2019-2020學(xué)年高考物理 主題3 光及其應(yīng)用 4 實驗：用雙縫干涉測量光的波長學(xué)案（必修1）

《2019-2020學(xué)年高考物理 主題3 光及其應(yīng)用 4 實驗：用雙縫干涉測量光的波長學(xué)案（必修1）》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2019-2020學(xué)年高考物理 主題3 光及其應(yīng)用 4 實驗：用雙縫干涉測量光的波長學(xué)案（必修1）（11頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、4　實驗：用雙縫干涉測量光的波長 [學(xué)科素養(yǎng)與目標(biāo)要求]　 物理觀念：1.掌握雙縫干涉條紋間距的計算公式及推導(dǎo)過程.2.掌握用雙縫干涉測波長的原理、操作、器材及注意事項. 科學(xué)思維：會利用雙縫干涉實驗測量單色光的波長，加深對雙縫干涉的理解. 科學(xué)探究：1.根據(jù)用雙縫干涉實驗測波長的原理，會選用實驗器材、規(guī)范實驗操作.2.能進(jìn)行分組、自主、合作探究，并對信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理. 一、實驗原理 如圖1所示，兩縫之間的距離為d，每個狹縫都很窄，寬度可以忽略. 圖1 兩縫S1、S2的連線的中垂線與屏的交點為P0，雙縫到屏的距離OP0＝l.則相鄰兩個亮條紋或暗條紋的中心間距：Δx＝λ.

2、 若已知雙縫間距，再測出雙縫到屏的距離l和條紋間距Δx，就可以求得光波的波長. 二、實驗器材 雙縫干涉儀，即光具座、光源、濾光片、單縫、雙縫、遮光筒、毛玻璃屏、測量頭.另外，還有學(xué)生電源、導(dǎo)線、刻度尺等. 三、實驗步驟 1.將光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上，如圖2所示. 圖2 2.接好光源，打開開關(guān)，使燈絲正常發(fā)光. 3.調(diào)節(jié)各器件的高度，使光源燈絲發(fā)出的光能沿軸線到達(dá)光屏. 4.安裝雙縫和單縫，中心大致位于遮光筒的軸線上，使雙縫與單縫的縫平行，兩者間距5～10 cm，這時可觀察白光的干涉條紋. 5.在單縫和光源間放上濾光片，觀察單色光的干涉條紋. 四、數(shù)據(jù)

3、處理 1.安裝測量頭，調(diào)節(jié)至可清晰觀察到干涉條紋. 2.使分劃板中心刻線對齊某條亮條紋的中心，記下手輪上的讀數(shù)a1，將該條紋記為第1條亮紋；轉(zhuǎn)動手輪，使分劃板中心刻線移動至另一亮條紋的中心，記下此時手輪上的讀數(shù)a2，將該條紋記為第n條亮紋，則相鄰兩亮條紋間距Δx＝. 3.用刻度尺測量雙縫到光屏間的距離l(d是已知的). 4.重復(fù)測量、計算，求出波長的平均值. 五、誤差分析 1.光波的波長很小，Δx、l的測量對波長λ的影響很大. 2.在測量l時，一般用毫米刻度尺；而測Δx時，用千分尺且采用“累積法”. 3.多次測量求平均值. 六、注意事項 1.雙縫干涉儀是比較精密的儀器，應(yīng)輕

4、拿輕放，不要隨便拆解遮光筒、測量頭等元件. 2.濾光片、單縫、雙縫、目鏡等如有灰塵，應(yīng)用擦鏡紙輕輕擦去. 3.安裝時，注意調(diào)節(jié)光源、濾光片、單縫、雙縫的中心均在遮光筒的中心軸線上，并使單縫、雙縫平行且豎直，間距大約5～10cm. 4.調(diào)節(jié)的基本依據(jù)是：照在像屏上的光很弱.主要原因是燈絲與單縫、雙縫、測量頭與遮光筒不共軸線所致.干涉條紋不清晰的主要原因一般是單縫與雙縫不平行. 5.測量頭在使用時應(yīng)使中心刻線對應(yīng)著亮(暗)條紋的中心. 6.光源燈絲最好為線狀燈絲，并與單縫平行靠近. 一、雙縫干涉條紋間距問題 例1　(多選)(2017·全國卷Ⅱ)在雙縫干涉實驗中，用綠色激光照射在雙

