高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册4 实验：用双缝干涉测量光的波长学案

第四章 光

第4节 实验：用双缝干涉测量光的波长

知识点1实验目的和实验原理

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）测定单色光的波长。

2、实验原理

（1）干涉图样的获得

光源发出的光经滤光片成为单色光，单色光通过单缝后相当于线光源，经双缝后产生稳定的干涉图样，通过屏可以观察到明暗相间的干涉条纹，如果是白光通过双缝，可以观察到彩色条纹。

（2）光的波长的测定

若双缝到屏的距离用表示，双缝间的距离用d表示，相邻两条亮条纹间的距离用△x表示，则入射光的波长。实验中d是已知的，测出即可测出光的波长。

知识点2实验步骤及注意事项

1、实验器材

光具座、单缝片、双缝片、滤光片（红绿色各一片）、遮光筒、光源、测量头（目镜、分划板、手轮等）。

2、实验步骤

（1）按如图所示安装仪器。

（2）将光源中心、单缝中心、双缝中心调节在遮光筒的中心轴线上。

（3）使光源发光，在光源和单缝之间加红（或绿）色滤光片，让通过后的条形光斑恰好落在双缝中心上，通过遮光筒上的测量头，仔细调节目镜，观察单色光的干涉条纹，撤去滤光片，观察白光的干涉条纹（彩色条纹）。

（4）加装滤光片，通过目镜观察单色光的干涉条纹，同时调节手轮，使分划板的中心刻线对齐某一亮条纹的中心，记下手轮的读数，然后继续转动使分划板移动，直到分划板的中心刻线对齐另一亮条纹中心，记下此时手轮读数和移过分划板中心刻度线的条纹数n。

（5）将两次手轮的读数相减，求出n条亮纹间的距离，利用公式，算出条纹间距，

然后利用公式，求出此单色光的波长（仪器中都已给出）。

（6）换用另一滤光片，重复步骤（3）（4），并求出相应的波长。

3、实验注意事项

（1）单缝、双缝应相互平行，其中心大致位于遮光筒的中心轴线上，双缝到单缝距离应相等。

（2）测双缝到屏的距离可用米尺测量多次取平均值。

（3）测量头的中心刻线要对应着亮（或暗）纹的中心。先测出n条亮（或暗）纹中心间的距离a，则相邻两条纹间的距离

4、误差分析

（1）误差来源

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、双缝没有严格平行，其中心没有位于遮光筒的轴线上；

③单缝到两个缝的距离没有严格相等。

（2）减小误差的方法

①用米尺测量双缝到屏的距离时多次测量取平均值，测量n条亮条纹间距时多测几条亮条纹之间的间距和，多次测量取平均值；

②尽量把单缝、双缝调平行，调节单缝到两个缝的距离相等，使其中心大致位于遮光筒的轴线上。

例题：

激光散斑测速是一种崭新的测速技术，它应用了光的干涉原理．用二次曝光照相所获得的“散斑对”相当于双缝干涉实验中的双缝，待测物体的速度v与二次曝光时间间隔Δt的乘积等于双缝间距．实验中可测得二次曝光时间间隔Δt、双缝到屏之距离以及相邻两条亮纹间距Δx．若所用激光波长为λ，该实验确定物体运动速度的表达式是（　　）

A．      B．

C．      D．

能力拓展 测量条纹间距的方法

相邻两条亮（暗）条纹间的距离△x用测量头（如图甲所示）测出。测量头由分划板、目镜、手轮等构成。转动手轮，分划板会左右移动。测量时，应使分划板中心刻线对齐某亮条纹的中心（如图乙所示），记下此时手轮上的读数。转动测量头，使分划板中心刻线对齐另一条相邻的亮条纹的中心时，记下此时手轮上的读数。两次读数之差就是相邻条纹间的距离，即

［说明］

△x很小，直接测量时相对误差较大，通常测出n条亮条纹间的距离，如图丙所示，然后推算相邻两条纹间的距离

例题：

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1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．

（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C          A；

（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（其读数方法同螺旋测微器）测量数条亮条纹之间的距离．在操作步骤②时，

还应该注意           和            ；

（3）将测量头的分划板中心刻线与某条亮纹中心对齐，将该亮纹定为第1条亮纹，此时手轮上的示数如图2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2乙中手轮上的示数        mm，求得相邻亮纹的间距△x为          mm；

（4）已知双缝间距d为0.2mm，测得双缝到光屏的距离l为70.00cm，根据计算式λ=         ，求得所测红光波长为          nm．

易错防范：

（多选）利用如图中装置研究双缝干涉现象时，有下面几种说法，其中正确的是（　　）

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，干涉条纹间距变窄

D．换一个双缝之间距离较大的双缝，干涉条纹间距变窄

课后训练

1、在杨氏干涉实验中，从两个狭缝到达像屏上的某点的光走过的路程相等，该点即为中央亮条纹的位置（即k=0对应的那条亮条纹），双缝屏上有上下两狭缝，设想在双缝屏后用一块极薄的玻璃片遮盖下方的缝，则屏上中央亮条纹的位置将（　　）

A．向上移动

B．向下移动

C．不动

D．可能向上移动，也可能向下移动

2、实验室里观察黄光双缝干涉图样时，看到屏上的干涉条纹过窄，难以区分，使相邻亮（暗）条纹变宽一些的办法是（　　）

A．使光源变亮一些

B．使单缝到双缝的距离大一些

C．使双缝到屏的距离大一些

D．改用绿色光作光源

3、（多选）在用双缝干涉测光的波长的实验中，屏上不能看到明亮清晰的干涉图样，可能出现的操作问题是（　　）

A．单缝设置过宽

B．光源、单缝、双缝未调节在遮光筒的轴线上

C．光源亮度不够

D．单缝、双缝互相不平行

4、如图所示，A、B、C、D代表双缝产生的四种干涉图样，回答下面问题：

（1）如果A图样是红光通过双缝产生的，那么换用紫光得到的图样用          图样表示最合适。

（2）如果将B图样对应装置的双缝距离变小，那么得到的图样用         图样表示最合适。

（3）如果将A图样对应装置的双缝到屏的距离变小，那么得到的图样用         图样表示最合适。

（4）如果将A图样的装置从空气移入水中，那么得到的干涉图样用         图样表示最合适。

5、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        （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”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        （“大”或“小”）；

（4）实验观察到光屏上呈现明暗相间的条纹，试运用波动理论对明纹的形成予以解释。

答：                                            。

6、在“用双缝干涉测光的波长“的实验中，装置如图1所示。双缝间的距离d=3mm。

（1）若测定红光的波长，应选用        色的滤光片。实验时需要测定的物理量有          和           。

（2）若测得双缝与屏之间距离为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）观察到第1条亮条纹的位置如图2中甲所示，观察到第5条亮条纹的位置如图2中乙所示。则可求出红光的波长λ=           m。 （结果保留3位有效数字）