5.2 科学测量：用双缝干涉测光的波长（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年新教材高中物理选择性必修第一册（鲁科版2019）

第2节　科学测量：用双缝干涉测光的波长 核心 素养 科学思维 科学探究 科学态度与责任 1.观察白光及单色光的双缝干涉图样。 2．掌握用公式Δx＝λ测定波长的方法。 3．会用测量头测量条纹间距离。 1.能完成“用双缝干涉实验测光的波长”等实验。 2．能分析实验现象，提出并准确表述在实验中可能出现的物理问题；能在他人帮助下制订实验方案，会解释实验原理，能使用双缝干涉仪等器材收集数据；能分析双缝干涉条纹等信息，测得光的波长；能撰写规范的实验报告，在报告中能呈现设计的实验表格、数据分析过程及实验结论，能有效陈述并讨论交流实验过程中的问题。 3．注意提升实验操作能力与实验数据读取能力。 通过双缝干涉实验，能体会物理实验器材的创新对科学测量的推进作用；有学习物理的内在动机与热情，能感受物理学之美；能认识科学普及的重要性，能在科学普及活动中发挥积极的作用。 [对应学生用书P89] 1．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。 2．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、毛玻璃屏、测量头(如图所示)组成)、学生电源。 3．实验原理与设计 如图所示，与两缝之间的距离d相比，每个狭缝都很窄，所以宽度可以忽略。两缝S1、S2连线的中垂线与屏的交点为P0，双缝到屏的距离OP0＝l。根据双缝干涉的条纹间距公式可得λ＝·Δy，因此若已知双缝间距d，再测出双缝到屏的距离l和条纹间距Δy，就可以求得光波的波长。 4．实验步骤 (1)将光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上，如图所示。 (2)接好电源，打开开关，使灯丝正常发光。 (3)调节各器件的高度，使光源灯丝发出的光能沿轴线到达光屏。 (4)安装双缝和单缝，中心大致位于遮光筒的轴线上，使双缝与单缝的缝平行，两者间距5～10 cm，这时可观察白光的干涉条纹。 (5)在单缝和光源间放上滤光片，观察单色光的干涉条纹。 5．数据处理 (1)安装测量头，调节至可清晰观察到干涉条纹。 (2)使分划板中心刻线对齐某条亮条纹的中央，记下手轮上的读数a1，将该条纹记为第1条亮纹；转动手轮，使分划板中心刻线移动至另一亮条纹的中央，记下此时手轮上的读数a2，将该条纹记为第n条亮纹，则相邻两亮条纹间距Δy＝。 (3)用刻度尺测量双缝到光屏间的距离l(d是已知的)，然后利用公式Δy＝λ求出波长的值。 (4)重复测量、计算，求出波长的平均值。 6．误差分析 (1)测双缝到屏的距离l带来的误差：可通过选用毫米刻度尺，进行多次测量求平均值的办法减小误差。 (2)测条纹间距Δy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(或暗条纹)之间的距离时读数不准确。 7．注意事项 (1)双缝干涉仪是比较精密的仪器，应轻拿轻放，不要随便拆解遮光筒、测量头等元件。 (2)滤光片、单缝、双缝、目镜等如有灰尘，应用擦镜纸轻轻擦去。 (3)安装时，注意调节确保光源、滤光片、单缝、双缝的中心均在遮光筒的中心轴线上，并使单缝、双缝平行且竖直，间距大约5～10 cm。 (4)调节的基本依据： ①照在像屏上的光很弱，主要原因是灯丝与单缝、双缝、测量头与遮光筒不共轴线所致； ②干涉条纹不清晰，主要原因是单缝与双缝不平行。 (5)在使用测量头时，应使其中心刻度线对应着亮(暗)条纹的中心。 (6)光源灯丝最好为线状灯丝，并与单缝平行靠近。 1．在调节装置以获得清晰干涉条纹时，应先调节光源高度， 观察到光束沿遮光筒的轴线传播后再装上测量头。(　　√　　) 2．在调节装置以获得清晰干涉条纹时，若观察到条纹比较模糊，可以调节拨杆进行调整。(　　√　　) 3．测量某亮条纹间距时，目镜分划板中心刻度线应与亮条纹边缘对齐。(　　×　　) [对应学生用书P90] 探究点一　实验原理与实验步骤　(科学探究之结论) (2021·四川眉山高二期末)某同学利用图甲所示装置测量某种单色光的波长。