5、縫上，在縫后的屏幕上顯示出干涉圖樣.若要增大干涉圖樣中兩相鄰亮條紋的間距，可選用的方法是(　　) A.改用紅色激光 B.改用藍(lán)色激光 C.減小雙縫間距 D.將屏幕向遠(yuǎn)離雙縫的位置移動 E.將光源向遠(yuǎn)離雙縫的位置移動 答案　ACD 解析　根據(jù)干涉圖樣中兩相鄰亮條紋的間距Δx＝λ可知，要使Δx增大，可以增大波長或增大雙縫到屏的距離或縮小雙縫間的距離，所以選項A、C、D正確，B、E錯誤. 例2　在楊氏干涉實驗中，若單色光的波長λ＝5.89×10－7m，雙縫間的距離d＝1mm，雙縫到屏的距離l＝2m，則第1個亮條紋到第11個亮條紋的中心間距為______________. 答案　1.

6、178×10－2m 解析　由Δx＝λ可知 Δx＝1.178×10－3m， 則第1個亮條紋到第11個亮條紋的中心間距為 x＝10Δx＝1.178×10－2m. 二、實驗原理與操作 例3　在“用雙縫干涉測量光的波長”實驗中(實驗裝置如圖3)，下列說法錯誤的是(　　) 圖3 A.調(diào)節(jié)光源高度使光束沿遮光筒軸線照在屏中心時，應(yīng)放上單縫和雙縫 B.測量某條干涉亮條紋位置時，應(yīng)使測量頭分劃板中心刻線與該亮條紋的中心對齊 C.為了減小測量誤差，可用測量頭測出n條亮條紋間的距離a，求出相鄰兩條亮條紋間距Δx＝ D.將濾光片放在單縫與雙縫之間不改變實驗結(jié)果 答案　A 解析　調(diào)節(jié)光源

7、高度使光束沿遮光筒軸線照在屏中心時，不需放單縫和雙縫，故A錯誤；測量某條干涉亮條紋位置時，應(yīng)使測量頭分劃板中心刻線與該亮條紋的中心對齊，故B正確；n條亮條紋之間有n－1個間距，相鄰兩條亮條紋的間距Δx＝，故C正確；根據(jù)實驗原理知D正確. 三、實驗數(shù)據(jù)處理 例4　在“用雙縫干涉測量光的波長”實驗中，選用紅色濾光片和間距為0.20mm的雙縫，雙縫與屏的距離為600mm.某同學(xué)正確操作后，在目鏡中看到如圖4甲所示的干涉條紋.換成紫色濾光片正確操作后，使測量頭分劃板刻線與第k級暗條紋中心對齊，在目鏡中觀測到的是圖乙中的______(填字母)，此時測量頭的讀數(shù)為25.70mm.沿同一方向繼續(xù)移動測量

8、頭使分劃板刻線與第k＋5級暗條紋中心對齊，此時測量頭標(biāo)尺如圖丙所示，其讀數(shù)是_______mm，紫光的波長等于________nm. 圖4 答案　D　19.40　420 解析　由干涉條紋間距Δx＝可知，換上紫色濾光片后，在其他條件不變的情況下，間距變小，干涉條紋變密，分劃板應(yīng)該在正中央，所以為D.游標(biāo)卡尺讀數(shù)為19.40mm.平均條紋間距Δx＝mm＝1.26mm，根據(jù)λ＝Δx，解得λ＝420nm. [學(xué)科素養(yǎng)]　本題考查了用雙縫干涉測量光的波長實驗，回顧了游標(biāo)卡尺的使用方法，這體現(xiàn)了“物理觀念”和“科學(xué)思維”的學(xué)科素養(yǎng).在實驗過程中，學(xué)生之間需要合作、交流、處理數(shù)據(jù)，體現(xiàn)了

9、“實驗探究”的學(xué)科素養(yǎng). 1.(雙縫干涉條紋間距問題)(2015·全國卷Ⅰ)在雙縫干涉實驗中，分別用紅色和綠色的激光照射同一雙縫，在雙縫后的屏幕上，紅光的相鄰干涉條紋間距Δx1與綠光的相鄰干涉條紋間距Δx2相比，Δx1____Δx2(填“＞”“＝”或“＜”).若實驗中紅光的波長為630nm，雙縫與屏幕的距離為1.00m，測得第1條到第6條亮條紋中心間的距離為10.5mm，則雙縫之間的距離為________mm. 答案　＞　0.300 解析　雙縫干涉條紋間距Δx＝λ，紅光波長長，所以紅光的雙縫干涉條紋間距較大，即Δx1＞Δx2.相鄰亮條紋間距Δx＝＝2.1 mm＝2.1×10－3 m，

