（浙江專用）2018-2019學(xué)年高中物理 第十三章 光 第3課時 光的干涉 實驗：用雙縫干涉測量光的波長學(xué)案 新人教版選修3-4

《（浙江專用）2018-2019學(xué)年高中物理 第十三章 光 第3課時 光的干涉 實驗：用雙縫干涉測量光的波長學(xué)案 新人教版選修3-4》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《（浙江專用）2018-2019學(xué)年高中物理 第十三章 光 第3課時 光的干涉 實驗：用雙縫干涉測量光的波長學(xué)案 新人教版選修3-4（13頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、第3課時　光的干涉 實驗：用雙縫干涉測量光的波長 [研究選考·把握考情] 知識內(nèi)容 光的干涉 實驗：用雙縫干涉測量光的波長 考試要求 加試c 教學(xué)要求 1.知道楊氏雙縫干涉實驗，以及它對認(rèn)識光的本性的意義 2.知道光的干涉條件，知道楊氏雙縫干涉實驗設(shè)計的巧妙之處 3.了解干涉條件的特點 4.理解明、暗條紋產(chǎn)生的條件 5.了解實驗裝置，知道實驗原理及需要測量的物理量 6.知道測量頭的使用方法，會測量明條紋的間距 7.知道濾光片和遮光筒的作用，理解實驗中為了滿足干涉條件所采用的方法 8.知道獲得理想干涉條紋的實驗操作要求 9.會用控制變量的方法，分別研究光的顏色、雙

2、縫距離和雙縫與屏之間距離等與條紋間距的關(guān)系 10.會設(shè)計實驗數(shù)據(jù)記錄表并記錄數(shù)據(jù) 11.會根據(jù)給出的波長表達式計算不同顏色光的波長 12.會用光傳感器做雙縫干涉實驗 13.經(jīng)歷實驗過程，體會條紋間距測量時的實驗方法 說明 1.不要求定量計算以雙縫干涉為背景的問題 2.不要求推導(dǎo)相鄰兩個明條紋或暗條紋中心間的計算公式 知識點一　楊氏干涉實驗 [基 礎(chǔ) 梳 理] 1.1801年，英國物理學(xué)家托馬斯·楊成功地觀察到了光的干涉現(xiàn)象。 2.雙縫干涉的裝置示意圖 圖1 實驗裝置如圖1所示，有光源、單縫、雙縫和光屏。 (1)單縫的作用：獲得一個線光源，使光源有唯一的頻率

3、和振動情況。也可用激光直接照射雙縫。 (2)雙縫的作用：一束光被分成兩束頻率相同和振動情況完全一致的相干光。 3.讓一束單色光投射到一個有兩條狹縫S1和S2的擋板上，狹縫S1和S2相距很近，狹縫就成了兩個波源，它們的頻率、相位和振動方向總是相同的。這兩個波源發(fā)出的光在擋板后面的空間互相疊加，發(fā)生干涉現(xiàn)象，擋板后面的屏上得到明暗相間的條紋。這種現(xiàn)象證明光是一種波。 [要 點 精 講] 1.產(chǎn)生干涉的條件：兩列光的頻率相同、相位相同、振動方向相同。本實驗中是靠“一分為二”的方法獲得兩個相干光源的。 2.干涉圖樣 (1)若用單色光作光源，則干涉條紋是等間距的明暗相間的條紋。 (2)若用

4、白光作光源，則干涉條紋是彩色條紋，且中間條紋是亮的。 3.實驗結(jié)論：證明光是一種波。 【例1】 在雙縫干涉實驗中，以白光為光源，在屏幕上觀察到了彩色干涉條紋，若在雙縫中的一縫前放一紅色濾光片(只能透過紅光)，另一縫前放一綠色濾光片(只能透過綠光)，已知紅光與綠光頻率、波長均不相等，這時(　　) A.只有紅色和綠色的雙縫干涉條紋，其他顏色的雙縫干涉條紋消失 B.紅色和綠色的雙縫干涉條紋消失，其他顏色的干涉條紋依然存在 C.任何顏色的雙縫干涉條紋都不存在，但屏上仍有光亮 D.屏上無任何光亮 解析　分別用綠色濾光片和紅色濾光片擋住兩條縫后，紅光和綠光頻率不等，不能發(fā)生干涉，因此屏上不會

