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    2024届高考物理一轮复习教案第十四章实验十四用双缝干涉测量光的波长(粤教版新教材)
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    2024届高考物理一轮复习教案第十四章实验十四用双缝干涉测量光的波长(粤教版新教材)

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    这是一份2024届高考物理一轮复习教案第十四章实验十四用双缝干涉测量光的波长(粤教版新教材),共8页。

    实验技能储备
    1.实验原理
    单色光通过单缝后,经双缝产生稳定的干涉图样,图样中相邻两条亮(暗)条纹间距Δx与双缝间距d、双缝到屏的距离L、单色光波长λ之间满足λ=eq \f(d,L)Δx.
    2.实验步骤
    (1)观察双缝干涉图样
    ①将光源、遮光筒、毛玻璃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调节各器件的高度和角度,使光源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)测量单色光的波长
    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心,记下此时手轮上的读数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第n条亮条纹的中心,记下此时手轮上的读数an.
    ③用刻度尺测量双缝与光屏间距离L(d是已知的).
    ④改变双缝间的距离d,双缝到屏的距离L,重复测量.
    3.数据分析
    (1)条纹间距Δx=eq \f(an-a1,n-1).
    (2)波长λ=eq \f(d,L)Δx.
    (3)计算多组数据,求λ的平均值.
    4.注意事项
    (1)安装时,注意使光源、透镜、滤光片、单缝、双缝的中心均在遮光筒的中心轴线上,并使单缝、双缝平行且间距适当.
    (2)光源灯丝最好为线状灯丝,并与单缝平行且靠近.
    (3)调节的基本依据:照在光屏上的光很弱,主要原因是灯丝与单缝、双缝,测量头与遮光筒不共轴;干涉条纹不清晰,一般原因是单缝与双缝不平行.
    考点一 教材原型实验
    例1 如图所示,在“用双缝干涉测量光的波长”实验中:
    (1)在光具座上放置的光学元件依次为:①光源、②滤光片、③________、④________、⑤遮光筒、⑥光屏(含测量头).
    (2)利用图中装置研究双缝干涉现象时,下列说法中正确的是________.
    A.将光屏移近双缝,其他条件不变,干涉条纹间距变小
    B.将滤光片由蓝色的换成红色的,其他条件不变,干涉条纹间距变大
    C.将单缝向双缝移动一小段距离后,其他条件不变,干涉条纹间距变大
    D.换一个两缝之间距离更大的双缝,其他条件不变,干涉条纹间距变小
    E.去掉滤光片,其他条件不变,干涉现象消失
    (3)在某次测量中,将测量头的分划板中心刻线与某条亮条纹中心对齐,将该亮条纹记为第1条亮条纹,此时手轮上的示数如图甲所示.然后同方向转动测量头,使分划板中心刻线与第6条亮条纹中心对齐,此时手轮上的示数如图乙所示,则此示数为________ mm,由此可求得相邻亮条纹的间距Δx为________ mm.
    (4)已知双缝间距d为2.0×10-4 m,测得双缝到屏的距离L为0.700 m,由计算式λ=__________,求得所测红光波长为________ nm.
    答案 (1)单缝 双缝 (2)ABD (3)13.870 2.310 (4)eq \f(Δxd,L) 660
    解析 (1)由题图可知,③为单缝,④为双缝.
    (2)将光屏移近双缝,L减小,则由Δx=eq \f(L,d)λ可知,在其他条件不变时,干涉条纹间距变小,故A正确;将滤光片由蓝色的换成红色的,则波长λ变大,所以其他条件不变时,干涉条纹间距变大,故B正确;将单缝向双缝移动一小段距离后,其他条件不变时,干涉条纹间距不变,故C错误;换一个两缝之间距离更大的双缝,则d变大,在其他条件不变时,干涉条纹间距变小,故D正确;去掉滤光片,其他条件不变,会形成彩色干涉条纹,故E错误.
    (3)由题图乙可得读数为x2=13.5 mm+37.0×0.01 mm=13.870 mm,由题图甲可得读数为x1=2 mm+32.0×0.01 mm=2.320 mm,则相邻亮条纹的间距Δx=eq \f(x2-x1,5)=eq \f(13.870-2.320,5) mm=2.310 mm.
