滤光片就可以观察到单色光的双缝干涉图样（图 ）。测量双缝到屏的距离 l 和相邻两条亮条纹间的距离 x。分别改变滤光片的颜色和双缝的距离，观察干涉条纹的变化，并求出相应的波长。
不同双缝、不同色光的双缝干涉条纹
探究点四、数据分析
设计表格记录实验数据。d 是已知的，l 和 n 个亮条纹间的距离 a 是直接测量值。由 x ＝可以求出相邻两个亮条纹间的距离Δx。最后，根据 λ ＝ x算出波长。
注意事项：
1．放置单缝和双缝时，必须使缝平行．
2．要保证光源、滤光片、单缝、双缝和光屏的中心在同一条轴线上．
3．测量头的中心刻线要对应着亮(或暗)纹的中心．
4．要多测几个亮纹(或暗纹)中心间的距离，再求Δx.
误差分析：
1．(1)测双缝到屏的距离l带来的误差，可通过选用mm刻度尺，进行多次测量求平均值的办法减小误差．
(2)通过测量多条亮条纹间的距离来减小测量误差．
2．测条纹间距Δx带来的误差．
(1)干涉条纹没有调到最清晰的程度．
(2)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．
(3)测量多条亮条纹间距离时读数不准确．
拓展学习
用光传感器做双缝干涉的实验
用光传感器可以更方便地演示双缝干涉现象。图是实验装置图（实验在暗室中进行）。光源在铁架台的最上端，中间是刻有双缝的挡板，下面是光传感器。这个实验的光路是自上而下的。图中带有白色狭长矩形的小盒是光传感器，沿矩形的长边分布着许多光敏单元。传感器各个光敏单元得到的光照信息经计算机处理后，在显示器上显示出来。
根据显示器上干涉图像的条纹间距，可以算出光的波长。
与右图的方法相比，这种方法除了同样可以测量条纹间距外，它还可以方便、形象地展示亮条纹的分布，并能测出传感器上各点的光照强度。
用传感器和计算机观察双缝干涉的实验装置 不同双缝、不同色光的双缝干涉条纹
例题讲解：
例1.某同学利用双缝干涉实验装置测定某一光的波长，已知双缝间距为d，双缝到屏的距离为L， 将测量头的分划板中心刻线与某一亮条纹的中心对齐，并将该条纹记为第一亮条纹，其示数如图所示，此时的示数x1=0.766mm。然后转动测量头，使分划板中心刻线与第n亮条纹的中心对齐，测出第n亮条纹示数为x2。由以上数据可求得该光的波长表达式λ=（用给出的字母符号表示）。
例2．（多选）在杨氏双缝干涉实验中，如果（ BD ）
A.用白光作为光源， 屏上将呈现黑白相间的条纹
B.用红光作为光源， 屏上将呈现红黑相间的条纹
C.用红光照射一条狭缝，用紫光照射另一条狭缝，屏上将呈现彩色条纹
D.用紫光作为光源，遮住其中一条狭缝，屏上将呈现间距不等的条纹
解析：白光作杨氏双缝干涉实验，屏上将呈现彩色条纹，A错
用红光作光源，屏上将呈现红色两条纹与暗条纹（即黑条纹）相间，B对；
红光和紫光频率不同，不能产生干涉条纹，C错；紫光作光源，遮住一条狭缝，屏上出现单缝衍射条纹，即间距不等的条纹，D对。
例3.在“用双缝干涉测光的波长” 的实验中，装置如图，双缝间的距离d=3mm
（1）若测定红光的波长，应选用 红色的滤光片，实验时需要测定的物理量有：
双缝到屏的距离和 n条条纹间距a。
（2）若测得双缝与屏之间距离0.70m，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0.500mm）观察第1条亮纹的位置如图（a）所示，观察第5条亮纹的位置如图（b）所示，则可求出红光的波长=7×10-7 m.（保留一位有效数字）
课堂练习
1、(1)如图所示，在“用双缝干涉测光的波长”实验中，光具座上的光学元件依次为①光源、②滤光片、③_单缝、④__双缝___、⑤遮光筒、⑥光屏．其中，双缝的作用是：得到相干光源_.