5、出現(xiàn)干涉條紋，但仍有光亮。 答案　C 知識點二　出現(xiàn)明暗條紋的條件 [基 礎(chǔ) 梳 理] 當(dāng)兩個光源與屏上某點的距離之差等于半波長的偶數(shù)倍時(即恰好等于波長的整數(shù)倍時)，兩列光在這點相互加強，這里出現(xiàn)亮條紋；當(dāng)兩個光源與屏上某點的距離之差等于半波長的奇數(shù)倍時，兩列光在這點相互削弱，這里出現(xiàn)暗條紋。 [要 點 精 講] 1.屏上某處出現(xiàn)亮、暗條紋的條件 實驗裝置如圖2所示，雙縫S1、S2之間的距離為d，雙縫到屏的距離為l，屏上的一點P到雙縫的距離分別為r1和r2，路程差Δr＝r2－r1。 圖2 (1)若滿足路程差為波長的整數(shù)倍，即Δr＝kλ(其中k＝0，1，2，3，…)，則出

6、現(xiàn)亮條紋。 (2)若滿足路程差為半波長的奇數(shù)倍，即Δr＝(2k＋1)(其中k＝0，1，2，3，…)，則出現(xiàn)暗條紋。 2.相鄰亮條紋(暗條紋)間的距離Δx與波長λ的關(guān)系： Δx＝λ，其中l(wèi)為雙縫到屏的距離，d為雙縫之間的距離。 【例2】 如圖3所示為雙縫干涉實驗裝置。當(dāng)使用波長為6×10－7 m的橙色光做實驗時，光屏上的P點及其上方的P1點形成兩條相鄰的明紋。若使用波長為4×10－7 m的紫光重復(fù)上述實驗，在P點和P1點形成的明、暗紋情況是(　　) 圖3 A.P和P1都是明紋 B.P是明紋，P1是暗紋 C.P是暗紋，P1是明紋 D.P和P1都是暗紋 解析　根據(jù)形成

7、明、暗條紋的條件可知：無論換用哪種波長的色光、波程差，Δr＝PS1－PS2＝0，故P點總是明紋。橙色光在P1點形成第一級明紋，有Δr＝P1S2－P1S1＝nλ＝1×6×10－7 m＝6×10－7 m，這對紫光來說：P1S2－P1S1＝1.5λ紫，故P1為暗紋。 答案　B 知識點三　實驗：用雙縫干涉測量光的波長 [要 點 精 講] 操作指要 1.雙縫干涉儀是比較精密的實驗儀器，不要隨便拆分遮光筒、測量頭等元件。 2.濾光片、單縫、雙縫、目鏡等會粘附灰塵，只能用擦鏡紙輕輕擦拭，不要用其他物品擦拭或口吹氣除塵。 3.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

8、單縫、雙縫平行且豎直。 4.光源使用線狀長絲燈泡，調(diào)節(jié)時使之與單縫平行且靠近。 測量頭原理 1.測量頭由分劃板、目鏡、手輪構(gòu)成，轉(zhuǎn)動手輪，分劃板會左右移動，測量時，應(yīng)使分劃板中心與條紋中心對齊，記下此時手輪上的讀數(shù)，然后轉(zhuǎn)動測量頭，使分劃板中心與另一條紋中心對齊，再次記下手輪上讀數(shù)。兩次讀數(shù)之差表示這兩個條紋間距離。(如圖4甲、乙所示) 圖4 2.為減小誤差，利用“累積法”測n條亮紋間距，再求Δx＝求得相鄰條紋間距離。 3.注意測量頭讀數(shù)時的有效數(shù)字。 【例3】 在“用雙縫干涉測量光的波長”的實驗中，裝置如圖5所示。雙縫間的距離d＝3 mm。 圖5 (1)若測量紅光的

9、波長，應(yīng)選用__________色的濾光片。實驗時需要測定的物理量有__________和__________。 (2)若測得雙縫與屏之間的距離為0.70 m，通過測量頭(與螺旋測微器原理相似，手輪轉(zhuǎn)動一周，分劃板前進或后退0.500 mm)觀察第1條亮條紋的位置如圖6甲所示，觀察第5條亮條紋的位置如圖乙所示。則可求出紅光的波長λ＝__________ m。 圖6 解析　(1)要測量紅光的波長，應(yīng)用紅色濾光片。由Δx＝λ可知要想測λ必須測定雙縫到屏的距離l和條紋間距Δx。 (2)由測量頭的數(shù)據(jù)可知a1＝0，a2＝0.640 mm， 所以Δx＝＝ mm＝1.60×10－4 m，