    (4)由Δx=eq \f(L,d)λ可得λ=eq \f(d,L)Δx,代入数据解得,波长为λ=eq \f(2.310×10-3×2.0×10-4,0.700) m=6.6×
    10-7 m=660 nm.
    例2 (2023·浙江省镇海中学模拟)(1)如图所示,小王同学做在“用双缝干涉测量光的波长”实验中发现目镜中干涉条纹与分划板中心刻线始终有一定的角度,下列哪个操作可以使得分划板中心刻线与干涉条纹平行________.
    A.仅拨动拨杆
    B.仅旋转单缝
    C.仅前后移动凸透镜
    D.仅旋转毛玻璃处的测量头
    (2)小王同学将分划板中心刻线与干涉条纹调平行后,将测量头的分划板中心刻线与某条亮条纹中心对齐,将该亮条纹定为第1条亮条纹,此时手轮上的示数如图所示,手轮上的示数是________ mm.
    答案 (1)D (2)50.15
    解析 (1)若要使得分划板中心刻线与干涉条纹平行,则仅旋转毛玻璃处的测量头即可,故选D.
    (2)手轮上的示数是50 mm+0.05 mm×3=50.15 mm.
    考点二 探索创新实验
    例3 洛埃德在1834年提出了一种更简单的观察干涉的装置.如图所示,单色光从单缝S射出,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条亮条纹中心到第12条亮条纹中心的间距为22.78 mm,则该单色光的波长λ=________ m.(结果保留1位有效数字)
    (3)以下哪些操作能够增大光屏上相邻两条亮条纹之间的距离________.
    A.将平面镜稍向上移动一些
    B.将平面镜稍向右移动一些
    C.将光屏稍向右移动一些
    D.将光源由红色光改为绿色光
    答案 (1) S′ (2)6×10-7 (3)AC
    解析 (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,S′相当于另一个“缝”.
    (2)第3条亮条纹中心到第12条亮条纹中心的间距为22.78 mm,则相邻亮条纹间距为Δx=eq \f(22.78×10-3,12-3) m≈2.53×10-3 m,等效双缝间的距离为d=2h=0.30 mm=3.0×10-4 m,根据双缝干涉条纹间距Δx=eq \f(D,d)λ,则有λ=eq \f(d,D)Δx=eq \f(3.0×10-4×2.53×10-3,1.2) m≈6×10-7 m.
    (3)根据双缝干涉条纹间距Δx=eq \f(D,d)λ可知,仅增大D、仅减小d或仅增大波长λ都能够增大光屏上相邻两条亮条纹之间的距离,所以A、C正确.
    课时精练
    1.如图所示是“用双缝干涉测量光的波长”实验的装置.实验中:
    (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________.(单选)
    A.旋转测量头
    B.增大单缝与双缝间的距离
    C.调节拨杆使单缝与双缝平行
    (2)要增大观察到的条纹间距,正确的做法是________.(单选)
    A.减小单缝与光源间的距离
    B.减小单缝与双缝间的距离
    C.增大透镜与单缝间的距离
    D.增大双缝与测量头间的距离
    答案 (1)C (2)D
    解析 (1)若粗调后看到的是模糊不清的条纹,则最可能的原因是单缝与双缝不平行,要使条纹变得清晰,可尝试调节拨杆使单缝与双缝平行,故选C.
    (2)根据Δx=eq \f(L,d)λ,可知要增大条纹间距,可以增大双缝到光屏的距离L或减小双缝的间距d,故选D.
    2.(2023·广东湛江市模拟)(1)图a是利用双缝干涉仪测定单色光波长的实验装置示意图,滤光片的作用是________,单缝的作用是________,双缝的作用是________,单缝和双缝之间的方向关系是________.
    (2)某同学在做该实验时,第一次分划板中心刻度对齐A条纹中心时(图b),游标卡尺的示数如图c所示.第二次分划板中心刻度对齐B条纹中心时(图d),游标卡尺的示数如图e所示,已知双缝间距为0.5 mm,从双缝到屏的距离为1 m,则图c游标卡尺的示数为________ mm,图e游标卡尺的示数为________ mm.
    (3)实验时测量多条干涉条纹宽度的目的是________,所测单色光波长为________ m.
