第5章 光的干涉、衍射和偏振 第2节 科学测量：用双缝干涉测光的波长(课件PPT)-【新课程学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第一册（鲁科版）福建专版

科学测量：用双缝干涉测光的波长 (实验课——基于经典科学探究) 第 2 节 实验准备——原理、器材和装置 实验操作——过程、细节和反思 01 02 CONTENTS 目录 实验考法——基础、变通和创新 训练评价——巩固、迁移和发展 03 04 实验准备——原理、器材和装置 一、实验装置 二、实验原理 1.由公式Δy=λ可知，在双缝干涉实验中，d是双缝间距，是已知的；l是双缝到屏的距离，可以测出，那么，只要测出相邻两亮条纹(或相邻两暗条纹)中心间距Δy，即可由公式λ=Δy计算出入射光波长的大小。 2.Δy的测定 使分划板的中心刻线对齐某条亮条纹的中心，如图甲所示。记下手轮上的读数a1，转动手轮，使分划板中心刻线移至另一条亮条纹的中心，记下此时手轮上的读数a2，并记下两次测量时分划板中心刻线移过的条纹数n，则相邻两条亮条纹间距Δy=。 实验操作——过程、细节和反思 一、实验步骤 1.按实验装置图，在光具座上把各光学元件装配好。 2.接好光源，打开开关，使光源正常发光。 3.调节各器件的高度，使光源发出的光能沿轴线到达毛玻璃屏的中心。 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。 二、数据处理 1.列d、l、Δy数据收集表： 实验 次数 双缝间的 距离d 双缝到光屏 的距离l 相邻亮(或暗)条纹 的平均间距Δy 1       2       3       2.实验结论：通过实验数据求得光的波长。 三、误差分析   产生原因 减少方法 偶然误差 l和Δy的测量 多次测量取平均值 系统误差 分划板中心刻线与干涉条纹不平行 调节单、双缝使分划板中心刻线与干涉条纹平行 四、注意事项 1.放置单缝和双缝时，必须使缝平行。 2.要保证光源、滤光片、单缝、双缝和光屏的中心在同一条轴线上。 3.测量头的中心刻线要对着亮(或暗)条纹的中心。 4.要多测几条亮条纹(或暗条纹)中心间的距离，再求Δy。 5.照在光屏上的像很弱，主要原因是灯丝与单缝、双缝、测量头与遮光筒不共轴所致，干涉条纹不清晰一般是因为单缝与双缝不平行。 1.如图所示，与两缝之间的距离d相比，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。需要知道哪些量，就 可以求该激光的波长? 关键点反思 提示：知道双缝间距d、双缝到屏的距离l和相邻亮条纹间距Δy，就可以求得波长λ=Δy。 2.实验中为什么不直接测出相邻两条亮条纹间的距离Δy，而要测出n条亮条纹间的距离，再求平均值? 提示：由于光的波长很小，实验中条纹宽度很小，直接测出相邻两条亮条纹间的距离不准确或较难实现，只能先测出n条亮条纹间距，再求相邻亮条纹间的距离，这样既便于测量，又可以减小误差。 3.测量双缝到屏的距离l时，可采用什么方法减小误差? 提示：采用多次测量求平均值的办法减小误差。 实验考法——基础、变通和创新 [例1]　图示是“用双缝干涉测量光的波长”实验的装置。实验中： 考法(一)　实验基本操作 (1)观察到较模糊的干涉条纹，要使条纹变得清晰，值得尝试的是____。(单选)  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 C [解析]　若粗调后看不到清晰的干涉条纹，看到的是模糊不清的条纹，则最可能的原因是单缝与双缝不平行；要使条纹变得清晰，值得尝试的是调节拨杆使单缝与双缝平行，故C正确。 (2)要增大观察到的条纹间距，正确的做法是_____。(单选)  A.减小单缝与光源间的距离 B.减小单缝与双缝间的距离 C.增大透镜与单缝间的距离 D.增大双缝与测量头间的距离 D [解析]　根据Δy=λ可知，要增大条纹间距可以增大双缝到测量头间的距离l，减小双缝的间距d，故D正确。 [微点拨] (1)牢记实验仪器在光具座上的排列顺序。 (2)弄清影响条纹清晰度的因素。 (3)弄清影响条纹间距的因素。 [例2]　在“用双缝干涉测光的波长”实验中，将双缝干涉实验仪按要求安装在光具座上(如图1)，并选用缝间距为d的双缝屏。毛玻璃屏与双缝屏间的距离为L。