高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册第四章 光4 实验：用双缝干涉测量光的波长学案

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册第四章 光4 实验：用双缝干涉测量光的波长学案，共8页。学案主要包含了实验目的，实验器材，实验原理与设计，实验步骤，注意事项，误差分析等内容，欢迎下载使用。

一、实验目的
1.用双缝干涉实验装置测量光的波长。
2.学习测量微小距离的方法。
二、实验器材
光具座、双缝干涉仪（由光源、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、光屏及测量头组成）、学生电源。
三、实验原理与设计
1.测量原理
由公式λ=dlΔx ，分别测量d 、l 和Δx ，可求得光波波长。
2.条纹间距Δx 的测定
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干涉条纹平行，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 个亮纹间的距离a ，可求出相邻两亮纹间的距离Δx=an-1 。
四、实验步骤
1.如图甲所示，在光具座上把各光学元件安装好。从遮光筒上取下双缝，打开电源，调节光源的高度，直到光束能沿遮光筒的轴线射到毛玻璃屏的中心，放上单缝和双缝，使它们的距离为5∼10cm ，并保持缝相互平行。
甲
2.观察光屏上的白光干涉条纹的特点。给光源加上不同的滤光片，看条纹的色彩、间距发生了什么变化，相邻亮条纹（或暗条纹）的间距是否相等。
3.记下双缝间的距离d 和双缝到光屏的距离l 。
4.转动手轮，先使分划板中心刻线对准某条亮条纹中心，如图乙所示，记下此时的读数。继续转动手轮，使分划板中心刻线移过n 条条纹，对齐另一亮条纹中心，再记下此时的读数。转动手轮进行测量时，一次测量中不要反向旋转。
乙
5.把测量结果记录在数据表格中，算出两次读数之差，并求出相邻亮条纹（或暗条纹）的平均间距Δx 。求出光的波长。
五、注意事项
1.单缝、双缝应相互平行，其中心大致位于遮光筒的轴线上，双缝到单缝距离应相等。
2.测双缝到屏的距离l 可用刻度尺测多次取平均值。
3.测条纹间距Δx 时，用测量头测出n 条亮（暗）纹间的距离a ，求出相邻的两条亮（暗）纹间的距离Δx=an-1 。
六、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。
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Δx 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。
互动探究·关键能力
探究点一 实验原理与实验器材
例 如图，在“用双缝干涉测光的波长”实验中，光具座上放置的光学元件依次为：①光源、②、③、④、⑤遮光筒、⑥毛玻璃屏。
（1）②、③、④三个光学元件依次为 （填正确答案的标号）；
A.滤光片、单缝、双缝B.单缝、滤光片、双缝
C.单缝、双缝、滤光片D.滤光片、双缝、单缝
（2）如果实验时将红光滤光片换为绿光滤光片，则相邻亮条纹（暗条纹）间的距离 （填“变大”或“变小”）。
答案：（1）A （2）变小
解析： （1）为获取单色线光源，白色光源后面要有滤光片、单缝、双缝，故A 正确。
（2）根据Δx=Ldλ ，当将红光滤光片换为绿光滤光片时，波长减小，则相邻亮条纹（暗条纹）间的距离变小。
易错提醒
本实验中的器材排序是一个考查的重点，光源、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、屏，在光具座上可从左向右排，也可以从右向左排，但任何两个元件之间的排序不能颠倒，尤其是滤光片和单缝之间，要注意这一点。
迁移应用
1.（多选）某同学在做双缝干涉实验时，安装好实验装置，在光屏上却观察不到干涉图样，这可能是由于( )
A.光束的中央轴线与遮光筒不一致，相差较大
B.滤光片、单缝、双缝的中心在同一高度
C.单缝与双缝不平行
D.光源发出的光太强
答案：1.A ; C
解析：安装实验器材时要注意：光束的中央轴线与遮光筒的轴线要重合，光源与光屏正面相对，滤光片、单缝和双缝要在同一高度，中心位置在遮光筒的轴线上，单缝与双缝要互相平行才能使实验成功。
2.在“用双缝干涉测量光的波长”的实验中，用如图所示装置测量红光的波长：
（1）图中标示的器材“A” 应为 。
（2）下列操作正确的是 。
A.先调节光源高度，观察到光束沿遮光筒的轴线传播后再装上测量头
B.接通电源前把输出电压调到小灯泡额定的电压
