1、4实验：用双缝干涉测量光的波长 第四章 光 实验目标 1.掌握双缝干涉测量波长的原理。2.学会安装实验器材，并能进行正确的实验操作、测量光的波长。技能储备明原理 NO.1一、实验原理与方法 1实物原理如图所示，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OP0l。则相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距：xld。2测量原理由公式 xld 可知，在双缝干涉实验中，d 是双缝间距，是已知的；l 是双缝到屏的距离，可以测出，那么，只要测出相邻两明条纹(或相邻两暗条纹)中心间距 x，即可由公式 dlx 计算出入射光波长的大小。3条纹间
2、距 x 的测定甲 乙如图甲所示，测量头由分划板、目镜、手轮等构成，测量时先转动测量头，让分划板中心刻线与亮条纹的中心对齐，记下此时手轮上的读数，然后转动手轮，使分划板向左(向右)移动至分划板的中心刻线与另一相邻亮条纹的中心对齐，如图乙所示，记下此时读数，再转动手轮，用同样的方法测出 n 条亮纹间的距离 a，可求出相邻两亮纹间的距离 x an1。二、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。三、实验步骤1按图所示安装仪器。2将光源中心、单缝中心、双缝中心调节在遮光筒的中心轴线上。3使光源发光，
3、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，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 a，利用公式 x an1，算出条纹间距，然后利用公式 dlx，求出此单色光的波长(d 仪器中已给出，l 可用米尺测出)。6重复测量、计算，求出波长的平均
4、值。7换用另一滤光片，重复实验。四、误差分析本实验为测量性实验，因此应尽一切办法减少有关测量的误差。实验中的双缝间距 d 是器材本身给出的，因此本实验要注意 l 和 x 的测量。光波的波长很小，l、x 的测量对波长的影响很大。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 x 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 条亮纹间距，再求 x an1
5、，并且采用多次测量求 x 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、双缝平行且竖直。3光源使用线状长丝灯泡，调节时使之与单缝平行且靠近。4实验中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。实验强化提素养 NO.2类型一 类型二 类型一 实验操作过程及仪器读数【典例 1】在“用双缝干涉测光的波长”实验中(实验装置如图)：(1)下列说法哪一个是错误的_。(填选项前的字
6、母)A调节光源高度使光束沿遮光筒轴线照在屏中心时，应放上单缝和双缝B测量某条干涉亮纹位置时，应使测微目镜分划板中心刻线与该亮纹的中心对齐C为了减少测量误差，可用测微目镜测出 n 条亮纹间的距离 a，求出相邻两条亮纹间距 x an1(2)测量某亮纹位置时，手轮上的示数如图，其示数为_mm。解析(1)放上单缝和双缝后，由于发生干涉现象没法调节光源的高度，故 A 项错误。(2)按读数规则，读出示数为：1.5 mm47.00.01 mm1.970 mm。答案(1)A(2)1.970类型二 实验数据处理【典例 2】利用双缝干涉测定单色光波长，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(
7、图甲)，游标卡尺的示数如图丙所示，第二次分划板中心刻度对齐 B 条纹中心时(图乙)，游标卡尺的示数如图丁所示，已知双缝间距为 0.5 mm，从双缝到屏的距离为 1 m，则图丙中游标卡尺的示数为_ mm。图丁游标卡尺的示数为_ mm。在实验中，所测单色光的波长为_ m。在本实验中如果在双缝上各有一个红色和绿色滤光片，那么在光屏上将_(选填“能”或“不能”)看到明暗相间的条纹。甲 乙丙 丁解析 根据游标卡尺的原理，可读出图丙的示数为 11.4 mm；图丁的示数是 16.8 mm。y16.811.44 mm1.35 mm。又根据 yld，则 dyl 6.75107 m。当在双缝上各有一个红色和绿色滤