    答案 (1)获得单色光 产生线光源 产生相干光源 平行 (2)11.5 16.7 (3)减小误差 6.5×10-7
    解析 (1)滤光片的作用是获得单色光,单缝的作用是产生线光源,双缝的作用是产生相干光源,单缝和双缝之间的方向关系是平行;
    (2)题图c游标卡尺的示数为x1=11 mm+5×0.1 mm=11.5 mm
    题图e游标卡尺的示数为x2=16 mm+7×0.1 mm=16.7 mm
    (3)为了减小误差,实验时需测量多条干涉条纹宽度;
    由题图可知,A、B两条纹间有4个间距,则两个相邻明(暗)条纹间的距离为Δx=eq \f(x2-x1,4)=
    1.3 mm
    由Δx=eq \f(L,d)λ得λ=eq \f(Δxd,L),代入数据得λ=6.5×10-7 m.
    3.可发出红、黄、绿三色光的多层警示灯,被广泛应用于数控机床、电子机械自动化生产线等工业领域.某同学想采用如图甲所示的实验装置测定三种色光的波长.
    (1)打开多层示警灯的绿光灯,将遮光筒对准光源放置.在光源和双缝之间还必须放置一个________(选填“滤光片”或“单缝”),其目的是保证经双缝得到的两列光是________(选填“相干”或“非相干”)光;
    (2)已知双缝之间的距离为0.6 mm,双缝到屏的距离为1.5 m,绿光的干涉图样如图乙所示,分划板中心刻线在A位置时螺旋测微器的读数为1.128 mm,在B位置时读数如图丙所示,为________ mm,则该绿光的波长为________ nm(计算结果保留三位有效数字);
    (3)在不改变其他条件的情况下,该同学又进行了几组实验,通过照相底片记录了干涉图样,分别测量了红光、黄光的波长(红光为625 nm、黄光为570 nm).图(a)、(b)、(c)是实验中记录下的三种色光的干涉图样,但被不小心弄混了,经判断绿光产生的干涉图样是图________(选填(a)、(b)或(c)).
    答案 (1)单缝 相干 (2)6.526 540 (3)(c)
    解析 (1)在光源和双缝之间还必须放置一个单缝,其目的是保证经双缝得到的两列光是相干光.
    (2)分划板中心刻线在B位置时读数为6.5 mm+2.6×0.01 mm=6.526 mm
    条纹间距为Δx=eq \f(6.526-1.128,4) mm=1.349 5 mm
    由Δx=eq \f(L,d)λ解得该绿光的波长λ=eq \f(d,L)Δx=eq \f(0.6×10-3,1.5)×1.349 5×10-3 m=5.398×10-7 m≈540 nm.
    (3)由波长关系λ红>λ黄>λ绿,可知在其他条件不变的情况下,干涉图样条纹间距Δx红>Δx黄>
    Δx绿,所以绿光的条纹间距最小,则绿光产生的干涉图样是题图(c).
    4.寒假期间小明利用图甲所示的物品,测量了某型号刀片的厚度.
    实验过程如下:
    (1)点燃蜡烛,用蜡烛火焰把玻璃片的一面熏黑;
    (2)并齐捏紧两片刀片,在玻璃片的熏黑面划出两条平直划痕;
    (3)如图乙所示,将激光光源和玻璃片固定在桌上,并将作为光屏的白纸固定在距离足够远的墙上.
    (4)打开激光光源,调整光源的高度并使激光沿水平方向射出,恰好能垂直入射在两划痕上.
    (5)观察白纸上的干涉条纹如图丙所示.用刻度尺测出a、b两点间的距离为________ cm,则两相邻暗纹中心之间的距离Δy=________ cm.
    (6)测得玻璃片到光屏的距离L=3.00 m,已知该红色激光的波长λ=700 nm,利用公式求出双划痕间距d=________ mm,即为刀片厚度(结果保留两位有效数字).
    答案 (5)10.50 2.1 (6)0.10
    解析 (5)用刻度尺测出a、b两点间的距离为10.50 cm,两相邻暗纹中心之间的距离为Δy=eq \f(10.50,5) cm=2.1 cm.
    (6)刀片的厚度为Δy=eq \f(L,d)λ,解得d=0.10 mm.
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