实验时，他首先接通电源使光源正常发光；之后调整光路，使得从目镜中可以观察到干涉条纹。回答下列问题： (1)图甲中三种仪器A、B、C依次是________。 A．滤光片、单缝、双缝 B．滤光片、双缝、单缝 C．双缝、滤光片、单缝 D．双缝、单缝、滤光片 (2)某次测量时，手轮上的示数如图乙所示，其示数为________mm。 (3)在双缝干涉实验中，屏上出现了明暗相间的条纹，则________。 A．中间条纹间距较两侧更宽 B．不同色光形成的条纹完全重合 C．双缝间距离越大，则条纹间距离越大 D．遮住一条缝后，屏上仍有明暗相间的条纹 答案：(1)A　(2)0.820　(3)D 解析：(1)根据双缝干涉的原理可知，图甲中的三种仪器A、B、C依次是滤光片、单缝、双缝，A正确。 (2)螺旋测微器的精确度为0.01 mm，则示数为0.5 mm＋32.0×0.01 mm＝0.820 mm。 (3)根据Δx＝λ可知，亮条纹之间的距离和暗条纹之间的距离相等，A错误；根据Δx＝λ可知，条纹间距随波长的变化而变化，因此不同色光的条纹不会完全重合，B错误；根据Δx＝λ可知，双缝间距离越大，则出现的条纹间距离越小，C错误；遮住一条缝后，出现单缝衍射现象，屏上仍有明暗相间的条纹，D正确。 [练1] (2021·浙江湖州高二期末)(1)小丽用双缝干涉实验装置测量某单色光的波长，图甲中____________(填“A”或“B”)位置是双缝的位置，部件C的作用是调节____________。 (2)小丽在调节过程中，出现了干涉条纹呈竖直、分划板中心刻线倾斜的情况，如图乙所示，这种情况可通过____________来调整。 (3)调整过后，小丽从目镜中看到了如图丙所示的图像，当她将中心刻线分别对准第1和第5条亮条纹中央时，测量头游标尺读数如图丁、戊所示，则相邻两条亮条纹的条纹间距Δx＝________mm，再根据实验数据计算得到波长。 答案：(1)B　单缝与双缝平行　(2)逆时针转动测量头(遮光筒不动)　(3)1.64 解析：(1)小丽用双缝干涉实验装置测量某单色光的波长，图甲中B位置是双缝的位置，部件C的作用是调节单缝与双缝平行。 (2)出现了干涉条纹呈竖直、分划板中心刻线倾斜的情况，如图乙所示，这种情况可通过逆时针转动测量头(遮光筒不动)来调整。 (3)由题意可知，图丁的读数为10.00 mm，图戊的的读数为16.56 mm，则四个亮条纹之间的距离为16.56 mm－10.00 mm＝6.56 mm，相邻两条亮条纹的条纹间距Δx＝ mm＝1.64 mm。 探究点二　数据处理与误差分析　(科学探究之结论) (2021·重庆万州外国语学校高二月考)如图所示在一次利用双缝干涉测定光的波长的实验中，已知双缝间距d＝0.4 mm，双缝到光屏间的距离l＝0.5 m。实验时，接通电源使光源正常发光，调整光路，使得从目镜中可以观察到干涉条纹。 (1)若想增加从目镜中观察到的条纹个数，该同学可________。 A．将单缝向双缝靠近 B．将屏向靠近双缝的方向移动 C．将屏向远离双缝的方向移动 D．使用间距更小的双缝 (2)某种单色光照射双缝得到的干涉条纹如图乙所示。则分划板在图中A位置时，游标卡尺的读数为xA＝11.1 mm；在B位置时，游标卡尺读数为xB＝15.6 mm。则相邻两条纹的间距Δx＝________mm，该单色光的波长λ＝________m。 (3)如果测量头中的分划板中心刻线与干涉]条纹不在同一方向上，如图丙所示。则在这种情况下测量干涉条纹的间距Δx时，测量值________(选填“大于”“小于”或“等于”)实际值。 答案：(1)B　(2)0.75　6.0×10－7　(3)大于 解析：(1)由相邻两个亮条纹或暗条纹的间距公式Δx＝·λ可知，若想增加从目镜中观察到的条纹个数，可减小相邻两个亮条纹或暗条纹间的距离，因此可增大双缝间距d，或减小双缝到屏的距离l，A、C、D错误，B正确。 (2)相邻两条纹的间距为Δx＝＝＝0.75 mm，该单色光的波长λ＝＝ m＝0.6×10－6 m＝6.0×10－7 m。 (3)如果测量头中的分划板中心刻线与干涉条纹不在同一方向上，则在这种情况下测量干涉条纹的间距Δx时，由于条纹是倾斜的，所以测量值大于实际值。 [练2] (2021·江苏南京大厂高级中学高二期中)某同学利用图甲所示装置测量某种单色光的波长。实验时，他接通电源使光源正常发光；之后调整光路，使得从目镜中可以观察到干涉条纹。回答下列问题： (1)仪器②的名称为________，⑤的名称为________。 (2)某同学通过测量头的目镜观察单色光的干涉图样时，发现分划板的中心刻线与亮条纹未对齐，如图乙所示。下列操作中，可使中心刻线与亮条纹对齐的是：________。 A．仅转动透镜 B．仅转动双缝 C．仅转动手轮 D．仅转动测量头 (3)某次测量结果如图丙所示，则读数为________mm。 (4)下列选项中，如果A图样是红光通过双缝干涉产生的，那么换用紫光得到的图样用________图样表示最合适。 A． B． C． D． (5)若双缝的间距为d，屏与双缝间的距离为L，测得第1条暗条纹到第n条暗条纹之间的距离为Δx，则单色光的波长λ＝ ________。 (6)某次测量时，所用双缝的间距为0.300 mm，测得屏与双缝间的距离为1.20 m，第1条暗条纹到第4条暗条纹之间的距离为7.56 mm。则所测单色光的波长为________ m(结果保留3位有效数字)。 答案：(1)滤光片　遮光筒　(2)D　(3)5.005　(4)C (5)　(6)6.30×10－7 解析：(1)仪器②的名称为滤光片；⑤的名称为遮光筒。 (2)通过测量头的目镜观察单色光的干涉图样时，发现分划板的中心刻线与亮条纹未对齐，可通过调节测量头或同时调节单双缝达到目的，仅调节双缝不可实现要求，与透镜和转动手轮也没有关系，A、B、C错误，D正确。 (3)螺旋测微器的读数为5 mm＋0.01 mm×0.5＝5.005 mm。 (4)双缝干涉条纹间距公式Δx＝λ，紫光波长比红光波长短，条纹间距变短，C正确，A、B、D错误。 (5)由公式Δy＝λ并结合题干条件Δx＝(n－1)Δy可知，单色光的波长λ＝。 (6)将题干中的数值代入上式，可得λ＝ m＝6.30×10－7 m。 探究点三　解决实际问题　(科学态度与责任之落实) [练3] (创新情景)(2021·北京海淀101中学高二月考)现用如图甲所示的双缝干涉实验装置来测量光的波长。 (1)在组装仪器时，单缝和双缝应该相互________(选填“垂直”或“平行”)放置。 (2)已知测量头主尺的最小刻度单位是毫米，副尺上有50分度。某同学调整手轮，使测量头的分划板中心刻线与某条亮纹中心对齐，并将该亮纹定为第1条亮纹，此时测量头上游标卡尺的读数为1.16 mm；接着再同方向转动手轮，使分划板中心刻线与第6条亮纹中心对齐，此时测量头上游标卡尺的示数如图乙所示，读数为________mm。已知双缝间距d＝2.00×10－4 m，测得双缝到毛玻璃屏的距离L＝0.800 m，则所测光的波长λ＝________nm(结果保留3位有效数字)。 (3)为减小误差，该实验并未直接测量相邻亮条纹间的距离Δx，而是先测量n个条纹的间距再求出Δx。试判断，下列实验中采用了类似方法的有________。 A．“探究两个互成角度的力的合成规律”实验中合力的测量 B．“探究弹簧弹力与形变量的关系”实验中弹簧形变量的测量 C．“用单摆测重力加速度”实验中单摆周期的测量 答案：(1)平行　(2)15.02　693　(3)C 解析：(1)只有保证单缝和双缝互相平行，这样才能在屏上出现明暗相间的条纹。 (2)游标卡尺的游标尺为50分度，因此精度为0.02 mm，固定刻度读数为15 mm，游标尺上第1个格对齐，故读数为0.02×1 mm＝0.02 mm，所以最终读数为15 mm＋0.02 mm＝15.02 mm。由于第1条亮纹对应的测量头上游标卡尺的读数为x1＝1.16 mm，第6条亮纹对应的测量头的读数x2＝15.02 mm，所以Δx＝＝×10－3m＝2.772×10－3 m，根据Δx＝λ，知λ＝，代入数据得λ＝ m≈6.93×10－7 m＝693 nm。 (3)先测量n个条纹的间距再求出Δx，属于放大测量取平均值，“探究两个互成角度的力的合成规律”实验中合力的测量，属于等效替代法，A错误；“探究弹簧弹力与形变量的关系”实验中弹簧的形变量的测量，属于测多次取平均值，B错误；“用单摆测重力加速度”实验中单摆周期的测量，属于放大测量取平均值，C正确。 学科网（北京）股份有限公司 $$