高中物理鲁科版 (2019)选择性必修 第一册第2节 科学测量:用双缝干涉测光的波长教学设计

这是一份高中物理鲁科版 (2019)选择性必修 第一册第2节 科学测量:用双缝干涉测光的波长教学设计，共1页。教案主要包含了实验目的，实验原理与设计，实验器材，实验操作，数据处理等内容，欢迎下载使用。

(1)理解光的双缝干涉条件，经历完整的实验设计过程。
(2)经历安装和调试仪器的过程，观看双缝干涉图样。
(3)实验与理论相结合，进一步理解双缝干涉条纹间距的影响因素。
(4)经历根据双缝条纹间距处理、双缝与光屏的距离求光的波长的数据处理过程，体会用宏观量测量微观量的方法。
教学重难点
教学重点
实验设计过程、实验操作细节、数据处理过程
教学难点
实验设计过程、实验操作细节、数据处理过程
教学准备
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、米尺。
教学过程
新课引入
教师设问：上节课我们学习了光的干涉，请大家回顾一下双缝干涉中，干涉条纹的间隔的表达式。
学生活动：集体回答老师所提问题。
教师活动：理答。
教师设问：请大家思考一下，能不能通过双缝干涉实验来测量光的波长？
教学过程
一、实验目的
教师口述：根据我们问题，实验目的当然是用双缝干涉测量光的波长。
二、实验原理与设计
教师口述：我们今天就来用光的干涉来测量光的波长。实验原理就是双缝干涉条纹间距表达式的变形式。请大家思考需要测量哪些物理量，怎样测量这些物理量？
学生活动：小组内讨论老师所提问题，然后小组代表发言。
教师活动：理答。
要通过双缝干涉实验来测量光的波长，当然首先要设计一个双缝干涉实验，并且测量出双缝间距、干涉条纹间距、双缝与光屏的距离。
根据光的干涉条件，只有振动方向相同、频率相同、有固定相位差的光才会发生干涉。不同颜色的光的波长是不一样的，首先一个单色光作为光源。这个单色光源可用激光，也可用普通光源经过一个滤光片来产生单色光。这样，就解决了频率相同的问题。不同光源的振动方向、固定相位差不好满足。不过，如果这两束要干涉的光来自同一光源，自然地就满足了振动方向相同、有固定相位差的条件。这样让单色光经过一个单缝，再经过双缝。双缝后面接光屏。
这样，即可测量双缝间距、干涉条纹间距、双缝与屏的距离。根据所测得的这些物理量，即可求得光的波长。
三、实验器材
教师设问：请同学们思考需要哪些实验器材？
学生活动：小组内讨论老师所提问题，然后小组代表发言。
教师活动：理答。
为了更方便地布置这些仪器和测量数据，我们使用双缝干涉仪。双缝干涉仪除了包含上面的器材外，还包含了方便测量干涉条纹间距的测量头。测量头由分划板、目镜、手轮等构成，如图甲所示，测量时先转动测量头，让分划板中心刻线与干涉条纹平行，然后转动手轮，使分划板向左(或向右)移动至分划板的中心刻线与条纹的中心对齐，记下此时读数，再转动手轮，用同样的方法测出n个亮纹间的距离a，则可求出相邻两亮纹间的距离Δx＝eq \f(a,n－1 )。
综上，所需要的实验器材：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、米尺。
四、实验操作
师生活动：教师让学生思考实验步骤，然后让一名学生上讲台讲解。然后教师给出判断或补充。
4.1 装置并调节器材
(1)先将光源(线状光源)、遮光筒依次放于光具座上，如图所示，调整光源的高度，使它发出的一束光沿着遮光筒的轴线把屏照亮。
(2)将单缝和双缝安装在光具座上，使线状光源、单缝及双缝三者的中心位于遮光筒的轴线上，并注意使双缝与单缝相互平行，在遮光筒有光屏一端安装测量头，如图所示，调整分划板位置到分划板中心刻线位于光屏中央。
(3)调节单缝的位置，使单缝和双缝间距离保持在5～10 cm，使缝相互平行，中心大致位于遮光筒的轴线上，这时通过测量头上的目镜观察干涉条纹，若干涉条纹不清晰，可通过遮光筒上的调节长杆轻轻拨动双缝，即可使干涉条纹清晰明亮。在屏上就会看到白光的双缝干涉图样。
(4)将红色(或绿色)滤光片套在单缝前面，通过目镜可看到单色光的双缝干涉条纹。
(5)在光源及单缝之间加上一凸透镜，调节光源及单缝的位置，使光源灯丝成像于单缝上，可提高双缝干涉条纹的亮度，使条纹更加清晰，如图所示。
4.2 进行实验并记录数据
(6)转动手轮，使分划板中心刻线对齐某条亮纹的中央，记下手轮上的读数a1；转动手轮，使分划板中心刻线移动至另一条亮条纹的中央，记下此时手轮上的读数a2；并记下两次测量的条纹数n，则相邻两亮条纹间距Δx＝eq \f(|a2－a1|,n－1)。
(7)用刻度尺测量双缝到光屏的距离l(双缝间距d是已知的)。
(8)重复(6)-(7)的步骤3-5次。
(9)换不同的滤光片，重复(1)-(8)的步骤。
师生活动：学生分组进行实验，教师巡视并作必要指导。
五、数据处理
5.1 数据处理
(1)根据Δx＝eq \f(|a2－a1|,n－1)求出干涉条纹间距。
(2)求出干涉条纹间距的平均值，求出双缝到屏的距离的平均值。
(3)将干涉条纹间距Δx、双缝间距(已知)、双缝到屏的距离d代入干涉条纹间距与波长的关系式求出光的波长。
(4)计算其他滤光片透过的光的波长。
5.2 误差分析
(1)测双缝到屏的距离l带来的误差，可通过选用毫米刻度尺，进行多次测量求平均值的办法减小误差。
(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。
典题剖析
例1 如图甲所示，是用双缝干涉测光的波长的实验装置示意图，其中A、B、C、D分别表示滤光片、单缝、双缝、光屏。图乙a是实验时用红色滤光片和缝间距d＝0.36 mm的双缝在光屏上得到的图样；图乙b是实验时用红色滤光片和缝间距d＝0.18 mm的双缝在光屏上得到的图样；图乙c是实验时用蓝色滤光片和双缝间距d＝0.36 mm的双缝在光屏上得到的图样，则