10、根據(jù)Δx＝λ可得d＝＝0.300 mm. 2.(實驗原理與操作)(多選)利用如圖5所示裝置研究雙縫干涉現(xiàn)象并測量光的波長時，有下面幾種說法，其中正確的是(　　) 圖5 A.實驗裝置中的①②③元件分別為濾光片、單縫、雙縫 B.將濾光片由紫色的換成紅色的，干涉條紋間距變寬 C.將單縫向雙縫移動一小段距離后，干涉條紋間距變寬 D.測量過程中，把5個條紋間距數(shù)成6個，導(dǎo)致波長測量值偏小 E.去掉濾光片后，干涉現(xiàn)象消失 答案　ABD 解析　實驗裝置中的①②③元件分別為濾光片、單縫、雙縫，故A正確；將濾光片由紫色的換成紅色的，波長變長，根據(jù)干涉條紋間距公式Δx＝λ知條紋間距變寬，

11、故B正確；將單縫向雙縫移動一小段距離后，條紋間距不變，故C錯誤.把5個條紋間距數(shù)成6個，則Δx偏小，根據(jù)Δx＝λ，可知波長的測量值偏小，故D正確；去掉濾光片，將出現(xiàn)彩色的干涉條紋，故E錯誤. 3.(實驗數(shù)據(jù)處理)在“用雙縫干涉測量光的波長”的實驗中，裝置如圖6所示.雙縫間的距離d＝3mm. 圖6 若測定紅光的波長，選用紅色的濾光片，實驗中測得雙縫與屏之間的距離為0.70m，通過測量頭(與螺旋測微器原理相似，手輪轉(zhuǎn)動一周，分劃板前進(jìn)或后退0.500mm)觀察第1條亮條紋的位置如圖7甲所示，其讀數(shù)為________mm；觀察第5條亮條紋的位置如圖乙所示，其讀數(shù)為______mm.則可求出

12、紅光的波長λ＝________m. 圖7 答案　0　0.640　6.86×10－7 解析　由測量頭的數(shù)據(jù)可知a1＝0，a2＝0.640mm， 所以Δx＝＝mm＝1.60×10－4m， λ＝＝m≈6.86×10－7m. 1.(2018·廈門外國語學(xué)校高二第二學(xué)期期中)某同學(xué)用單色光進(jìn)行雙縫干涉實驗，在屏上觀察到如圖1甲所示的條紋，僅改變一個實驗條件后，觀察到的條紋如圖乙所示.他改變的實驗條件可能是(　　) 圖1 A.減小光源到單縫的距離 B.減小雙縫之間的距離 C.減小雙縫到光屏之間的距離 D.換用頻率更高的單色光源 答案　B 解析　改變條件后亮條紋之間的間

13、距變大，由公式Δx＝λ可知，要使Δx增大，可增大雙縫到光屏之間的距離l，C錯；減小雙縫之間的距離d，B對；換用波長更長，即頻率更低的單色光源，D錯；改變光源到單縫的距離不會改變Δx，A錯. 2.(多選)在“用雙縫干涉測量光的波長”實驗中，若用單色光照射后觀察毛玻璃屏上的條紋如圖2所示，則有(　　) 圖2 A.若只適當(dāng)增大單縫的寬度，則條紋間距將減小 B.若只適當(dāng)增大雙縫的間距，則條紋間距將減小 C.若只適當(dāng)增大照射光的頻率，則條紋間距將增大 D.若只適當(dāng)增大雙縫到光屏的間距，則條紋間距將增大 答案　BD 3.(多選)利用圖3中裝置研究雙縫干涉現(xiàn)象時，下面幾種說法正確的是(　