8、光片时，不满足干涉条件，故不能看到明暗相间的条纹。答案 11.4 16.8 6.75107 不能类型三 创新实验设计【典例 3】1801 年，托马斯杨用双缝干涉实验研究了光波的性质。1834 年，洛埃利用单面镜同样得到了杨氏干涉的结果(称为洛埃镜实验)。(1)洛埃镜实验的基本装置如图所示，S 为单色光源，M 为一平面镜。试用平面镜成像作图法画出 S 经平面镜反射后的光与直接发出的光在光屏上相交的区域；(2)设光源 S 到平面镜的垂直距离和到光屏的垂直距离分别为 a和 l，光的波长为，在光屏上形成干涉条纹。写出相邻两条亮纹(或暗纹)间距离 x 的表达式。解析(1)根据平面镜成像特点(对称性)，先
9、作出 S 在镜中的像S，画出边缘光线，范围如图所示。此范围即为相交区域。(2)杨氏双缝干涉实验中干涉条纹宽度与双缝间距、缝屏距离、光波波长之间的关系为 xld，又因为 d2a，所以 x l2a。答案(1)见解析图(2)x l2a实验达标固双基 NO.31 3 5 2 4 1某同学利用如图所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 3 5 2 4(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
10、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 x，则单色光的波长 _。1 3 5 2 4(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 xld，要增加观察到的条纹个数，即减小 x，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，A、C、D 错误。1 3 5 2 4(2)第 1 条到第 n 条暗条纹间的距离为 x，则相邻暗条纹间的
11、距离 x xn1，又 xld，解得 xdn1l。(3)由 xdn1l，代入数据解得 630 nm。答案(1)B(2)xdn1l(3)6302 1 3 4 5 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 d3 mm。2 1 3 4 5(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 0.70 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)观察到第1 条亮纹的位置如图(a)所示，第 5 条亮纹的位置如图(b)所示。则可求出红光的波长 _m。(保留三位有效数字)2 1 3 4
12、 5(a)(b)2 1 3 4 5 解析 测红光的波长，应选用红色滤光片。由 xld 可知要想测 必须测定双缝到屏的距离 l 和相邻两亮纹间距 x。由测量头的读数可知 a10，a20.640 mm 所以 xa2a1n1 0.6404 mm1.60104m dxl 31031.601040.7m6.86107m。2 1 3 4 5 答案(1)红 双缝到屏的距离 l 相邻两亮纹间距 x(2)6.861073 1 2 4 5 3(1)备有下列仪器：A白炽灯 B双缝 C单缝 D滤光片 E白色光屏把 以 上 仪 器 装 在 光 具 座 上 时，正 确 的 排 列 顺 序 应 该 是：_(填写字母代号)。
13、3 1 2 4 5(2)已知双缝到光屏之间的距离 L500 mm，双缝之间的距离 d0.50 mm，单缝到双缝之间的距离 s100 mm，某同学在用测量头测量时，调整手轮，在测量头目镜中先看到分划板中心刻线对准 A亮条纹的中心，然后他继续转动，使分划板中心刻线对准 B 亮条纹的中心，前后两次游标卡尺的读数如图所示。则入射光的波长 _m(结果保留两位有效数字)。3 1 2 4 5(3)实验中发现条纹太密，难以测量，可以采用的改善办法有_。A改用波长较长的光(如红光)作为入射光B增大双缝到屏的距离C增大双缝到单缝的距离D增大双缝间距3 1 2 4 5 解析(2)游标卡尺读数精确度为 0.1 mm，
