第4章 第5节 实验：用双缝干涉测量光的波长（课件PPT）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第一册（教科版2019）

光及其应用 第5节　实验：用双缝干涉测量光的波长 第四章 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 必备知识 自主学习 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 必备知识 自主学习 二、实验器材 双缝干涉仪，即光具座、光源、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、毛玻璃屏、测量头。另外，还有学生电源、导线、刻度尺等。 三、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。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 必备知识 自主学习 2．接好光源，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。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 必备知识 自主学习 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 必备知识 自主学习 3．用刻度尺测量双缝到光屏间的距离l。(d是已知的) 4．重复测量、计算，求出波长的平均值。 五、误差分析 1．光波的波长很小，Δx、l的测量对波长λ的影响很大。 2．在测量l时，一般用毫米刻度尺；而测Δx时，用千分尺且采用“累积法”。 3．多次测量求平均值。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 必备知识 自主学习 1．改变双缝宽度，观察干涉图样的变化，为什么会出现这种变化？ 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 2．为什么不直接测量Δx，而要测量n条条纹的间距？ 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 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。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 4．调节的基本依据是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。干涉条纹不清晰的主要原因一般是单缝与双缝不平行。 5．测量头在使用时应使中心刻线对应着亮(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。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 探究点一__ _________实验原理的器材的安装 【例1】 利用双缝干涉实验仪(含全套光学器材)测量光的波长，如图所示，把直径约为10 cm、长约为1 m的遮光管水平放在光具座上，一端装有双缝，另一端装有测量头。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 (1)图中a是光源(白炽灯)，b是_________________________， c是____________________，d是____________________。(填器材名称) (2)单色光通过c再经d和e后，产生明暗相间的干涉条纹，其中c的作用是_________________________， d的作用是________________________________。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 (3)若观察到比较模糊的干涉条纹，要使条纹变得清晰，值得尝试的是________________。 A．旋转测量头 B．增大单缝与双缝间的距离 C．调节拨杆使单缝与双缝平行 (4)下列图示中条纹间距表示正确的是__________________。 答案：(1)凸透镜　滤光片　单缝　(2)获取单色光产生相干光源　(3)C　(4)C 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 解 析 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 解 析 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 (1)双缝干涉实验是让单色光通过双缝在光屏上形成干涉图样，所以让白炽灯光通过滤光片形成单色光，再经过单缝形成相干光，再通过双缝形成干涉条纹。 (2)若干涉条纹模糊，则说明透过双缝的光较少或入射光的强度较弱。 (3)条纹间距指的是相邻两条亮条纹(或暗条纹)的中心线的距离。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 [练1] 小明想利用双缝干涉实验仪测量光的波长，老师给他提供如图甲所示的实验仪器，接通电源使光源(白炽灯)正常发光。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 (1)一开始小明将各光学元件安装在光具座上之后，在目镜中什么也看不到，小明看了说明之后做了如下调节：一是调节光源、凸透镜、遮光管的轴线在同一高度上，二是调节单缝与双缝________________，使缝的中点位于遮光管的轴线上。 (2)经过认真、正确地调节，小明和小强看到了彩色的干涉条纹，说明在实验装置当中缺少了________________。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 (3)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________________。(填字母代号) 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 (4)如果把红色滤光片换成绿色滤光片，从目镜中观察到的条纹数量会________________(选填“增加”“减少”或“不变”)。 