14、　) 圖3 A.將屏移近雙縫，干涉條紋間距變窄 B.將濾光片由藍(lán)色的換成紅色的，干涉條紋間距變寬 C.將單縫向雙縫移動一小段距離后，干涉條紋間距變寬 D.換一個雙縫之間距離較大的雙縫，干涉條紋間距變窄 答案　ABD 解析　由條紋間距公式Δx＝λ可知，A項中l(wèi)減小，Δx變??；B項中λ變大，Δx變大；D項中d變大，Δx變小.故A、B、D正確. 4.(多選)某同學(xué)在做雙縫干涉實驗時，按裝置圖安裝好實驗裝置，在光屏上卻觀察不到干涉圖樣，這可能是由于(　　) A.光束的中央軸線與遮光筒的軸線不一致，相差較大 B.沒有安裝濾光片 C.單縫與雙縫不平行 D.光源發(fā)出的光束太強(qiáng)

15、答案　AC 解析　安裝實驗器材時要注意：光束的中央軸線與遮光筒的軸線要重合，光源與光屏正面相對，濾光片、單縫和雙縫要在同一高度，中心位置在遮光筒軸線上，單縫與雙縫要相互平行，才能使實驗成功.當(dāng)然還要使光源發(fā)出的光束不致太暗.綜上所述，可知選項A、C正確. 5.(多選)英國物理學(xué)家托馬斯·楊巧妙地解決了相干光源問題，第一次在實驗室觀察到了光的干涉現(xiàn)象.圖4為實驗裝置簡圖，M為豎直線狀光源，N和O均為有狹縫的遮光屏，P為像屏.現(xiàn)有四種刻有不同狹縫的遮光屏，實驗時正確的選擇是(　　) 圖4 A.N應(yīng)選用遮光屏1 B.N應(yīng)選用遮光屏3 C.O應(yīng)選用遮光屏2 D.O應(yīng)選用遮光屏4 答案　

16、AC 6.(多選)關(guān)于“用雙縫干涉測量光的波長”實驗，正確的說法是(　　) A.實驗時應(yīng)調(diào)節(jié)各器件共軸，并且單縫和雙縫的縫應(yīng)相互平行 B.觀察到的白光的干涉圖樣是：在視野中可以看到彩色的干涉條紋，中央為一條白亮的零級干涉條紋；彩色條紋的排列，以零級亮條紋為中心左右對稱，在第一級亮條紋中紫色在最外側(cè) C.看到白光的干涉條紋后，在單縫前面放上紅色或綠色濾光片，即可看到紅黑相間或綠黑相間的干涉條紋，且紅條紋的相鄰條紋間距比綠條紋的相鄰條紋間距大 D.測量時應(yīng)使測量頭的分劃板的中心刻線對齊條紋的中心再讀數(shù) 答案　ACD 7.(2018·廈門一中高二下學(xué)期期中)某同學(xué)在做“雙縫干涉測量光的

17、波長”的實驗時，第一次分劃板中心刻線對齊第2條亮紋的中心時(如圖5甲中的A)，游標(biāo)卡尺的示數(shù)如圖乙所示，第二次分劃板中心刻線對齊第6條亮紋的中心時(如圖丙中的B)，游標(biāo)卡尺的示數(shù)如圖丁所示.已知雙縫間距d＝0.5mm，雙縫到屏的距離l＝1m，則： 圖5 (1)圖乙中游標(biāo)卡尺的示數(shù)為________cm. (2)圖丁中游標(biāo)卡尺的示數(shù)為________cm. (3)所測光波的波長為________m(保留兩位有效數(shù)字). 答案　(1)1.250　(2)1.775　(3)6.6×10－7 解析　(1)游標(biāo)卡尺的固定刻度讀數(shù)為1.2cm，游標(biāo)尺上第10個刻度游標(biāo)讀數(shù)為0.05×10

18、mm＝0.50mm＝0.050cm，所以最終讀數(shù)為1.2cm＋0.050cm＝1.250cm. (2)游標(biāo)卡尺的固定刻度讀數(shù)為1.7 cm，游標(biāo)尺上第15個刻度游標(biāo)讀數(shù)為0.05×15 mm＝0.75 mm＝0.075cm，所以最終讀數(shù)為：1.7cm＋0.075cm＝1.775cm. (3)Δx＝≈0.131cm 根據(jù)Δx＝λ得，λ＝6.6×10－7m. 8.如圖6甲是利用雙縫干涉測某單色光波長的實驗裝置，測得雙縫屏到毛玻璃屏的距離l為0.2m、雙縫的距離d為0.4mm，圖乙是通過該儀器的觀測裝置看到的毛玻璃屏上的干涉圖樣，其中1、2、3、4、5…是亮條紋的編號，圖丙、圖丁是利用該儀器