接通电源使光源正常工作，发出白光。 考法(二)　数据处理和误差分析 (1)组装仪器时，若将单缝和双缝均沿竖直方向分别固定在a处和b处，则____。  A.看不到干涉现象 B.可观察到水平方向的干涉条纹 C.可观察到竖直方向的干涉条纹 [解析]　单缝和双缝均沿竖直方向，因此得到竖直方向的干涉条纹。故选C。 C (2)若取下红色滤光片，其他实验条件不变，则在目镜中____。  A.可观察到明暗相间的白条纹 B.可观察到彩色条纹 C.观察不到干涉条纹 [解析]　取下红色滤光片，通过单缝的为白光，因此得到的干涉条纹为彩色条纹。故选B。 B (3)若实验中在毛玻璃屏上得到的干涉图样如图2所示，毛玻璃屏上的分划板中心刻线在图2中A、B位置时，游标卡尺的读数分别为x1、x2，则入射的单色光波长的计算表达式为λ=____________。分划板中心刻线在某条亮条纹位置时游标卡尺如图3所示，则其读数为______cm。  [解析]　根据题意，相邻亮条纹之间的距离为Δy=，根据双缝干涉条纹间距公式Δy=λ，单色光波长λ=。20分度的游标卡尺的精确度为0.05 mm，读数31 mm+2×0.05 mm=31.10 mm=3.110 cm。 3.110 (4)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4所示，则在这种情况下测量干涉条纹的间距Δy时，真实值______测量值。(填“大于”“小于”或“等于”)  [解析]　从题图可以看出，若条纹倾斜，则真实值小于测量值。 小于 [微点拨] 测量条纹间距Δy的方法 若直接测相邻两个亮条纹的间距Δy，相对误差较大，可如图那样，转动手轮，使分划板中心刻线与左侧标1 的那条清晰亮条纹的中心对齐，记下手轮 上的读数x1；然后使分划板右移，让分划 板中心刻线与标7的那条亮条纹的中心对齐，记下手轮上的读数x7，则Δy=。 [例3]　如图所示为“双棱镜干涉”实验装置，其中 S为单色光源，A为一个顶角略小于180°的等腰三角形 棱镜，P为光屏。S位于棱镜对称轴上，屏与棱镜底边 平行。调节光路，可在光屏上观察到干涉条纹。这是由于光源S发出的光经棱镜作用后，相当于在没有棱镜时，两个分别位于图中S1和S2位置的相干光源所发出的光的叠加(S1和S2的连线与棱镜底边平行)。已知S1和S2的位置可由其他实验方法确定，类比“用双缝干涉测量光的波长”的实验，可以推测出若要利用“双棱镜干涉”测量光源S发出的单色光的波长，需要测量的物理量是__________________、_________________________和___________________。  考法(三)　源于经典实验的创新考查 S1和S2之间的距离d S1(或S2)与光屏间的距离l 干涉条纹的间距Δy [解析]　“双棱镜干涉”实验与双缝干涉实验原理相同，只不过换了一种形式，S1与S2相当于双缝干涉实验装置中的双缝，则由Δy=λ，得λ=Δy，可知需测量S1和S2之间的距离d、S1(或S2)与光屏间的距离l、干涉条纹的间距Δy。 [创新分析] 本实验的创新之处在于：实验器材采用了“双棱镜干涉”，利用两个棱镜折射获取两个相干光源，其原理与双缝干涉实验原理相同。 [例4]　洛埃(H.Lloyd)在1834年提出了一种更简单的观察光的干涉现象的实验装置——洛埃镜实验。如图所示，从单缝S发出的光，一部分入射到平面镜后反射到光屏上，另一部分直接投射到光屏上，在光屏上两光束交叠区域里将出现干涉条纹。单缝S通过平面镜成的像是S'。 (1)通过洛埃镜在屏上可以观察到明暗相间的干涉条纹，这和双缝干涉实验得到的干涉条纹一致。如果S被视为其中的一个缝，___________________相当于另一个“缝”。  S经平面镜成的像S'　 [解析]　如果S被视为双缝中的一个缝，S经平面镜成的像S'相当于另一个“缝”。 (2)实验表明，光从光疏介质射向光密介质，在界面处发生反射时，若入射角接近90°，反射光与入射光相比，相位有π的变化，即半波损失。如果把光屏移动到和平面镜接触，接触点P处是_______ (填“亮条纹”或“暗条纹”)。  [解析]　如果把光屏移动到和平面镜接触，入射角接近90°，反射光与入射光相比相位有π的变化，即半波损失，所以接触点P处是暗条纹。 