2018-2019高中物理 第13章 光 13.4 實(shí)驗(yàn) 用雙縫干涉測量光的波長課件 新人教版選修3-4.ppt

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4實(shí)驗(yàn):用雙縫干涉測量光的波長,【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?.理解雙縫干涉的原理,能安裝和調(diào)試儀器。2.掌握明條紋(或暗條紋)間距的計(jì)算公式及推導(dǎo)過程。3.觀察雙縫干涉圖樣,掌握實(shí)驗(yàn)方法。,,【實(shí)驗(yàn)原理】1.相鄰明紋(或暗紋)間的距離Δx與入射光波長λ之間的定量關(guān)系:,,如圖所示,雙縫間距d,雙縫到屏的距離l。雙縫S1、S2的連線的中垂線與屏的交點(diǎn)為P0。對屏上與P0距離為x的一點(diǎn)P,兩縫與P的距離PS1=r1,PS2=r2。在線段PS2上作PM=PS1,則S2M=r2-r1,因d?l,三角形S1S2M可看作直角三角形。有:r2-r1=dsinθ(令∠S2S1M=θ)①,,因?yàn)閤≈ltanθ≈lsinθ②由①②得r2-r1=若P處為亮紋,則=kλ(k=0,1,2…),解得:x=(k=0,1,2…),相鄰兩亮紋或暗紋的中心間距:,,2.干涉圖樣的獲得:光源發(fā)出的光經(jīng)濾光片成為單色光,單色光通過單縫后相當(dāng)于線光源,經(jīng)雙縫后產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉圖樣,通過屏可以觀察到明暗相間的干涉條紋,如果用白光通過雙縫可以觀察到彩色條紋。,,3.光的波長的測定:若雙縫到屏的距離用l表示,雙縫間的距離用d表示,相鄰兩條亮紋間的距離用Δx表示,則入射光的波長為實(shí)驗(yàn)中d是已知的,測出l、Δx即可測出光的波長λ。,,4.測量Δx的方法:測量頭由分劃板、目鏡、手輪等構(gòu)成,如圖甲所示,測量時(shí)先轉(zhuǎn)動(dòng)測量頭,讓分劃板中心刻線與干涉條紋平行,然后轉(zhuǎn)動(dòng)手輪,使分劃板向左(或向右)移動(dòng)至分劃板的中心刻線與條紋的中心對齊,記下此時(shí)讀數(shù),再轉(zhuǎn)動(dòng)手輪,用同樣的方法測出n個(gè)亮紋間的距離a,則可求出相鄰兩亮紋間的距離,,,【實(shí)驗(yàn)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。,,【實(shí)驗(yàn)過程】一、實(shí)驗(yàn)步驟1.按照如圖所示的裝置安裝好儀器,調(diào)整光源的位置,使光源發(fā)出的光能平行地進(jìn)入遮光筒并照亮光屏。(也可直接用雙縫干涉儀),,2.放置單縫和雙縫,使縫相互平行,調(diào)整各部件的間距,觀察白光的雙縫干涉圖樣。,,3.在光源和單縫間放置濾光片,使單一顏色的光通過后觀察單色光的雙縫干涉圖樣。4.用米尺測出雙縫到屏幕的距離l。5.安裝測量頭,調(diào)節(jié)至可清晰觀察到干涉條紋。,,6.調(diào)節(jié)測量頭,使分劃板中心刻度線對齊第1條亮條紋的中心,記下手輪上的刻度數(shù)a1,轉(zhuǎn)動(dòng)手輪,使分劃板向一側(cè)移動(dòng),當(dāng)分劃板中心刻度線與第n條相鄰的明條紋中心對齊時(shí),記下手輪上的刻度數(shù)a2,則相鄰兩條紋間的距離7.換用不同顏色的濾光片,觀察干涉圖樣的異同,并求出相應(yīng)的波長。,,二、數(shù)據(jù)處理用刻度尺測量出雙縫到光屏間的距離l,根據(jù)已知的d,由公式計(jì)算波長。重復(fù)測量、計(jì)算,求出波長的平均值。,,【實(shí)驗(yàn)探究】1.根據(jù)改變什么條件可以增大相鄰亮條紋的距離以便于測量?在你的實(shí)驗(yàn)器材中,哪些條件容易改變,哪些難以改變?提示:據(jù)知,要增大相鄰亮紋間的距離Δx,可以通過(1)減小雙縫間距離d,(2)增大雙縫到屏的距離l,(3)增大光的波長。(1)(3)容易改變,(2)難以改變。,,2.白光是復(fù)色光,是由紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種單色光復(fù)合而成的,從紅到紫七種單色光的波長越來越短。