10、λ＝＝ m≈6.86×10－7 m。 答案　見解析 1.關(guān)于楊氏雙縫干涉實驗，下列說法正確的是(　　) A.用白光作為光源，屏上將呈現(xiàn)黑白相間的條紋 B.用紅光作為光源，屏上將呈現(xiàn)紅黑相間的條紋 C.若僅將入射光由紅光改為紫光，則條紋間距一定變大 D.用紅光照射一條狹縫，用紫光照射另一條狹縫，屏上將呈現(xiàn)彩色條紋 解析　用白光做楊氏雙縫干涉實驗，屏上將呈現(xiàn)彩色條紋，A錯誤；用紅光作為光源，屏上將呈現(xiàn)紅色亮條紋與暗條紋(即黑條紋)相間，B正確；λ變小，Δx變小，C錯誤；紅光和紫光頻率不同，不能產(chǎn)生干涉條紋，D錯誤。 答案　B 2.在雙縫干涉實驗中，雙縫到光屏上P點的距離之差為0.

11、6 μm，若分別用頻率為f1＝5.0×1014 Hz和f2＝7.5×1014 Hz的單色光垂直照射雙縫，則P點現(xiàn)出明、暗條紋的情況是(　　) A.用單色光f1和f2分別照射時，均出現(xiàn)明條紋 B.用單色光f1和f2分別照射時，均出現(xiàn)暗條紋 C.用單色光f1照射時出現(xiàn)明條紋，單色光f2照射時出現(xiàn)暗條紋 D.用單色光f1照射時出現(xiàn)暗條紋，單色光f2照射時出現(xiàn)明條紋 解析　單色光f1的波長： λ1＝＝ m＝0.6×10－6 m＝0.6 μm。 單色光f2的波長： λ2＝＝ m＝0.4×10－6 m＝0.4 μm。 因P點到雙縫的距離之差 Δx＝0.6 μm＝λ1， 所以用單色光f

12、1照射時P點出現(xiàn)亮條紋。 Δx＝0.6 μm＝λ2， 所以用單色光f2照射時P點出現(xiàn)暗條紋，故選項C正確。 答案　C 3.礦井中的瓦斯對人危害極大，某同學(xué)查資料得知含有瓦斯的氣體的折射率大于干凈空氣的折射率，于是他根據(jù)雙縫干涉的原理設(shè)計了一個監(jiān)測儀，在雙縫前面放置兩個完全相同的透明容器A、B，其中A與干凈空氣相通，B與礦井中的氣體相通，觀察屏上的干涉條紋，如果屏的正中央變?yōu)榘导y，說明B中氣體(　　) 圖7 A.一定含瓦斯 B.一定不含瓦斯 C.不一定含瓦斯 D.無法判定 解析　如果屏的正中央變?yōu)榘导y，說明從雙縫到屏的路程差發(fā)生了變化，所以B中氣體一定含瓦斯。

13、 答案　A 4.用雙縫干涉測光的波長，實驗中采用雙縫干涉儀，它包括以下元件： A.白熾燈 B.單縫片 C.光屏 D.雙縫 E.濾光片(其中雙縫和光屏連在遮光筒上) 圖8 (1)把以上元件安裝在光具座上時，正確的排列順序是：A____________(A已寫好)。 (2)本實驗的實驗步驟有： ①取下遮光筒左側(cè)的元件，調(diào)節(jié)光源高度，使光束能直接沿遮光筒軸線把屏照亮； ②按合理順序在光具座上放置各光學(xué)元件，并使各元件的中心位于遮光筒的軸線上； ③用米尺測量雙縫到屏的距離； ④用測量頭(其讀數(shù)方法同螺旋測微器)測量數(shù)條亮紋間的距離。 在操作步驟②時還應(yīng)注意___