暗条纹 (3)实验中，已知单缝S到平面镜的距离为h=0.15 mm，单缝到光屏的距离为D=1.2 m，观测到第3条亮条纹到第12条亮条纹的中心间距为22.78 mm，则该单色光的波长λ为___________m(结果保留3位有效数字)。  6.33×10-7 [解析]　第3条亮条纹到第12条亮条纹的中心间距为22.78 mm，则相邻两条亮条纹间距Δy= m≈2.53×10-3 m。等效双缝间的距离d=2h=0.30 mm=3×10-4 m，根据双缝干涉条纹间距公式Δy=λ，得λ== m≈6.33×10-7 m。 [创新分析] (1)利用平面镜反射将单缝转化为“双缝”。 (2)利用平面镜成像规律确定“双缝”间距。 训练评价——巩固、迁移和发展 1.(2025年1月·八省联考云南卷)某同学通过双缝干涉实验测量发光二极管(LED)发出光的波长。图甲为实验装置示意图，双缝间距d=0.450 mm，双缝到毛玻璃的距离l=365.0 mm，实验中观察到的干涉条纹如图乙所示。 当分划板中心刻线对齐第1条亮条纹中心，手轮上的读数为x1=2.145 mm；当分划板中心刻线对齐第5条亮条纹中心，手轮上的读数为x5=4.177 mm。完成下列填空： (1)相邻两条亮条纹间的距离Δx=________mm；  0.508 解析：相邻两条亮条纹间的距离为Δx== mm=0.508 mm。 (2)根据_____可算出波长(填正确答案标号)；  A.λ=　　 B.λ=Δx 　　 C.λ= 解析：根据相邻两条亮条纹间的距离公式Δx=λ，可知波长为λ=Δx，故选B。 B (3)待测LED发出光的波长为λ=_____nm(结果保留3位有效数字)。  626 解析：待测LED发出光的波长为λ=Δx=×0.508×10-3 m ≈6.26×10-7 m=626 nm。 2.某同学在做“用双缝干涉测量光的波长”的实验中，实验装置如图1所示。 (1)该同学通过测量头的目镜观察单色光的干涉图样时，发现里面的亮条纹与分划板中心刻线未对齐，如图2所示，若要使两者对齐，该同学应如何调节____。(填选项字母)  A.仅左右转动透镜　　　　 B.仅旋转单缝 C.仅旋转双缝 D.仅旋转测量头 D 解析：亮条纹与分划板中心刻线未对齐时，若要使两者对齐，则需要旋转测量头。故选D。 (2)为减小误差，该实验并未直接测量相邻亮条纹间的距离Δy，而是先测量n个亮条纹的间距再求出Δy。下列实验采用了类似方法的是_____。(填选项字母)  A.“探究两个互成角度的力的合成规律”的实验中合力的测量 B.“用单摆测重力加速度”实验中单摆周期的测量 C.“探究弹簧弹力与形变量的关系”实验中弹簧形变量的测量 B 解析：先测量n个亮条纹的间距再求出Δy，用到了微小量放大法。“探究两个互成角度的力的合成规律”的实验中合力的测量，用到了等效替代的思想方法，故A错误；“用单摆测重力加速度”实验中单摆周期的测量，一般先测量n次全振动的时间，然后再求完成一次全振动所用的时间，用到了微小量放大法，故B正确；“探究弹簧弹力与形变量的关系”实验中弹簧形变量的测量，采用多次测量求其平均值的方法，故C错误。 (3)当分划板的中心刻线对准亮条纹的中心时读数如图3所示，其读数为________mm。  解析：螺旋测微器固定刻度精度为0.5 mm，可动刻度精度为0.01 mm，需要估读一位，根据题图3可得其读数为7.5 mm+37.0×0.01 mm=7.870 mm。 7.870 (4)若双缝的间距为d，屏与双缝间的距离为l，测得第1条亮条纹中心到第4条亮条纹中心之间的距离为x，则单色光的波长λ=_____。  解析：根据题意可得，相邻亮条纹间的距离Δy=， 根据Δy=λ，解得λ=。 3.小张同学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_______放置(选填“垂直”或“平行”)。  解析：单、双缝必须平行，双缝前的单缝是为了产生相干的光，如果和双缝不平行，双缝上光的亮度不均匀，变成类似点光源，干涉条纹也会受影响，故单、双缝必须平行。 平行 (2)若想增加从目镜中观察到的条纹个数，该同学可以______。  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.使用双缝之间的距离更大的双缝 BD 解析：若想增加从目镜中观察到的条纹个数，则必须让条纹间距变窄，根据Δy=λ可知，在使用同种光的情况下，可减小光屏和双缝之间的距离l，或增大双缝间距d。