C.观察到条纹比较模糊，可以调节拨杆进行调整
D.测量条纹间距时，目镜分划板中心刻度线与亮纹边缘重合
（3）下列图示中条纹间距表示正确的是 。
答案：2.（1）红色滤色片（写滤光片也对）（2）A ; B ; C （3）C
解析： （1）题图中标示的器材“A” 应为红色滤色片。
（2）根据“用双缝干涉测量光的波长”的实验操作步骤可知，安装器材的过程中，先调节光源高度，观察到光束沿遮光筒的轴线传播后再安装单缝、双缝以及装上测量头，故A 正确；若要小灯泡正常发光，则接通电源前把输出电压调到小灯泡的额定电压，故B 正确；观察到条纹比较模糊，可能是单缝与双缝不平行，可以调节拨杆进行调整，故C 正确；测量条纹间距时，目镜分划板中心刻度线与亮纹的中心重合，故D 错误。
（3）干涉条纹的间距为两个相邻的亮条纹（或暗条纹）的中心之间的距离，故图C 是正确的，图A 、B 、D 错误。
探究点二 仪器使用与数据处理
例 如图甲所示是利用双缝干涉测量某单色光波长的实验装置，测得双缝到毛玻璃屏的距离l 为0.2m 、双缝间的距离d 为0.4mm ，图乙是通过该仪器的观测装置看到的毛玻璃屏上的干涉图样，其中1、2、3、4、5…是亮条纹的编号，图丙、图丁是利用该仪器测光的波长时观察到的情景，图丙是测第1号亮条纹的位置，此时观测装置上千分尺的读数为 mm ，图丁是测第4号亮条纹的位置，此时观测装置上千分尺的读数为 mm 。根据上面测出的数据可知，相邻两条亮条纹间的距离Δx=mm ，计算波长的数学表达式λ＝ ，被测光的波长为 nm 。
答案：0.510 ; 1.485 ; 0.325 ; Δx⋅dl ; 650
解析：题图丙是测第1号亮条纹的位置，此时千分尺的读数为0.5mm+0.01×1.0mm=0.510mm
题图丁是测第4号亮条纹的位置，此时千分尺的读数为1mm+0.01×48.5mm=1.485mm
相邻两条亮条纹间的距离
Δx=1.485-0.5103mm=0.325mm
根据双缝干涉条纹的间距公式Δx=ldλ ，得λ=Δx⋅dl
代入数据得
λ=0.325×10-3×0.4×10-30.2m=6.5×10-7m=650nm
关键点拨
本实验中处理数据时有三个关键：一是正确读取测量头的示数；二是明确Δx=an-1 中各个字母的含义，特别注意要与具体的条纹结合起来进行判断；三是注意单位换算和有效数字的保留。
迁移应用
1.用某种单色光做双缝干涉实验时，已知双缝间距离d=0.20mm ，双缝到毛玻璃屏间的距离为L=75.0cm ，如图甲所示，实验时先转动如图乙所示的测量头上的手轮，使与游标卡尺相连的分划线对准如图丙所示的第1条亮条纹，此时游标卡尺的主尺和游标尺的位置如图戊所示，则游标卡尺的读数x1=mm ，然后再转动手轮，使与游标卡尺相连的分划线向右边移动，直到对准第5条亮条纹，如图丁所示，此时卡尺的主尺和游标尺的位置如图己所示，则游标卡尺的读数x2=mm ，由以上已知数据和测量数据，求得该单色光的波长约为 mm( 结果保留两位有效数字）。
答案：1.0.3 ; 9.5 ; 6.1×10-4
解析：由游标卡尺读数规则读出x1=0.3mm ，x2=9.5mm
Δx=x2-x1n-1=2.3mm
λ=Δx⋅dL=2.3×0.20750mm≈6.1×10-4mm
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d=3mm 。
（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0.70m ，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0.500mm) 观察到第1条亮条纹的位置如图a 所示，观察到第5条亮条纹的位置如图b所示。则可求出红光的波长λ=m 。（保留一位有效数字）
答案：2. （1）红; 双缝到屏的距离l ; n 条亮（或暗）纹间距离a （2）7×10-7
解析：（1）测定红光波长选红色滤光片，因为红色滤光片能透过红光。据Δx=ldλ 知，需测双缝到屏的距离l 和n 条亮（或暗）纹间距离a ，从而计算出相邻亮（或暗）条纹间距离Δx ，最后算出红光的波长λ。
（2）由题意知l=0.70m ，d=3mm ，图a 读数为a1=0.000mm ，图b 读数为a5=0.650mm ，则有Δx=a5-a15-1=6.5×10-45-1m=1.625×10-4m ，得课标解读
课标要求
素养要求
1.掌握用双缝干涉测量光的波长的实验原理
2.会用双缝干涉实验测量光的波长。
1.科学探究：通过进行“用双缝干涉测量光的波长”实验，加深对双缝干涉图样的认识和理解。
2.科学态度与责任：认识物理实验和数学工具在物理发展过程中的作用。