2024年高考物理复习第一轮：创新实验课(18)　用双缝干涉测量光的波长

这是一份2024年高考物理复习第一轮：创新实验课(18)　用双缝干涉测量光的波长，共8页。试卷主要包含了实验基本技能，规律方法总结等内容，欢迎下载使用。
实验基础知识一、实验基本技能1．实验目的(1)了解光波产生稳定的干涉现象的条件．(2)观察白光和单色光的双缝干涉图样．(3)测定单色光的波长．2．实验原理如图甲所示，光源发出的光，经过滤光片后变成单色光，再经过单缝S时发生衍射，这时单缝S相当于一个单色光源，衍射光波同时到达双缝S1和S2之后，S1、S2双缝相当于两个步调完全一致的单色相干光源，相邻两条亮(暗)条纹间的距离Δx与入射光波长λ，双缝S1、S2间距离d及双缝与屏的距离l有关，其关系式为Δx＝λ，因此，只要测出Δx、d、l即可测出波长λ.甲两条相邻亮(暗)条纹间的距离Δx用测量头测出．测量头由分划板、目镜、手轮等构成，如图乙所示．乙3．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．4．实验步骤(1)观察双缝干涉图样①将光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上，如图所示．②接好光源，打开开关，使灯丝正常发光．③调节各器件的高度，使灯丝发出的光能沿遮光筒轴线到达光屏．④安装单缝和双缝，尽量使缝的中点位于遮光筒的轴线上，使单缝与双缝平行，二者间距约为5～10 cm.⑤在单缝和光源间放上滤光片，观察单色光的干涉条纹．(2)测定单色光的波长①安装测量头，调节至可清晰观察到干涉条纹．②使分划板中心刻线对齐某条亮条纹的中央，如图所示，记下此时手轮上的读数，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，将该条纹记为第n条亮条纹，测出n条亮条纹间的距离a，则相邻两亮条纹间距Δx＝.③用刻度尺测量双缝到光屏间距离l(d是已知的)．④重复测量、计算，求出波长的平均值．二、规律方法总结1．数据处理(1)条纹间距的计算：转动测量头的手轮，分划板中心刻线在第1条亮条纹中央时读数为a1，在第n条亮条纹中央时读数为an，则Δx＝.(2)根据条纹间距与波长的关系Δx＝λ得λ＝Δx，其中d为双缝间距，l为双缝到光屏的距离．(3)测量时需测量多组数据，求λ的平均值．2．误差分析(1)双缝到光屏的距离l的测量存在误差．(2)测条纹间距Δx带来的误差：①干涉条纹没有调整到最清晰的程度．②误认为Δx为亮条纹的宽度．③分划板中心刻线与干涉条纹不平行，中心刻线没有恰好位于亮条纹中心．④测量多条亮条纹间的距离时读数不准确，此间距中的条纹数未数清．3．注意事项(1)调节双缝干涉仪时，要注意调整光源的高度，使它发出的光束能够沿着遮光筒的轴线把屏照亮．(2)放置单缝和双缝时，缝要相互平行，中心大致位于遮光筒的轴线上．(3)调节测量头时，应使分划板中心刻线和亮条纹的中心对齐，记下此时手轮上的读数，转动手轮，使分划板中心刻线和另一亮条纹的中心对齐，记下此时手轮上的读数，两次读数之差就表示这两条亮条纹间的距离．(4)不要直接测Δx，要测多条亮条纹的间距再计算得到Δx，这样可以减小误差．(5)白光的干涉观察到的是彩色条纹，其中白色在中央，红色在最外层．命题点一　实验原理与操作　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，由左到右，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，使光束能沿遮光筒的轴线把屏照亮；②按合理的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用刻度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)测量数条亮条纹间的距离．