(2)本实验的步骤有：
①调节单缝与双缝的间距为5～10 cm，并使单缝与双缝相互平行；
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取下遮光筒右侧的元件，打开光源，调节光源高度，使光束能直接沿遮光筒轴线把屏照亮；
④用米尺测出双缝到屏的距离；用测量头(读数方法同螺旋测微器)测量数条亮纹间的距离；
⑤将测得的数据代入公式求出光的波长．
以上步骤合理的顺序是③②①④⑤．(只填步骤代号)
2．用双缝干涉实验装置得到白光的干涉条纹，在光源与单缝之间加上红色滤光片后( D　)
A．干涉条纹消失
B．彩色条纹中的红色条纹消失
C．中央条纹变成暗条纹
D．中央条纹变成红色
3．在观察光的干涉现象的实验中，将两片刀片合在一起，在涂有墨汁的玻璃片上划出不同间隙的双缝；按如图所示的方法，让激光束通过自制的双缝．
(1)保持缝到光屏的距离不变，换用不同间隙的双缝，双缝的间隙越小，屏上明暗相间的条纹间距__越大_(选填“越大”或“越小”)．
(2)保持双缝的间隙不变，光屏到缝的距离越大，屏上明暗相间的条纹间距__越大_(选填“越大”或“越小”) .
(3)在狭缝间的距离和狭缝与屏的距离都不变的条件下，用不同颜色的光做实验，发现用蓝色光做实验在屏上明暗相间的条纹间距比用红色光做实验时_小_(选填“大”或“小”)．
解析：
(1)根据Δx＝ λ知，d越小，Δx越大；
(2)l越大，Δx越大；
(3)红色光的波长长，蓝色光的波长短，根据Δx＝λ知，用蓝色光照射条纹间距比用红色光小．
4．某同学利用图示装置测量某种单色光的波长．实验时，接通电源使光源正常发光；调整光路，使得从目镜中可以观察到干涉条纹．回答下列问题：
(1)若想增加从目镜中观察到的条纹个数，该同学可__B_．
A．将单缝向双缝靠近
B．将屏向靠近双缝的方向移动
C．将屏向远离双缝的方向移动
D．使用间距更小的双缝
(2)若双缝的间距为d，屏与双缝间的距离为l，测得第1条暗条纹到第n条暗条纹之间的距离为Δx，则单色光的波长λ＝ .
(3)某次测量时，选用的双缝的间距为0.300 mm，测得屏与双缝间的距离为1.20 m，第1条暗条纹到第4条暗条纹之间的距离为7.56 mm.则所测单色光的波长为_630_nm(结果保留3位有效数字)．
解析：
(1)Δx＝，因为Δx越小，目镜中观察到的条纹数越多，将单缝向双缝靠近，对条纹个数无影响，A错误；如l减小，则条纹个数增多，B正确，C错误；若d减小，则条纹个数减少，D错误．
(2)相邻两条暗条纹之间的距离是Δx0＝，由公式得Δx0＝λ，所以λ＝.
(3)把各数据代入波长公式，有：λ＝ m＝6.30×10－7 m＝630 nm.
5．某同学在《用双缝干涉测光的波长》的实验中，实验装置如图所示。使用的双缝的间距为0.025cm。实验时，屏与双缝之间距离需要测量，已知入射光的波长λ为500nm。则：
（1）先调节光源和双缝的中心位于遮光筒的中心轴线上，并使单缝和双缝竖直且互相平行。
当屏上出现了干涉图样后，通过测量头观察第1条亮纹的位置如图a所示，第5条亮纹位置如图b所示，则双缝与屏的距离为 594 mm
解析：已知双缝的间距d=0.025cm,波长λ=500nm, 读数a=a2-a1=(5.880-1.128)mm
课堂总结：

展开更多......

收起↑