第四章 5 实验：用双缝干涉测量光的波长(课件PPT)-【步步高】2024-2025学年高二物理选择性必修第一册学习笔记（教科版）

该高中物理课件围绕“用双缝干涉测量光的波长”实验展开，涵盖实验步骤、误差分析、注意事项及练习题，通过仪器安装调节、条纹观察到数据测量的流程，衔接光的干涉规律与条纹间距公式，搭建现象观察到定量计算的学习支架。 其亮点在于以科学探究为核心，实验步骤详尽且注重误差分析（如测量n条条纹间距减小误差），结合多样化练习题（如遮光筒装水时条纹变化分析），通过科学思维中的推理与论证强化物理观念，助力学生提升实验操作与问题解决能力，也为教师提供系统的实验教学指导。

DISIZHANG 第四章 5　实验：用双缝干涉测量 　 光的波长 1 1.掌握用双缝干涉测量光的波长的原理和方法。 2.掌握螺旋测微器的读数方法。 3.会用公式Δx＝ 进行数据处理求光的波长。 学习目标 2 一、实验原理 1.干涉条纹和光的波长之间的关系 若设双缝间距为d，双缝到屏的距离为l，光的波长为λ，当l≫d时，则双 缝干涉中相邻两条亮条纹或暗条纹的中心间距为Δx＝_____。 2.实验设计 双缝干涉的实验装置如图所示，图中光源发出的白光通过透镜把单缝照亮，单缝相当于一个_______，它又把双缝照亮，通过双缝的两束光产生______，在屏上出现彩色干涉条纹，为了测量单色光的波长，可在单缝前加上_______获得单色光，在屏上将出现明暗相间的干涉条纹，若已知双缝到屏的距离l、双缝的间距d，再通过调节目镜和测量头测出相 邻亮条纹(或暗条纹)的距离Δx，可由λ＝______得出单色光的波长。 线光源 干涉 滤光片 二、实验器材 光具座、双缝干涉仪(由光源、滤光片、单缝、双缝、遮光管、毛玻璃屏、测量头组成)、学生电源。 三、相关物理量的测量 1.d为双缝中心的距离，其数值刻在双缝座上。 2.l为双缝至光屏(即分划板)的距离。当遮光管未接长管时，l＝600 mm；当遮光管接上长管后，l＝700 mm。 3.Δx的测量：相邻两条亮条纹间的距离Δx用_______测出(如图甲)。 (1)测量头的构成：_______、目镜、手轮等。 测量头 分划板 (2)使用： ①使分划板的中心刻线与某一条(记为第1条)亮条纹的中心对齐(如图乙)，记下此时手轮上的读数x1。 ②转动测量头。使分划板中心刻线与第n条亮条纹的中心对齐，再次记下手轮上的读数x2。 ③相邻两条亮条纹间的距离Δx＝______。 四、实验步骤 1.把遮光管架在支架环上，使其轴线与光具座的导轨基本平行。 2.在遮光管的一端装上双缝，并转动双缝座，使双缝与水平面垂直。再装好单缝管，使单缝与双缝平行。 3.调整灯泡高度，使灯泡灯丝及透镜中心与单缝中心等高，灯丝与单缝之间的距离约为25 cm。 4.在遮光管的另一端装上测量头，观察白光的干涉条纹。 5.在单缝前面加上红色或绿色滤光片，观察红黑相间或绿黑相间的清晰的干涉条纹。 6.先移动测量头上的手轮，把分划线对准最左边的一条干涉亮条纹(或者暗条纹)，并记下它在游标卡尺上的读数x1，然后转动手轮，把分划线移向右边，并对准第n条(一般可取7左右)干涉亮条纹(或暗条纹)。这时游标 卡尺的读数为xn，则相邻两条亮条纹(或暗条纹)之间的距离为Δx＝________ 7.改变双缝中心距离d，重复上面的步骤，再测一次。 五、误差分析 1.误差来源 (1)利用刻度尺和测量头测距离，读数时会存在误差。 (2)单缝、双缝没有严格平行，其中心没有位于遮光管的轴线上。 (3)单缝到双缝的两个缝的距离没有严格相等。 2.减小误差的方法 (1)用刻度尺测量光屏到双缝的距离时多次测量求平均值，测量n条亮条纹(或暗条纹)之间的间距时，n的取值可以适当大一些，多次测量求平均值。 (2)尽量把单缝、双缝调平行，调节单缝到双缝的两个缝的距离相等，使单缝、双缝中心大致位于遮光管的轴线上。 六、注意事项 1.双缝干涉仪是比较精密的仪器，应轻拿轻放，不要随便拆卸遮光管、测量头等元件。 2.滤光片、单缝、双缝等若有灰尘，应用擦镜纸轻轻擦去。 3.光源灯丝最好是线状灯丝，与单缝平行且靠近。 4.