在操作步骤②时还应注意________________、________________和________________．解析：(1)滤光片E可以从白光中选出单色红光，单缝D是获取线光源，双缝B是获得相干光源，最后成像在毛玻璃屏A上，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、双缝间的距离要适当；要保证光源、滤光片、单缝、双缝和毛玻璃屏的中心在同一轴线上．答案：(1)E　D　B(2)放置单缝、双缝时，必须使缝平行　单缝、双缝间的距离要适当　要保证光源、滤光片、单缝、双缝和毛玻璃屏的中心在同一轴线上[对点演练]1．在“用双缝干涉测光的波长”的实验中，实验装置如图所示．(1)某同学以线状白炽灯为光源，对实验装置进行调节并观察了实验现象后，总结出以下几点：A．灯丝与单缝和双缝必须平行放置B．干涉条纹与双缝垂直C．干涉条纹的疏密程度与单缝宽度有关D．干涉条纹的间距与光的波长有关以上几点中，你认为正确的是________．(2)当测量头中的分划板中心刻线对齐某条纹的中心时，手轮上的示数如图甲所示，该读数为________mm.(3)如果测量头中的分划板中心刻线与干涉条纹不在同一方向上，如图乙所示．则在这种情况下来测量干涉条纹的间距Δx时，测量值________实际值．(填“大于”“小于”或“等于”)解析：(1)为了获得清晰的干涉条纹，A正确；由干涉现象可知干涉条纹与双缝平行，B错误；干涉条纹的疏密Δx＝λ与单缝宽度无关，C错误，D正确．(2)手轮的读数为0.5 mm＋20.0×0.01 mm＝0. 700 mm.(3)条纹与分划板不平行时，实际值Δx实＝Δx测 cos θ，θ为条纹与分划板间的夹角，故Δx实＜Δx测．答案：(1)AD　(2)0.700　(3)大于命题点二　数据处理与误差分析　(2021·北京四中质检)某同学用如图甲所示的实验装置做“用双缝干涉测光的波长”的实验，他用带有游标尺的测量头(如图乙所示)测量相邻两条亮条纹间的距离，转动测量头的手轮，使分划板的中心刻线对齐某一条亮条纹(将这一条纹确定为第一亮条纹)的中心，此时游标尺上的示数情况如图丙所示；转动测量头的手轮，使分划板的中心刻线对齐第六亮条纹的中心，此时游标尺上的示数情况如图丁所示．则：(1)图丙的读数x1＝________mm.(2)图丁的读数x2＝________mm.(3)实验中所用的双缝间的距离d＝0.20 mm，双缝到屏的距离L＝60 cm，则实验中计算波长的表达式λ＝________(用题目中给出的已知量和直接测量量的符号表示)．(4)根据以上数据，可得实验中测出的光的波长λ＝________ nm.解析：(1)题图丙中的主尺读数为1 mm，游标尺读数为0.05×3 mm＝0.15 mm，所以图丙的读数x1＝1 mm＋0.05×3 mm＝1.15 mm.(2)题图丁中的主尺读数为8 mm，游标尺读数为0.05×19 mm＝0.95 mm，所以图丁的读数x2＝8 mm＋0.05×19 mm＝8.95 mm.(3)相邻两个亮条纹的距离Δx＝实验中计算波长的表达式λ＝Δx＝.(4)把数据代入公式，得λ＝＝5.20×10－7 m＝520 nm.答案：(1)1.15　(2)8.95　(3)　(4)520[对点演练]2．(2019·全国卷Ⅱ)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________；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________nm(结果保留3位有效数字)．