14、_____和________。 (3)正確調(diào)節(jié)后，在屏上觀察到紅光干涉條紋，用測量頭測出10條紅亮紋間的距離為a；改用綠色濾光片，其他條件不變，用測量頭測出10條綠亮紋間的距離為b，則一定有________大于________。 解析　(1)雙縫干涉儀各組成部分在光具座上的正確排序為光源、濾光片、單縫、雙縫、屏。 (2)單縫與雙縫的間距為5 cm～10 cm，使單縫與雙縫相互平行。保證光源、濾光片、單縫、雙縫和光屏的中心在遮光筒軸線上。 (3)由Δx＝λ知，波長越長，條紋越寬，間距越大，可得出a一定大于b。 答案　(1)EBDC　(2)單縫與雙縫的間距為5 cm～10 cm　使單縫與

15、雙縫相互平行　(3)a　 b 選擇題(在每小題給出的四個備選項中至少有一個是符合題目要求的。) 1.用兩個紅燈泡照射白墻，在墻上看到的是(　　) A.明暗相間的條紋 B.彩色條紋 C.一片紅光 D.晃動的條紋 解析　兩燈泡不是相干光源，故現(xiàn)象為C。 答案　C 2.下列關(guān)于雙縫干涉實驗的說法中，正確的是(　　) A.單縫的作用是獲得頻率保持不變的相干光源 B.雙縫的作用是獲得兩個振動情況相同的相干光源 C.光屏上相距兩縫的路程差等于半波長的整數(shù)倍處出現(xiàn)暗條紋 D.照射單縫的單色光的頻率越高，光屏上出現(xiàn)的條紋寬度越寬 解析　單縫的作用是產(chǎn)生一個線光源，兩個頻

16、率相同的光源稱為相干光源，選項A錯誤；雙縫的作用是產(chǎn)生兩個頻率相同、振動情況相同的相干光源，選項B正確；路程差等于半波長奇數(shù)倍處出現(xiàn)暗條紋，選項C錯誤；頻率越高，波長越短，條紋寬度越窄，選項D錯誤。 答案　B 3.用a、b兩種單色光分別照射同一雙縫干涉裝置，在距雙縫恒定距離的屏上得到如圖1所示的干涉圖樣，其中圖甲是a光照射形成的，圖乙是b光照射形成的，則關(guān)于a、b兩束單色光，下列說法中正確的是(　　) 圖1 A.a光的頻率比b光的大 B.在水中a光傳播的速度比b光的大 C.水對a光的折射率比b光的大 D.b光的波長比a光的短 解析　從題圖可以看出，a光的條紋間距小，說明a光

17、的波長小，頻率大，選項D錯誤，A正確；水對頻率低的單色光的折射率小，即水對b光的折射率小，選項C正確；折射率小的光在水中的傳播速度大，即b光在水中的傳播速度大，選項B錯誤。 答案　AC 4.一束白光通過雙縫后在屏上觀察到干涉條紋，除中央白色條紋外，兩側(cè)還有彩色條紋，其原因是(　　) A.各色光的波長不同，因而各色光分別產(chǎn)生的干涉條紋間距不同 B.各色光的速度不同，造成條紋的間距不同 C.各色光的強度不同，造成條紋的間距不同 D.各色光通過雙縫到達一確定點的距離不同 解析　各色光的頻率不同，波長不同，在屏上得到的干涉條紋的寬度不同，各種顏色的條紋相間得到彩色條紋。 答案　A 5

18、.如圖2所示，在用單色光做雙縫干涉實驗中，屏中央(到兩縫距離相等處)是亮條紋，稱為第零級亮條紋，緊靠中央亮紋的暗紋稱為第一級暗紋，那么(　　) 圖2 A.第三級暗紋到兩縫距離差為波長的1.5倍 B.第三級亮紋到兩縫距離差為波長的1.5倍 C.第三級亮紋到兩縫距離之差為波長的2倍 D.第三級亮紋到兩縫距離差為波長的3倍 解析　產(chǎn)生亮紋的條件為Δr＝r2－r1＝kλ(k＝0，1，2，3，…) ，第三級亮紋：k＝3，則Δr＝3λ，故D項正確，B、C兩項錯誤；產(chǎn)生暗紋的條件為Δr＝r2－r1＝(2k－1)×λ(k＝1，2，3，…)，第三級暗紋：k＝3，則Δr＝(2×3－1)×λ＝λ＝2

