2019版高考物理一輪復(fù)習(xí) 實(shí)驗(yàn)增分 專題16 用雙縫干涉測(cè)量光的波長學(xué)案

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1、 實(shí)驗(yàn)十六　用雙縫干涉測(cè)量光的波長 考綱要求 考情分析 命題趨勢(shì) 用雙縫干涉測(cè)量光的波長 2016·江蘇卷，12B(2) 高考主要側(cè)重考查以下三個(gè)方面：1.實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性考查；2.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄和分析；3.實(shí)驗(yàn)誤差分析 知識(shí)梳理·夯實(shí)基礎(chǔ) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1．理解雙縫干涉的原理，能安裝和調(diào)試儀器． 2．觀察入射光分別為白光和單色光時(shí)雙縫干涉的圖樣． 3．掌握利用公式Δx＝λ測(cè)波長的方法． 二、實(shí)驗(yàn)原理 單色光通過單縫后，經(jīng)雙縫產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉圖樣，圖樣中相鄰兩條亮(暗)條紋間的距離Δx與雙縫間的距離d、雙縫到屏的距離l、單色光的波長λ之間滿足λ＝d． 三、實(shí)

2、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(cè)量頭，另外還有學(xué)生電源、導(dǎo)線、刻度尺． 附：測(cè)量頭的構(gòu)造及使用． 如圖甲所示，測(cè)量頭由分劃板、目鏡、手輪等構(gòu)成，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，分劃板會(huì)向左右移動(dòng)，測(cè)量時(shí)，應(yīng)使分劃板的中心刻度對(duì)齊條紋的中心，如圖乙，記下此時(shí)手輪上的讀數(shù)．然后轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量頭，使分劃板中心刻線與另一條紋的中心對(duì)齊，再次記下手輪上的刻度．兩次讀數(shù)之差就表示這兩個(gè)亮條紋間的距離． 實(shí)際測(cè)量時(shí)，要測(cè)出n條亮條紋(暗條紋)的間距，設(shè)為a，那么Δx＝． 四、實(shí)驗(yàn)步驟 1．安裝儀器 (1)將光源、濾光片、單縫、雙縫、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上，如圖

3、所示． (2)接好光源，打開開關(guān)，使白熾燈正常發(fā)光．調(diào)節(jié)各部件的高度，使光源燈絲發(fā)出的光能沿軸線到達(dá)光屏． (3)安裝單縫和雙縫，中心位于遮光筒的軸線上，使雙縫和單縫的縫平行． 2．觀察與記錄 (1)調(diào)整單縫與雙縫間距為幾厘米時(shí)，觀察白光的干涉條紋． (2)在單縫和光源間放上濾光片，觀察單色光的干涉條紋． (3)調(diào)節(jié)測(cè)量頭，使分劃板中心刻度線對(duì)齊第1條亮條紋的中心，記下手輪上的讀數(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條相鄰的亮條紋中心對(duì)齊時(shí)，記下手輪上的刻度數(shù)a2，則相鄰兩條紋間的距離Δx＝.　 (4)換用不同的濾光片，測(cè)量其他色光的波長． 3．?dāng)?shù)據(jù)

4、處理 用刻度尺測(cè)量出雙縫到光屏間的距離l，由公式λ＝Δx計(jì)算波長．重復(fù)測(cè)量、計(jì)算，求出波長的平均值． 五、誤差分析 測(cè)定單色光的波長，其誤差主要由測(cè)量引起，條紋間距Δx測(cè)量不準(zhǔn)，或雙縫到屏的距離測(cè)不準(zhǔn)都會(huì)引起誤差，但都屬于偶然誤差，可采用多次測(cè)量取平均值的方法來減小誤差． 六、注意事項(xiàng) 1．調(diào)節(jié)雙縫干涉儀時(shí)，要注意調(diào)整光源的高度，使它發(fā)出的一束光能夠沿著遮光筒的軸線把屏照亮． 2．放置單縫和雙縫時(shí)，縫要相互平行，中心大致位于遮光筒的軸線上． 3．調(diào)節(jié)測(cè)量頭時(shí)，應(yīng)使分劃板中心刻線和條紋的中心對(duì)齊，記清此時(shí)手輪上的讀數(shù)，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使分劃板中心刻線和另一條紋的中心對(duì)齊，記下此時(shí)手輪上的