解析：(1)相邻明(暗)干涉条纹的宽度Δx＝λ，要增加观察到的条纹个数，即减小Δx，需增大d或减小l，因此应将屏向靠近双缝的方向移动或使用间距更大的双缝，选项B正确．(2)第1条暗条纹到第n条暗条纹间的距离为Δx，则相邻暗条纹间的距离Δx′＝，又Δx′＝λ，解得λ＝ .(3)由λ＝，代入数据解得λ＝630 nm.答案：(1)B　(2)　(3)630命题点三　创新拓展实验实验器材的创新实验方法的创新实验情景的创新该实验中测量头用游标卡尺替代了螺旋测微器．1.应用双缝干涉装置观测干涉条纹.2.应用条纹间距公式定性分析有关问题． 应用牛顿环装置观察光的薄膜干涉现象.　洛埃德(H.Lloyd)在1834年提出了一种更简单的观察干涉的装置．如图所示，从单缝S发出的光，一部分入射到平面镜后反射到屏上，另一部分直接投射到屏上，在屏上两光束交叠区域里将出现干涉条纹．单缝S通过平面镜成的像是S′.(1)通过洛埃德镜在屏上可以观察到明暗相间的干涉条纹，这和双缝干涉实验得到的干涉条纹一致．如果S被视为其中的一个缝，________相当于另一个“缝”；(2)实验表明，光从光疏介质射向光密介质界面发生反射时，在入射角接近90°时，反射光与入射光相比，相位有π的变化，即半波损失．如果把光屏移动到和平面镜接触，接触点P处是________(填写“亮条纹”或“暗条纹”)；(3)实验中已知单缝S到平面镜的垂直距离h＝0.15 mm，单缝到光屏的距离D＝1.2 m，观测到第3个亮条纹到第12个亮条纹的中心间距为22.78 mm，则该单色光的波长λ＝________ m(结果保留3位有效数字)．解析：(1)根据图可知，如果S被视为其中的一个缝，S经平面镜成的像S′相当于另一个“缝”．(2)根据题意可知，把光屏移动到和平面镜接触，光线经过平面镜反射后将会有半波损失，因此接触点P处是暗条纹．(3)条纹间距为Δy＝ m≈2.53×10－3 m，根据λ＝Δy，代入数据解得：λ≈6.33×10－7 m.答案：(1)S经平面镜成的像S′　(2)暗条纹(3)6.33×10－7[对点演练]3．(实验方法的创新)在观察光的双缝干涉现象的实验中：(1)将激光束照在如图甲所示的双缝上，在光屏上观察到的现象是图乙中的________．(2)换用间隙更小的双缝，保持双缝到光屏的距离不变，在光屏上观察到的条纹宽度将______；保持双缝间隙不变，减小光屏到双缝的距离，在光屏上观察到的条纹宽度将________(以上均选填“变宽”“变窄”或“不变”)．解析：(1)双缝干涉图样是平行且等宽的明暗相间的条纹，A图正确．(2)根据Δx＝λ知，双缝间的距离d减小时，条纹间距变宽；当双缝到屏的距离l减小时，条纹间距变窄．答案：(1)A　(2)变宽　变窄4．(实验情景的创新)(1)干涉条纹除了可以通过双缝干涉观察到外，把一个凸透镜压在一块平面玻璃上(图甲)，让单色光从上方射入(示意图如图乙，其中R为凸透镜的半径)，从上往下看凸透镜，也可以观察到由干涉造成图丙所示的环状条纹，这些条纹叫作牛顿环．如果改用波长更长的单色光照射，观察到的圆环半径将________(选填“变大”“变小”或“不变”)；如果换一个半径更大的凸透镜，观察到的圆环半径将________(选填“变大”“变小”或“不变”)．(2)采用波长为690 nm的红色激光作为单色入射光，牛顿环的两条相邻亮条纹位置所对应的空气膜的厚度差约为________．A．345 nm　　　　　　 B．690 nmC．几微米  D．几毫米解析：(1)当光程差为波长的整数倍时是亮条纹，当光程差为半个波长的奇数倍时是暗条纹；用波长更长的光照射，则出现亮条纹的这一厚度需远离中心，则圆环的半径变大；换一个表面曲率半径更大的凸透镜，出现亮条纹的这一厚度偏移中心，则圆环的半径变大．(2)由题意知相邻亮条纹对应的空气层的厚度差为半个波长，故为345 nm，故选项A正确．B、C、D错误．答案：(1)变大　变大　(2)A