14、A 位置主尺读数为11 mm，游标尺读数为 1，读数为 x111 mm10.1 mm11.1 mm，同理 B 位置读数为 x215.6 mm，则条纹间距 xx2x170.64 mm.则 dLx6.4107 m。3 1 2 4 5(3)由 xld 可知，要增大条纹间距，可用波长更长的入射光或增大双缝到屏的距离，故 A、B 正确。答案(1)ADCBE(2)6.4107(3)AB4现有毛玻璃屏 A、双缝 B、白色光源 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
15、右，表示各光学元件的字母排列顺序应为 C、_、A。4 1 2 3 5 4 1 2 3 5(2)本实验的步骤有：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；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；用米尺测量双缝到屏的距离；4 1 2 3 5 用测量头(其读数方法同螺旋测微器)测量数条亮纹间的距离。在操作步骤时还应注意单缝、双缝应_且_。4 1 2 3 5(3)将测量头的分划板中心刻线与某亮纹中心对齐，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，记下此时图乙中手 轮
16、 上 的 示 数 为 _mm，求 得 相 邻 亮 纹 的 间 距 x _mm。甲 乙4 1 2 3 5(4)已知双缝间距 d为2.0104m，测得双缝到屏的距离 l为0.700 m，由计算式 _，求得所测红光波长为_nm。解析(1)由左至右依次放置白色光源 C、滤光片 E、单缝 D、双缝 B、毛玻璃屏 A。(2)单缝、双缝应相互平行并跟遮光筒轴线垂直。4 1 2 3 5(3)甲的示数为 2.320 mm，乙的示数为 13.870 mm，则 x13.8702.3205 mm2.310 mm。(4)由 xld 得 dlx2.01040.7002.310103 m6.60107 m660 nm。答案
17、(1)E、D、B(2)相互平行 与遮光筒轴线垂直(3)13.870 2.310(4)dlx 6602 4 5 1 3 5(2020山东潍坊高三联考)某同学在实验室找到了一台陈旧的激光器，铭牌已模糊不清，为了测出该激光器发出光的波长，他在实验室中进行了以下操作：a将双缝放置在距墙面恰好是 5 块完整地板砖的位置；b用激光器照射双缝，在墙面上得到了如图所示的清晰的干涉条纹。2 4 5 1 3(1)图中第五条亮条纹中心位置的读数为_cm，相邻两条亮条纹间距 x_cm；(2)已知所用双缝的宽度 d0.10 mm，实验室的地面由“80 cm80 cm”的 地 板 砖 铺 成，则 该 激 光 器 发 出
18、光 的 波 长 为_m(结果保留 2 位有效数字)。2 4 5 1 3 解析(1)刻度尺的分度值为 1 mm，需要估读到分度值的下一位，根据刻度尺的读数规则，可得第五条亮条纹中心位置的读数为x510.45 cm。第一条亮条纹中心位置的读数为 x10.57 cm，则相邻两条亮条纹间距 xx5x142.47 cm。2 4 5 1 3(2)所用双缝的宽度 d0.10 mm0.1103 m，双缝到墙面的距离 L80 cm5400 cm4 m，根据干涉条纹间距公式 xLd，代入数据解得波长 6.2107 m。答案(1)10.45 2.47(2)6.2107课外阅读拓视野 NO.4镀膜眼镜地处高原的雪山上
19、，紫外线和绿光都很强烈，它们对人眼有很大的危害。用什么办法削弱它们呢？人们利用蒸镀的方法，使眼镜片覆盖一层薄薄的氟化镁薄膜，适当地掌握这个薄膜的厚度，使紫外线和绿光在薄膜的两个反射面上反射以后，均产生干涉加强。因此，绿光和紫外线在反光中的比例加大，透过镜片的比例自然就减少了，进入眼睛的光线就弱得多了。为了同时使两种不同波长的光都得到反射加强，常常把两种不同的材料交替蒸镀在镜片，制成多层干涉滤光膜，这就是多层干涉滤光片，它比单层滤光片的效果更好。薄膜的厚度、所选择的材料要根据反射加强的波长而定。眼镜片上的这层薄薄的干涉滤光膜就像一对忠实的门卫，它们防守着大门，把伤害眼睛的光拒之门外，使眼睛能够长时间地正常工作。问题 1镀膜眼镜能保护眼睛的原理是什么？提示：薄膜干涉。2镀膜眼镜的反射面是哪里？提示：膜的上表面与膜的下表面(或玻璃表面)反射。谢谢观看 THANK YOU!
