主题四 6 实验 利用双缝干涉原理测量光的波长导学案 2027届高三物理一轮复习（浙江专版）

这是一份主题四 6 实验 利用双缝干涉原理测量光的波长导学案 2027届高三物理一轮复习（浙江专版），共6页。学案主要包含了实验设计，实验步骤，数据处理，误差分析，注意事项等内容，欢迎下载使用。
1.掌握用双缝干涉测量光的波长的原理和方法。
2.观察不同单色光的双缝干涉图样。
3.掌握螺旋测微器和游标卡尺的读数方法。
4.会用公式Δx=ldλ进行数据处理求光的波长。
一、实验设计
1.实验原理
如图所示,两缝之间的距离为d,每个狭缝都很窄,宽度可以忽略。
两缝S1、S2的连线的中垂线与屏的交点为P0,双缝到屏的距离OP0=l。则相邻两条亮条纹或暗条纹的中心间距Δx=ldλ。若已知双缝间距,再测出双缝到屏的距离l和条纹间距Δx,就可以求得光的波长。
2.实验器材
双缝干涉仪(包括光具座、光源、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、光屏及测量头,其中测量头又包括分划板、目镜、手轮等)、学生电源、导线、刻度尺。
二、实验步骤
1.按图所示安装仪器。
2.将光源中心、单缝中心、双缝中心调节到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(绿)色滤光片,让通过后的条形光斑恰好落在双缝上,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条纹中心,记下此时手轮读数和移过分划板中心刻线的条纹数n。
5.重复测量、计算,求出波长的平均值。
三、数据处理
1.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条亮条纹;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条亮条纹,则相邻两亮条纹间距Δx=|a2-a1n-1|。
2.用刻度尺测量双缝到光屏的距离l(d是已知的),利用公式Δx=ldλ求出波长的值。
3.重复测量、计算,求出波长的平均值。
四、误差分析
本实验为测量性实验,因此应尽一切办法减小有关测量的误差。实验中的双缝间距d是器材本身给出的,因此本实验关键要注意l和Δx的测量。因为光的波长很小,所以l、Δx的测量对波长的测量结果影响很大。
1.双缝到屏的距离l的测量误差
因本实验中双缝到屏的距离非常长,l的测量误差不太大,但也应选用毫米刻度尺测量,并用多次测量求平均值的办法减小相对误差。
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时读数不准确。
(4)利用“累积法”测n条亮条纹间距a,再求Δx=an-1,并且采用多次测量求Δx的平均值的方法进一步减小误差。
五、注意事项
1.双缝干涉仪是比较精密的实验仪器,要轻拿轻放,不要随便拆分遮光筒、测量头等元件。
2.安装时,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,并使单缝、双缝平行。
3.光源使用线状长丝灯泡,调节时使之与单缝平行。
4.实验中可能会出现屏上的光很弱的情况,主要是灯丝、单缝、双缝、测量头与遮光筒不共轴所致;干涉条纹是否清晰与单缝和双缝是否平行有关系。
类型一 实验原理与操作
[典例1] (嘉兴)在用双缝干涉测量光的波长的实验中,实验装置如图所示。
(1)如图所示从左至右分别是 。
A.光源、滤光片、单缝、双缝
B.光源、滤光片、双缝、单缝
(2)在组装仪器时单缝和双缝应该相互 (选填“垂直”或“平行”)放置。
(3)下列说法正确的是 。(多选)
A.单缝的作用是获得线光源
B.在双缝的两条缝上分别加上红色和蓝色滤光片,则能在光屏上看到红蓝相间的干涉条纹
C.调节光源高度使光束沿遮光筒轴线照在光屏中心时,应取下单缝和双缝
D.为方便起见,可用测量头直接测出相邻两条亮条纹间的距离Δx代入公式
(4)某同学想要增加目镜视野中观察到的条纹数目,下列做法正确的是 (多选)。
A.适当减小单缝和双缝间的距离