19、.5 λ，故A項錯誤。 答案　D 6.用綠光做雙縫干涉實驗，在光屏上呈現(xiàn)出綠、暗相間的條紋，相鄰兩條綠條紋間的距離為Δx。下列說法中正確的有(　　) A.如果增大單縫到雙縫間的距離，Δx將增大 B.如果增大雙縫之間的距離，Δx將增大 C.如果增大雙縫到光屏之間的距離，Δx將增大 D.如果換成紅光做實驗，實驗裝置不變，Δx將增大 解析　根據(jù)公式Δx＝λ可以判斷出λ越大則條紋間距越大，而紅光的波長大于綠光的波長，因此D正確；d增大則Δx減小，因此B錯誤；l增大則Δx增大，因此C正確；而單縫到雙縫的距離不影響條紋間距，因此A錯誤。 答案　CD 7.如圖3所示，在雙縫干涉實驗中，若單

20、縫S從雙縫S1、S2的中央對稱軸位置處稍微向上移動，則(　　) 圖3 A.不再產(chǎn)生干涉條紋 B.仍可產(chǎn)生干涉條紋，其中央亮條紋P的位置不變 C.仍可產(chǎn)生干涉條紋，其中央亮條紋P的位置略向上移 D.仍可產(chǎn)生干涉條紋，其中央亮條紋P的位置略向下移 解析　本實驗中單縫S的作用是形成頻率一定的線光源，雙縫S1、S2的作用是形成相干光源，稍微移動S后，沒有改變傳到雙縫的光的頻率，因此S1、S2射出的仍是相干光，則單縫S發(fā)出的光到達屏上P點下方某點的光程差為零，故中央亮紋下移。 答案　D 8.雙縫干涉實驗裝置如圖4所示，綠光通過單縫S后，投射到有雙縫的擋板上，雙縫S1和S2與單縫S的距

21、離相等，光通過雙縫后在與雙縫平行的屏上形成干涉條紋。屏上O點距雙縫S1和S2的距離相等，P點是距O點的第一條亮條紋，如果將入射的單色光換成紅光或藍光，已知紅光波長大于綠光波長，綠光波長大于藍光波長，則下列說法正確的是(　　) 圖4 A.O點是紅光的亮條紋 B.紅光的第一條亮條紋在P點的上方 C.O點不是藍光的亮條紋 D.藍光的第一條亮條紋在P點的上方 解析　由于O點到雙縫的光程差為零，所以為各種色光的亮條紋，A正確；P點由于是綠光的第一條亮條紋，紅光的波長大于綠光的波長，紅光的條紋間距大于綠光的條紋間距，因此B正確；同理可知，C、D錯誤。 答案　AB 9.某同學(xué)用單色光進行

22、雙縫干涉實驗，在屏上觀察到如圖5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5 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 解析　改變條件后亮條紋之間的間距變大，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錯誤；減小雙縫之間的距離d，B正確；換用波長更長，即頻率更低的單色光，D錯誤；改變光源到單縫的距離不會改變Δx，A錯誤。 答案　B 10.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(　　)

23、 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 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。 答案　AC 11.某次實驗中，測得第一級明條紋和第三級明條紋相距4.0×10－3 m，若雙縫片間距為0.1 mm，縫到屏的距離為l＝0.4 m，則光波的波長為(　　) A.8.0×10－8 m B.5.0×10－7 m

24、C.1.5×10－8 m D..1.0×10－7 m 解析　由公式Δx＝λ有λ＝，Δx＝＝2×10－3 m，l＝0.4 m， d＝0.1 mm＝10－4 m，得λ＝5.0×10－7 m。 答案　B 12.在“用雙縫干涉測光的波長”的實驗中，請按照題目要求回答下列問題。 ①甲、乙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)元件放在圖丙所示的光具座上組裝成用雙縫干涉測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

25、左端，依次放置其他光學(xué)元件，由左至右，表格中光學(xué)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＝0.50 mm，雙縫到光屏的距離L＝0.50 m，在光屏上得到的干涉圖樣如圖丁所示，分劃板在圖中A位置時游標(biāo)卡尺如圖戊所示，則其示數(shù)為________ mm；在B位置時游標(biāo)卡尺如圖己所示。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。 圖6 解析?、俑缮鏃l紋是相互平行、寬度相同的明暗相間的條紋。 ②略。 ③由戊、己兩圖可以看出，A、B兩條紋之間的距離為xAB＝115.75 mm－111.10 mm＝4.65 mm。從丁圖可以看出A、B間的距離等于7個條紋寬度，故Δx＝，再由Δx＝λ可得此單色光的波長。 答案　①甲?、贑EDBA?、?11.10　6.6×10－7 13