(1)在實(shí)驗(yàn)中,若用白光作光源,得到的干涉圖樣有什么特點(diǎn)?(2)中央亮紋為什么是白色?(3)其他亮紋中為什么紅色在最外側(cè),紫色在最內(nèi)側(cè)?,,提示:(1)若用白光作光源,則干涉條紋是彩色條紋,且中央亮紋是白色的。(2)從雙縫射出的兩列光波中,各種色光都能形成明暗相間的條紋,各種色光都在中央條紋處形成亮條紋,從而復(fù)合成白色條紋。(3)兩側(cè)條紋間距與各色光的波長成正比,即紅色光的亮條紋間的寬度最大,紅色在亮紋的最外側(cè),紫色光的亮條紋間的寬度最小,紫色在亮紋的最內(nèi)側(cè),即除中央條紋以外的其他條紋不能完全重合,這樣就形成了彩色干涉條紋。,,3.在用雙縫干涉測量光的波長的實(shí)驗(yàn)中,如何測量相鄰條紋之間的間距Δx?提示:相鄰兩條紋間距Δx是兩條紋中心間的距離,這個(gè)距離比較小,如果直接測量則誤差太大,可以先測出n個(gè)條紋間的距離a,然后取平均值求出Δx,即Δx=,則有利于減小測量誤差。,,類型1實(shí)驗(yàn)器材的安裝與使用【典例1】(多選)某同學(xué)在做“雙縫干涉實(shí)驗(yàn)”時(shí),按裝置圖安裝好實(shí)驗(yàn)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),,【解析】選A、C。安裝實(shí)驗(yàn)器件時(shí)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(shí)驗(yàn)成功。當(dāng)然還要使光源發(fā)出的光束不致太暗。據(jù)以上分析,可知選項(xiàng)A、C正確。,,類型2數(shù)據(jù)處理【典例2】(2018溫州高二檢測)在“用雙縫干涉測量光的波長”實(shí)驗(yàn)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(shí)測量頭的讀數(shù)為25.70mm。沿同一方向繼續(xù)移動(dòng)測量頭使分劃板刻線與第k+5級暗條紋中心對齊,此時(shí)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。,,,【解析】換上紫光濾光片后,由干涉條紋間距可知,其他條件不變情況下,間距變密,分劃板刻線應(yīng)該在正中央,所以為D。根據(jù)游標(biāo)卡尺讀數(shù)為19.40mm。平均條紋間隔Δx=mm=1.26mm,所以紫光的波長為λ=m=4.210-7m=420nm。答案:D19.40420,,類型3創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)【典例3】在觀察光的干涉現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)中,將兩片刀片合在一起,在涂有墨汁的玻璃片上劃出不同間隙的雙縫;按如圖所示的方法,讓激光束通過自制的雙縫。,,(1)保持縫到光屏的距離不變,換用不同間隙的雙縫,雙縫的間隙越小,屏上明暗相間的條紋間距(選填“越大”或“越小”)。(2)保持雙縫的間隙不變,光屏到縫的距離越大,屏上明暗相間的條紋間距(選填“越大”或“越小”)。,,(3)在狹縫間的距離和狹縫與屏的距離都不變的條件下,用不同顏色的光做實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)用藍(lán)色光做實(shí)驗(yàn)在屏上明暗相間的條紋間距比用紅色光做實(shí)驗(yàn)時(shí)(選填“大”或“小”)。(4)實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察到光屏上呈現(xiàn)明暗相間的條紋,試運(yùn)用波動(dòng)理論對明紋的形成予以解釋。答:。,【解析】(1)根據(jù)知,d越小,Δx越大;(2)l越大,Δx越大;(3)紅色光的波長長,藍(lán)色光的波長短,根據(jù)知,用藍(lán)色光照射條紋間距比用紅色光小;(4)同一色光透過雙縫的光形成相干光源,在光屏相遇,有的區(qū)域光振動(dòng)加強(qiáng),有的區(qū)域光振動(dòng)減弱,光振動(dòng)加強(qiáng)區(qū)域呈現(xiàn)明紋。答案:(1)越大(2)越大(3)小(4)見解析,