答案：(1)相互平行　(2)滤光片　(3)D　(4)增加 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 解 析 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 探究点二__ __________实验数据的处理和误差分析 【例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＝3 mm。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 若测定红光的波长，应选用红色的滤光片，实验中测得双缝与屏之间的距离为0.70 m，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0.500 mm)观察第1条亮条纹的位置如图甲所示，其读数为____________mm；观察第5条亮条纹的位置如图乙所示，其读数为________________mm。则可求出红光的波长λ＝________________m。 答案：0　0.640　6.86×10－7 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 解 析 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 [练2] 在“用双缝干涉测量光的波长”的实验中，将实验仪器按要求安装在光具座上，并选用双缝间距d＝0.2 mm的双缝，从仪器注明的规格可知，双缝与光屏(分划板)之间的距离l＝700 mm。已知测量头主尺的最小刻度是1 mm，游标尺上有50分度。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 (1)某同学调整手轮后，从测量头的目镜看去，第一次映入眼帘的干涉条纹如图甲(a)所示，图中数字是该同学给各亮条纹的编号，此时分划板中心刻线对齐第1条亮条纹的中心，图甲(b)中游标卡尺的读数x1＝________________mm；接着再转动手轮，映入眼帘的干涉条纹如图乙(a)所示，此时分划板中心刻线对齐第7条亮条纹的中心，图乙(b)中游标卡尺的读数x2＝________________mm。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 (2)实验时测量多条干涉条纹宽度的目的是________________________________________________________________，利用上述测量结果可得，相邻两条亮条纹(或暗条纹)间的距离Δx＝________________mm。 (3)根据上述数据，所测单色光的波长λ＝________________nm。(计算结果保留2位有效数字) 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 (4)若实验中发现条纹太密，难以测量，可以采用的改善方法有________________。 A．改用波长较短的光作为入射光 B．增大双缝到光屏的距离 C．增大双缝到单缝的距离 D．增大双缝间距 答案：(1)1.16　15.02　(2)减小条纹间距的测量误差　2.31　(3)660　(4)B 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 解 析 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 解 析 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 素养训练 学业评价 1．(2023·江苏卷)用某种单色光进行双缝干涉实验，在屏上观察到的干涉条纹如图甲所示，改变双缝间的距离后，干涉条纹如图乙所示，图中虚线是亮纹中心的位置。则双缝间的距离变为原来的(　　) B 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 解 析 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 32 素养训练 学业评价 2．(多选)利用如图所示的装置研究双缝干涉现象并测量光的波长时，有下面几种说法，其中正确的是(　 　) A．实验装置中的①、②、③元件分别为滤光片、单缝、双缝 B．将滤光片由紫色的换成红色的，干涉条纹间距变宽 C．将单缝向双缝移动一小段距离后，干涉条纹间距变宽 D．测量过程中，把5个条纹间距数成6个，导致波长测量值偏小 E．去掉滤光片后，干涉现象消失 ABD 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 解 析 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 34 素养训练 学业评价 3．现有毛玻璃屏A、双缝B、白光光源C、单缝D和透红光的滤光片E等光学元件，要把它们放在如图所示的光具座上组成双缝干涉装置，用以测量红光的波长。 (1)将白光光源C放在光具座最左端，依次放置其他光学元件，由左至右，表示各光学元件的字母排列顺序应为C、________________、________________、________________、A。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 素养训练 学业评价 (2)本实验的步骤如下： ①取下遮光筒左侧的元件，调节光源高度，使光束能直接沿遮光筒轴线把屏照亮； ②按合理顺序在光具座上放置各光学元件，并使各元件的中心位于遮光筒的轴线上； ③用刻度尺测量双缝到屏的距离； ④用测量头(其读数方法同螺旋测微器)测量数条亮纹间的距离。 在操作步骤②时应注意：____________________________。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 素养训练 学业评价 (3)将测量头的分划板中心刻线与某亮纹中心对齐，将该亮纹定为第1条亮纹，此时手轮上的示数如图甲所示。然后同方向转动测量头，使分划板中心刻线与第6条亮纹中心对齐，记下此时图乙中手轮上的示数为________________mm。求得相邻亮条纹的间距Δx＝________________mm。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 素养训练 学业评价 (4)已知双缝间距d为2.0×10－4 m，测得双缝到屏的距离l为0.700 m，由计算式λ＝________________(用字母表示)，求得所测红光波长为________________nm。