故选BD。 (3)观察测量的图样(如图乙所示)，调节仪器使分划板的中心刻线对准一条亮条纹A的中心，测量头的示数如图丙所示，其示数为_________ _________________mm，移动手轮使分划板中心刻线对准另一条亮条纹B的中心，测量头的示数为10.495 mm。已知双缝与光屏间距为0.6 m，双缝相距0.2 mm，则所测单色光的波长为__________m。(结果保留两位有效数字)  (5.694~5.698均可) 5.695 4.0×10-7 解析：螺旋测微器读数为5.5 mm+19.5×0.01 mm=5.695 mm。由题意知相邻两条纹间距Δy= mm=1.2 mm，根据Δy=λ，可得λ==×0.2×10-3 m=4.0×10-7 m。 4.在“用双缝干涉测光的波长”实验中，将双缝干涉实验仪按要求安装在光具座上，如图甲所示，并选用缝间距d=0.2 mm 的双缝屏，从仪器注明的规格可知，像屏与双缝屏间的距离L=700 mm，然后接通电源使光源正常工作。 (1)已知测量头主尺的最小刻度是毫米，游标尺上有50个分度，某同学调整手轮后，从测量头的目镜看去，第1次映入眼帘的干涉条纹如图乙(a)所示，图乙(a)中的数字是该同学给各暗纹的编号，此时图乙(b)中游标尺上的读数x1=1.16 mm；接着再转动手轮，映入眼帘的干涉条纹如图丙(a)所示，此时图丙(b)中游标尺上的读数x2=________mm；  解析：由游标尺的读数规则可知x2=(15+1×0.02)mm=15.02 mm。 15.02 (2)利用上述测量结果，经计算可得该种色光的波长λ=______nm；(保留三位有效数字)  解析：题图乙(a)中暗纹与题图丙(a)中暗纹间的间隔为6个条纹间距，故Δy==2.31 mm，由Δy=λ，可知λ=Δy=×2.31×10-6 m= 660 nm。 660 (3)若改用频率较高的单色光照射，得到的干涉条纹间距将______ (选填“变大”“不变”或“变小”)。  解析：频率变大，波长减小，由Δy=λ可知干涉条纹间距变小。 变小 5.(2025·泉州高二联考)在“用双缝干涉测光的波长”的实验中，实验装置如图甲所示。 (1)某同学以线状白炽灯为光源，对实验装置进行调节并观察了实验现象后，总结出以下几点： A.单缝和双缝必须平行放置 B.干涉条纹与双缝垂直 C.干涉条纹的疏密程度与单缝宽度有关 D.干涉条纹的间距与光的波长有关 以上几点中，正确的是______。  AD 解析：为了获得清晰的干涉条纹，单缝和双缝必须平行放置，A正确；由干涉现象可知干涉条纹与双缝平行，B错误；根据干涉条纹的间距公式Δy=λ，可知干涉条纹的疏密程度与单缝宽度无关，干涉条纹的间距与光的波长有关，故C错误，D正确。 (2)当测量头中的分划板中心刻线对齐某条纹的中心时，手轮上的示数如图乙所示，该读数为x=________mm。  解析：螺旋测微器读数为x=0.5 mm+20.0×0.01 mm=0.700 mm。 0.700 (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，则在这种情况下来测量干涉条纹的间距Δy时，测量值_____(选填“大于” “小于”或“等于”)实际值。  解析：分划板中心刻线与干涉条纹不在同一方向上时，有Δy实=Δycos θ，θ为条纹与分划板间的夹角，故测量值大于实际值。 大于 (4)已知双缝间的间距为0.4 mm， 以某种单色光照射双缝时，在离双缝 0.5 m远的屏上，用测量头测量条纹间 的宽度：先将测量头的分划板中心刻线与某亮条纹中心对齐，将该亮条纹定为第0条亮条纹，此时分划板上的游标卡尺读数如图丁a所示；然后同方向转动测量头，使分划板中心刻线与第6条亮条纹中心对齐，此时分划板上的游标卡尺读数如图丁b所示。根据以上实验测得分划板在图中a、b位置时游标卡尺读数分别为xa=______mm，xb=______mm。  11.1 15.6 解析：在图中a位置时游标卡尺读数xa=11 mm+1×0.1 mm=11.1 mm，在图中b位置时游标卡尺读数xb=15 mm+6×0.1 mm=15.6 mm。 (5)该单色光的波长λ=__________m(结果保留2位有效数字)。  解析：根据干涉条纹的间距公式Δy=λ，单色光的波长λ==×10-3 m=6.0×10-7 m。 6.0×10-7 本课结束 $$