5、讀數(shù)，兩次讀數(shù)之差就表示這兩條紋間的距離． 4．不要直接測(cè)Δx，要測(cè)多個(gè)亮條紋的間距再計(jì)算得Δx，這樣可以減小誤差． 5．白光的干涉觀察到的是彩色條紋，其中白色在中央，紅色在最外層． 核心考點(diǎn)·分層突破 考點(diǎn)1　實(shí)驗(yàn)原理和操作 [例1]現(xiàn)有毛玻璃屏A、雙縫B、白光光源C，單縫D和透紅光的濾光片E等光學(xué)元件，要把它們放在如圖所示的光具座上組裝成雙縫干涉裝置，用以測(cè)量紅光的波長． (1)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，表示各光學(xué)元件的字母排列順序應(yīng)為C、__E__、__D__、__B__、A． (2)本實(shí)驗(yàn)的步驟有 ①取下遮光筒左側(cè)的元件，調(diào)節(jié)光源

6、高度，使光束能沿遮光筒的軸線把屏照亮； ②按合理的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用刻度尺測(cè)量雙縫到屏的距離； ④用測(cè)量頭(其讀數(shù)方法同螺旋測(cè)微器)測(cè)量數(shù)條亮紋間的距離． 在操作步驟②時(shí)還應(yīng)注意__放置單縫、雙縫時(shí)，必須使縫平行__和__單縫、雙縫間的距離要適當(dāng)__． 解析　(1)濾光片E可以從白光中選出單色紅光，單縫D是獲取線光源，雙縫B是獲得相干光源，最后成像在毛玻璃屏A上．所以排列順序?yàn)椋篊、E、D、B、A。(2)在操作步驟②時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)有：放置單縫、雙縫時(shí)，必須使縫平行；單縫、雙縫間的距離要適當(dāng)；要保證光源、濾光片、單縫、雙縫和光屏的中

7、心在同一軸線上． 實(shí)驗(yàn)記憶口訣 亮光源、濾光片，單縫雙縫成一線； 遮光筒、測(cè)量頭，中間有屏把像留； 單縫雙縫平行放，共軸調(diào)整不能忘； 分劃線，亮條紋，對(duì)齊平行測(cè)得準(zhǔn)； n條亮紋讀尺數(shù)，相除可得鄰間距； 縫距筒長記分明，波長公式要記清． 考點(diǎn)2　數(shù)據(jù)處理和誤差分析 [例2]在“用雙縫干涉測(cè)光的波長”的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)裝置如圖甲所示． (1)某同學(xué)以線狀白熾燈為光源，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)并觀察了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象后，總結(jié)出以下幾點(diǎn) A．燈絲與單縫和雙縫必須平行放置 B．干涉條紋與雙縫垂直 C．干涉條紋的疏密程度與單縫寬度有關(guān) D．干涉條紋的間距與光的波長有關(guān) 以上幾點(diǎn)中，你認(rèn)為正

8、確的是__D__． (2)當(dāng)測(cè)量頭中的分劃板中心刻線對(duì)齊某條紋的中心時(shí)，手輪上的示數(shù)如圖乙所示，該讀數(shù)為__0.700__mm． (3)如果測(cè)量頭中的分劃板中心刻線與干涉條紋不在同一方向上，如圖丙所示．則在這種情況下來測(cè)量干涉條紋的間距Δx時(shí)，測(cè)量值__大于__實(shí)際值(選填“大于”“小于”或“等于”)． 解析　(1)光源的形狀、大小及放置方式對(duì)實(shí)驗(yàn)沒有影響，A錯(cuò)誤；干涉條紋與雙縫平行，B錯(cuò)誤；干涉條紋的疏密Δx＝λ與單縫寬度無關(guān)，C錯(cuò)誤，D正確． (2)手輪的讀數(shù)為0.5 mm＋20.0×0.01 mm＝0.700 mm． (3)條紋與分劃板不平行時(shí)，實(shí)際值Δx實(shí)＝Δx測(cè)cos

9、θ，θ為條紋與分劃板間的夾角，故Δx實(shí)<Δx測(cè)． 對(duì)應(yīng)演練·遷移運(yùn)用 1．在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)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，紅光的干涉條紋間距Δx1與綠光的干涉條紋間距Δx2相比，Δx1__>__Δx2(選填“＞”“＜”或“＝”)．若實(shí)驗(yàn)中紅光的波長為630 nm，雙縫到屏幕的距離為1.00 m，測(cè)得第1條到第6條亮條紋中心間的距離為10.5 mm，則雙縫之間的距離為__0.300__mm． 解析　雙縫干涉條紋寬度Δx＝λ，因?yàn)榧t光波長長，故Δx1>Δx2；其中Δx1＝ mm＝2.1 mm，l＝1×103 mm，λ＝6.30×10－4 mm，代入解得d＝0.300