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 解 析 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 39 解 析 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 40 素养训练 学业评价 4．(2024·浙江高二模拟预测)在完成“用双缝干涉测量光的波长”实验时， (1)实验中需测定的相邻条纹间距Δx指的是图中的________________。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 素养训练 学业评价 (2)实验中，目镜中心刻度线对齐第n条条纹中心和第(n＋10)条条纹中心时，游标卡尺的示数分别如图甲和图乙所示，图甲中游标卡尺的读数为________________ mm。已知双缝间距d＝0.4 mm，双缝到屏的距离L＝1.0 m，所测单色光的波长为________________ nm。 答案：(1)C　(2)8.70　670 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 解 析 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 43 课时梯级训练(25) 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 谢谢观看 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 物理观念 科学探究 科学态度与责任 1.掌握双缝干涉条纹间距的计算公式及推导过程。 2．掌握用双缝干涉测波长的原理、操作、器材及注意事项。 根据用双缝干涉实验测波长的原理，会选用实验器材、规范实验操作。 能进行分组、自主、合作探究，并对信息进行数据处理。 一、实验原理 如图所示，两缝之间的距离为d，每个狭缝都很窄，宽度可以忽略。 两缝S1、S2的连线的中垂线与屏的交点为P0，双缝到屏的距离OP0＝l，则相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距Δx＝λ。 若已知双缝间距，再测出双缝到屏的距离l和条纹间距Δx，就可以求得光波的波长。 四、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心，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心，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Δx＝。 提示：由Δx＝λ可知，调整双缝宽度d的大小，在其他条件不变的情况下，Δx会随之变化。 提示：相邻两条纹间距Δx是两条纹中间的距离，这个距离比较小，为了减小误差，测出n个条纹间的距离a，然后根据Δx＝取平均值。 (1)根据实验器材和原理可知，图中b是凸透镜，c是滤光片，d是单缝。 (2)单色光通过单缝后，经双缝产生稳定的干涉图样，故其中滤光片c的作用是获取单色光，单缝d的作用是产生相干光源。 (3)干涉条纹模糊，说明经过双缝的透光量较少或者入射光的强度较弱，在测量端旋转测量头和增大单缝与双缝间的距离，都不会改善透光量或入射光的强弱，A、B不值得尝试；调节拨杆使单缝与双缝平行，这样会使透过单缝(相当于“线状光源”)的条形光与双缝平行，可增加双缝的透光量，会使条纹变得清晰，C值得尝试。 (4)条纹间距指的是相邻两条亮条纹的中心线的距离，或相邻两条暗条纹的中心线的距离，由图可知A、B、D错误，C正确。 (1)单缝与双缝相互平行是观察到干涉条纹的前提条件，所以必须调节单缝与双缝相互平行。 (2)若不加滤光片，则观察到的是复色光的彩色条纹。 (3)若发现亮条纹与分划板的中心刻线未对齐，则需要使两者对齐，该同学应旋转测量头，A、B、C错误，D正确。 (4)把红色滤光片换成绿色滤光片，则发生干涉的红色光变成绿色光，因为绿色光的波长较短，所以其条纹间距较小，则条纹的数目增加。 由测量头的数据可知a1＝0，a2＝0.640 mm， 所以Δx＝＝ mm＝1.60×10－4 m， λ＝＝ m≈6.86×10－7 m。 (1)图甲(b)中游标卡尺的主尺读数为1 mm，游标尺读数为0.02×8 mm＝0.16 mm，则其读数x1＝1.16 mm。图乙(b)中游标卡尺的主尺读数为15 mm，游标尺读数为0.02×1 mm＝0.02 mm，则其读数x2＝15.02 mm。 (2)实验时测量多条干涉条纹宽度的目的是减小条纹间距的测量误差。两条相邻亮条纹(或暗条纹)间的距离Δx＝＝ mm＝2.31 mm。 (3)根据Δx＝λ得，λ＝Δx＝2.31×10－3× m＝6.60×10－7 m＝660 nm。 (4)根据双缝干涉条纹的间距公式Δx＝λ可得，当双缝到屏间的距离L变大、波长λ变长、双缝间距d变小时，都可使Δx增大，使条纹变疏。改用波长较短的光作为入射光，即波长变短，则条纹变密，A错误；增大双缝到屏的距离，即双缝到屏间的距离L变大，则条纹变疏，B正确；增大双缝到单缝的距离，条纹间距不变，C错误；增大双缝间距d，则条纹变密，D错误。 A． B． C．2倍 D．3倍 根据双缝干涉的条纹间距与波长关系有Δx＝λ，由题图知Δx乙＝2Δx甲，则d乙＝d甲。 实验装置中的①、②、③元件分别为滤光片、单缝、双缝，A正确；将滤光片由紫色的换成红色的，光的波长变长，根据干涉条纹间距公式Δx＝λ知条纹间距变宽，B正确；将单缝向双缝移动一小段距离后，条纹间距不变，C错误；把5个条纹间距数成6个，则Δx偏小，根据Δx＝λ，可知波长的测量值偏小，D正确；去掉滤光片，将出现彩色的干涉条纹，E错误。 答案：(1)E　D　B　(2)见解析　(3)13.870　2.310　(4)　6.6×102 (1)滤光片E是用来从白光中选出单色红光的，单缝是用来获得线光源的，双缝屏是用来获得相干光源的，最后成像在毛玻璃屏上，所以排列顺序为C、E、D、B、A。 (2)在操作步骤②时应注意的事项有放置单缝、双缝时，必须使缝平行；要保证光源、滤光片、单缝、双缝和毛玻璃屏的中心在同一轴线上。 (3)测量头的读数应先读整数刻度，然后看半刻度是否露出，最后看可动刻度，题图乙读数为13.5 mm＋37.0×0.01 mm＝13.870 mm，题图甲读数为2 mm＋32.0×0.01 mm＝2.320 mm，所以相邻亮条纹间距Δx＝ mm＝2.310 mm。 (4)由条纹间距公式Δx＝λ得λ＝，代入数据得λ＝6.6×10－7 m＝6.6×102 nm。 (1)实验需测量的相邻条纹间距Δx指的是相邻亮条纹中心间的距离，C正确。 (2)图甲中游标卡尺的读数为 8 mm＋35×0.02 mm＝8.70 mm 图乙中游标卡尺的读数为 25 mm＋23×0.02 mm＝25.46 mm 根据公式Δx＝λ可知λ＝＝670 mm。 $$