B.使用间距更大的双缝
C.使用波长更短的光
D.将光屏向远离双缝的方向移动
答案:(1)A (2)平行 (3)AC (4)BC
解析:(1)观察单色光的双缝干涉图样实验中,通过滤光片获得单色光,通过单缝获得线光源,通过双缝获得相干光,如题图从左至右分别是光源、滤光片、单缝、双缝。故选A。
(2)只有单缝和双缝互相平行,才能在屏上出现明暗相间的条纹,故在组装仪器时单缝和双缝应该相互平行放置。
(3)单缝的作用是获得线光源,故A正确;在双缝的两条缝上分别加上红色和蓝色滤光片,就不是相干光源了,不会发生光的干涉现象,则不能在光屏上看到红蓝相间的干涉条纹,故B错误;调节光源高度使光束沿遮光筒轴线照在光屏中心时,应取下单缝和双缝,故C正确;因为条纹间距比较小,如果用测量头直接测出相邻两条亮条纹间的距离Δx代入公式,则误差会非常大,所以都是采用读出几条条纹间距,然后计算相邻条纹间距代入公式计算,故D错误。
(4)某同学想要增加目镜视野中观察到的条纹数目,则需要减小条纹间距,若适当减小单缝和双缝间的距离,根据Δx=ldλ,可知不影响条纹间距,故A错误;若使用间距更大的双缝,即d变大,根据Δx=ldλ,可知条纹间距Δx减小,则可以增加观察到的条纹数目,故B正确;若使用波长更短的光,根据Δx=ldλ可知条纹间距Δx减小,则可以增加观察到的条纹数目,故C正确;若将光屏向远离双缝的方向移动,增大了l,根据Δx=ldλ,可知条纹间距Δx增大,则观察到的条纹数目减少,故D错误。
类型二 数据处理与分析
[典例2] 在“用双缝干涉测量光的波长”实验中,双缝间距d=0.4 mm,双缝到光屏的距离l=
0.5 m,用某种单色光照射双缝得到干涉条纹如图甲所示,分划板在图中A、B位置时游标卡尺读数也由图中所给出,则:
(1)观察到较模糊的干涉条纹,要使条纹变得清晰,值得尝试的是 。
A.旋转测量头
B.调节拨杆使单缝与双缝平行
C.增大单缝与双缝间的距离
(2)分划板在A、B位置游标卡尺读数,xA= mm,xB=15.6 mm,该单色光的波长λ=
nm。
(3)若某同学通过目镜,看到如图乙所示的情形。由于条纹清晰,他没有再进一步进行调节,而是直接进行测量,并根据公式算出波长,则测量得到的波长和准确值相比是 (选填“偏大”“偏小”或“不变”)的。
答案:(1)B (2)11.1 600 (3)偏大
解析:(1)条纹模糊不清,可能是单缝与双缝平行造成的,要使条纹变得清晰,值得尝试的是调节拨杆使单缝与双缝平行,故选B。
(2)分划板在A位置的游标卡尺读数,
xA=11 mm+1×0.1 mm=11.1 mm。
条纹间距Δx=xB-xA6=15.6-11.16 mm=0.75 mm,
根据Δx=ldλ
该单色光的波长λ=Δxdl=0.75×0.4×10-60.5 m=600 nm。
(3)由题图乙计算得到的条纹间距偏大,
根据Δx=ldλ可知,测量得到的波长和准确值相比是偏大的。
类型三 实验拓展与创新
[典例3] 用光传感器进行双缝干涉实验,如图甲所示是实验装置图。
(1)下列关于本实验的操作与叙述,正确的是 。
A.干涉图像中,相邻两个波峰之间的距离即相邻两条亮条纹中心的间距
B.双缝挡板不动,下移光源,使之更靠近刻有双缝的挡板,则干涉条纹间距减小
C.光源不动,下移双缝挡板,使之更靠近光传感器,则干涉条纹间距不变
D.减小双缝间距,干涉条纹间距也减小
(2)在不改变双缝的间距和双缝到光传感器的距离的前提下,用红光和绿光做了两次实验,图乙、丙分别对应这两次实验得到的干涉图像,红光的图像是 (选填“乙”或“丙”)。
答案:(1)A (2)丙
解析:(1)干涉图像中,相邻两个波峰之间的距离即相邻两条亮条纹中心的间距,故A正确。根据双缝干涉条纹的间距公式Δx=λld可知,双缝挡板不动,下移光源,使之更靠近刻有双缝的挡板,干涉条纹间距不变;光源不动,下移双缝挡板,使之更靠近光传感器,l减小,则干涉条纹间距减小;减小双缝间距,干涉条纹间距增大,故B、C、D错误。
(2)根据双缝干涉条纹的间距公式Δx=λld可知,波长越大,条纹间距越大,相邻两个波峰之间的距离越大,由于红光波长大,则红光的图像是丙。