图乙
(1)比较图乙a和图乙b，可以说明______________________________。
(2)比较图乙a和图乙c，可以说明______________________________________。
(3)能进行上述比较的前提是做这三次实验时不改变______和______的位置(从“A”、“B”、“C”、“D”中选填)。
答案：(1)对相同色光，双缝间距减小，相邻条纹间距增大
(2)对相同双缝，光波长变短，相邻条纹间距减小
(3)C D
解析：(1)根据Δx＝eq \f(l,d)λ，当l、λ一定时，Δx与d成反比。
(2)根据Δx＝eq \f(l,d)λ，当l、d一定时，Δx与λ成正比。
(3)根据实验要求，双缝到光屏的距离l不变。故不能改变C、D位置。
例2 在“用双缝干涉测量光的波长”的实验中，装置如图所示。双缝间的距离d＝3 mm。
(1)若测量红光的波长，应选用__________色的滤光片。实验时需要测定的物理量有________和________。
(2)若测得双缝与光屏之间的距离为0.70 m，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0.500 mm)观察第1条亮条纹的位置如图甲所示，观察第5条亮条纹的位置如图乙所示。则可求出红光的波长λ＝________ m。
解析：(1)要测量红光的波长，应用红色滤光片。由Δx＝eq \f(l,d)λ可知，要想测λ必须测定双缝到光屏的距离l和条纹间距Δx。
(2)由测量头的数据可知a1＝0，a2＝0.640 mm，所以Δx＝eq \f(a2－a1,n－1)＝eq \f(0.640,4) mm＝1.60×10－4 m，λ＝eq \f(dΔx,l)＝eq \f(3×10－3×1.60×10－4,0.70) m≈6.86×10－7 m。
课堂小结