19、測光的波長時觀察到的情景，圖丙是測第1號亮條紋的位置，此時觀測裝置上千分尺的讀數(shù)為________mm，圖丁是測第4號亮條紋的位置，此時觀測裝置上千分尺的讀數(shù)為________mm.根據(jù)上面測出的數(shù)據(jù)可知，相鄰兩條亮條紋間的距離Δx＝________mm，計算波長的數(shù)學(xué)表達(dá)式λ＝________，被測光的波長為________nm. 圖6 答案　0.510　1.485　0.325　　650 解析　題圖丙是測第1號亮條紋的位置，此時千分尺的讀數(shù)為0.5 mm＋0.01×1.0 mm＝0.510mm； 題圖丁是測第4號亮條紋的位置，此時千分尺的讀數(shù)為1mm＋0.01×48.5m

20、m＝1.485mm； 相鄰兩條亮條紋間的距離Δx＝mm＝0.325mm； 根據(jù)雙縫干涉條紋的間距公式Δx＝λ，得λ＝， 代入數(shù)據(jù)得：λ＝m＝6.5×10－7m＝650nm. 9.在“用雙縫干涉測量光的波長”實驗中 (1)某同學(xué)先將光源靠近遮光筒的雙縫端并等高放置，然后在筒的另外一側(cè)觀察，發(fā)現(xiàn)筒的上壁照得很亮，此時他應(yīng)將遮光筒的觀察端向________(填“上”或“下”)調(diào)節(jié). (2)某次測量如圖7所示，則讀數(shù)為________mm. 圖7 (3)幾位同學(xué)實驗時，有的用距離為0.1mm的雙縫，有的用距離為0.2mm的雙縫；同時他們還分別用紅、紫兩種不同顏色的濾光片遮住光源進(jìn)行

21、了觀察，圖8選自他們的觀察記錄，其中正確反映實驗結(jié)果的是________.(已知紅光波長大于紫光的波長) 圖8 答案　(1)上　(2)5.007　(3)BD 解析　(1)發(fā)現(xiàn)筒的上壁照得很亮說明光線向上，即觀察端偏下，所以應(yīng)將觀察端向上調(diào)節(jié)； (2)螺旋測微器的固定刻度為5mm，可動刻度為0.7×0.01mm＝0.007mm，所以最終讀數(shù)為5mm＋0.007mm＝5.007mm； (3)根據(jù)Δx＝可知，當(dāng)紅光分別通過距離為0.1mm和0.2mm的雙縫時，距離越大的條紋間的距離越小，故B正確；同理，當(dāng)紅光和紫光通過相同距離的雙縫時即l、d相同情況下，波長越長的條紋間的距離越大，故D

22、正確. 10.(2018·唐山一中高二第二學(xué)期期中)在用雙縫干涉測量光的波長的實驗中，請按照題目要求回答下列問題： 圖9 (1)如圖9(a)、(b)兩圖都是光的條紋形狀示意圖，其中干涉圖樣是________. (2)將下表中的光學(xué)元件放在圖(c)所示的光具座上組裝成用雙縫干涉測量光的波長的實驗裝置，并用此裝置測量紅光的波長. 元件代號 A B C D E 元件名稱 光屏 雙縫 白光光源 單縫 透紅光的濾光片 將白光光源C放在光具座最左端，依次放置其他光學(xué)元件，由左至右，各學(xué)光元件的排列順序應(yīng)為________.(填寫元件代號) (3)已知該裝置中雙縫間距d＝0.50mm，雙縫到光屏的距離l＝0.50m，在光屏上得到的干涉圖樣如圖(d)所示，分劃板在圖中A位置時游標(biāo)卡尺如圖(e)所示，則其示數(shù)xA＝______mm；在B位置時游標(biāo)卡尺如圖(f)所示，則相鄰兩條紋間距Δx＝________mm. (4)由以上所測數(shù)據(jù)，可以得出形成此干涉圖樣的單色光的波長為________m. (5)若改用頻率較高的單色光照射，得到的干涉條紋間距將________(填“變大”“不變”或“變小”). 答案　(1)(a)　(2)EDBA　(3)111.15　0.60　(4)6.0×10－7　(5)變小 11