10、mm． 2．在“用雙縫干涉測(cè)光的波長”實(shí)驗(yàn)中(實(shí)驗(yàn)裝置如下圖)： (1)下列說法哪一個(gè)是錯(cuò)誤的__A__(填選項(xiàng)前的字母)． A．調(diào)節(jié)光源高度使光束沿遮光筒軸線照在屏中心時(shí)，應(yīng)放上單縫和雙縫 B．測(cè)量某條干涉亮紋位置時(shí)，應(yīng)使測(cè)微目鏡分劃板中心刻線與該亮紋的中心對(duì)齊 C．為了減少測(cè)量誤差，可用測(cè)微目鏡測(cè)出n條亮紋間的距離a，求出相鄰兩條亮紋間距Δx＝.　 (2)測(cè)量某亮紋位置時(shí)，手輪上的示數(shù)如圖，其示數(shù)為__1.970__mm． 解析　(1)在不放置單縫和雙縫時(shí)才能根據(jù)光屏上光斑的形狀來判定光束是否沿遮光筒的軸線傳播，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；因條紋寬度是指相鄰亮紋中心或相鄰暗紋中心之

11、間的距離，故選項(xiàng)B正確；微小量累積法可有效減小測(cè)量中的偶然誤差，故選項(xiàng)C正確． (2)手輪上固定刻度讀數(shù)為1.5 mm，可動(dòng)刻度讀數(shù)為47.0×0.01 mm，故測(cè)量結(jié)果為1.5 mm＋47.0×0.01 mm＝1.970 mm． 3．用雙縫干涉測(cè)光的波長，實(shí)驗(yàn)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．遮光筒 F．濾光片 (其中雙縫和光屏連在遮光筒上) (1)正確調(diào)節(jié)裝置后，在屏上觀察到紅光干涉條紋，用測(cè)量頭測(cè)出10條紅亮條紋間的距離為a；改用綠色濾光片，其他條件不變，用測(cè)量頭測(cè)出10條綠亮條紋間的距離為b，則一定有a__大于__

12、b(選填“大于”“小于”或“等于”)． (2)在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，濾光片的作用是__獲得單色光__，單縫的作用是__形成線光源__，雙縫的作用是__形成相干光源__． 解析　由于紅光的波長大于綠光的波長，根據(jù)Δx＝λ可知，紅色光的干涉條紋間距大于綠色光的干涉條紋間距，因此a>b． (2)各元件的作用為：濾光片的作用是獲得單色光，單縫的作用是形成線光源，雙縫的作用是形成相干光源． 4．在觀察光的雙縫干涉現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)中： (1)將激光束照在如圖乙所示的雙縫上，在光屏上觀察到的現(xiàn)象是圖甲中的__A__． (2)換用間隙更小的雙縫，保持雙縫到光屏的距離不變，在光屏上觀察到的條紋寬度

13、將__變寬__；保持雙縫間隙不變，減小光屏到雙縫的距離，在光屏上觀察到的條紋寬度將__變窄__.(以上均選填“變寬”“變窄”或“不變”) 解析　(1)雙縫干涉圖樣是平行且等寬的明暗相間的條紋，A圖正確． (2)根據(jù)Δx＝λ知，雙縫間的距離d減小時(shí)，條紋間距變寬；當(dāng)雙縫到屏的距離l減小時(shí)，條紋間距變窄． 5．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，觀察在光屏上出現(xiàn)的現(xiàn)象． (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__越大__.(選填“越大”或“

14、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__越大__.(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)__小__.(選填“大”或“小”) (4)在該實(shí)驗(yàn)中，若所用激光的波長為5.30×10－7 m，屏上P點(diǎn)距雙縫S1和S2的路程差為1.85×10－6 m，則在這里出現(xiàn)的應(yīng)是__暗條紋__.(選填“亮條紋”或“暗條紋”) 解析　(1)由Δx＝λ可知雙縫間隙d越小，明暗相間的條紋間距Δx越大． (2)由Δx＝λ可知，光屏到縫的距離l越大，明暗相間的條紋間距Δx越大． (3)由Δx＝λ可知，因藍(lán)色光的波長比紅色光的波長小，故用藍(lán)色光做實(shí)驗(yàn)時(shí)的條紋間距比用紅色光做實(shí)驗(yàn)時(shí)?。? (4)屏上P點(diǎn)距雙縫S1和S2的路程差為所用激光的波長的3.5倍，所以P點(diǎn)應(yīng)出現(xiàn)暗條紋． 7