安装时，注意调节光源、滤光片、单缝、双缝的中心均在遮光管的中心轴线上，并使单缝与双缝平行且竖直。 5.调节时应注意：如果照在光屏上的光很弱，主要原因是灯丝与单缝、双缝、测量头、遮光管的中心轴线不在同一直线上。如果干涉条纹不清晰，主要是因为单缝与双缝不平行。 6.测量头在使用时应使中心刻线对应着亮条纹的中心。 7.转动手轮进行测量时，一次测量中不要反向旋转。 1.改变双缝宽度，观察干涉图样的变化，为什么会有这种变化？ 讨论交流 2.为什么不直接测量Δx，而要测量n条条纹的间距？ 答案　由于光的波长很小，实验中条纹宽度很小，无法直接测出一条条纹的宽度，只能先测出n条条纹间距，再求相邻条纹间的距离。 　(2023·达州市高二期末)在“用双缝干涉测量光的波长”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。已知双缝间的距离为d，在距离双缝l的屏上，用测量头测量条纹间宽度。 (1)组装仪器时，单缝和双缝的空间关系应该为_____； A.a代表单缝，b代表双缝 B.a代表双缝，b代表单缝 C.二者相互垂直放置 D.二者相互平行放置 例1 AD 安装器材时，从左到右依次为光源、凸透镜、滤光片、单缝、双缝、遮光筒和光屏，单缝和双缝平行放置，故A、D正确，B、C错误； (2)测得相邻亮条纹的间距为Δx，利用波长的表达式λ＝______(用Δx、l、d表示)求出光的波长； (3)若改用频率较小的单色光照射，得到的干涉条纹间距将_____(填“变大”“不变”或“变小”)； 变大 (4)在图乙所示实验装置示意图中，S为单缝，S1、S2为双缝，屏上O点处为一条亮条纹，若实验时单缝偏离光轴，向上微微移动，则可以观察到O点处的干涉条纹____。 A.向上移动 B.向下移动 C.间距变大 D.间距变小 B 　(2023·绵阳市高二期末)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，下列说法中正确的是_____； A.干涉条纹与双缝垂直 B.单缝和双缝应相互平行放置 C.若取下滤光片，光屏上可观察到白光的干涉图样 D.想增加从目镜中观察到的条纹个数，可以将单缝向双缝靠近 例2 BC 干涉条纹与双缝平行，故A错误； 单缝和双缝应相互平行放置，故 B正确； 若取下滤光片，光屏上可观察到白光的干涉图样，故C正确； (2)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1条亮条纹，此时手轮上螺旋测微器示数如图乙所示。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，记下此时图丙中手轮上的示数为________ mm； 由题图丙可知，螺旋测微器的固定刻度读数为13.5 mm，可动刻度的读数为0.01×37.0 mm＝0.370 mm，则手轮上的示数为x2＝13.5 mm＋0.370 mm＝13.870 mm 13.870 (3)已知双缝间距d为2.0×10－4 m，测得双缝到屏的距离L为0.600 m，求所测量光的波长为___________ m(结果保留三位有效数字)。 7.70×10－7 由题图乙可知，螺旋测微器的固定刻度读数为2 mm，可动刻度的读数为0.01×32.0 mm＝0.320 mm，则手轮上的示数为x1＝2 mm＋0.320 mm＝2.320 mm，则有两相邻亮条纹间距为 　某实验小组利用如图甲所示的装置完成“用双缝干涉测量光的波长”实验，双缝之间的距离d＝0.20 mm，双缝到光屏间的距离l＝70 cm。 (1)实验时观察到干涉条纹比较 模糊，要使条纹变得清晰，以 下做法正确的是_____。 A.旋转测量头 B.移动光源 C.调节拨杆使单缝与双缝平行 D.左右转动透镜 例3 C 若单缝与双缝不平行，则单缝上不同点发出的光在通过双缝后形成的干涉条纹将不在相应的位置重合，造成干涉条纹模糊，所以应调节拨杆使单缝与双缝平行，故选C。 (2)正确调节后，转动测量头的手轮，使分划板的中心刻线对齐亮条纹(图乙中黑色条纹)的中心，分划板在图乙中A、B位置时游标卡尺读数如图丙所示。 ①分划板在图丙中A位置时游标卡尺 的读数为xA＝_______ mm，在B位置 时游标卡尺读数为xB＝_______ mm。 10.10 在A位置时游标卡尺的读数为 xA＝1 cm＋0.05 mm×2＝10.10 mm 在B位置时游标卡尺读数为xB＝1.9 cm＋0.05 mm×5＝19.25 mm 19.25 ②相邻两条亮条纹间距Δx＝______ mm。 1.525 A位置和B位置之间的间距为 x＝xB－xA＝9.15 mm ③根据以上数据可得出光的波长λ＝__________ m(保留两位有效数字)。 4.4×10－7 课时对点练 28 1.(多选)某同学在做双缝干涉实验时，按装置图安装好实验装置，在光屏上却观察不到干涉图样，这可能是由于 A.光束的中央轴线与遮光筒的轴线不一致，相差较大 B.没有安装滤光片 C.单缝与双缝不平行 D.光源发出的光束太强 1 2 3 4 5 √ √ 6 1 2 3 4 5 安装实验器材时要注意：光束的中央轴线与遮光筒的轴线要重合，光源与光屏正面相对，滤光片、单缝和双缝中心位置在遮光筒轴线上，单缝与双缝要相互平行，才能使实验成功。与是否安装滤光片无关，当然还要使光源发出的光束不要太暗。故选项A、C正确。 6 2.(2024·南充市高二月考)(1)如图甲所示是用双缝干涉测量光波波长的实验设备示意图，图中①是光源、②是滤光片、③是单缝、④是双缝、⑤是光屏。下列操作能增大光屏上相邻两亮条纹之间距离的是______。 A.增大③和④之间的距离 B.增大④和⑤之间的距离 C.将绿色滤光片改成红色滤光片 D.增大双缝之间的距离 1 2 3 4 5 BC 6 1 2 3 4 5 增大④和⑤之间的距离即是增大l，Δx增大，故B正确； 红光的波长大于绿光的波长，将绿色滤光片改成红色滤光片可以增大相邻两亮条纹的间距，故C正确； 增大双缝之间的距离，Δx减小，故D错误。 6 (2)转动测量头的手轮，使分划板中心刻线对准第1条亮条纹，读出手轮的读数如图乙所示。继续转动手轮，使分划板中心刻线对准第10条亮条纹，读出手轮的读数如图丙所示。则相邻两亮条纹的间距是____ mm(结果保留三位有效数字)。 1 2 3 4 5 1.61 6 (3)在(2)前提下，如果已经量得双缝的间距是0.30 mm，双缝和光屏之间的距离是900 mm，则待测光的波长是____________ m。(结果保留三位有效数字) 1 2 3 4 5 5.37×10－7 6 3.(2023·上饶市第一中学期中)李同学在“用双缝干涉测量光的波长”实验中的实验装置如图甲所示。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 2 3 4 5 6 (1)李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竖线未对齐，如图乙所示。李同学需要_____，使两者对齐。 A.左右移动透镜 B.前后移动透镜 C.旋转测量头 D.旋转双缝 1 2 3 4 5 C 亮条纹与分划板中心刻线不平行时，只要转动测量头即可，故选C。 6 (2)李同学想减少从目镜中观察到的条纹个数，下列措施可行的是_____。 A.使用间距更大的双缝 B.将屏向靠近双缝的方向移动 C.将单缝向靠近双缝的方向移动 D.仅将绿色滤光片换成红色滤光片 1 2 3 4 5 D 6 (3)李同学正确操作，当测量头中的分划板中心刻线对齐某干涉条纹中心时，对应的测量头的示数如图丙所示，其示数为________________________ mm。 1 2 3 4 5 2.195(2.194、2.196均可) 螺旋测微器的读数为固定刻度与可动刻度之和，即题图丙中示数为2 mm＋19.5×0.01 mm＝2.195 mm 6 4.(2023·绵阳市高二期末)在多个玻璃片上涂墨汁，晒干后用刀片分别划出两条相距不远的直缝，做成多个双缝。按如图所示的装置，让激光束通过自制的双缝，观察在光屏上出现的现象。 1 2 3 4 5 (1)保持玻璃片到光屏的距离不变，换用两条 直缝间距不同的玻璃片。两条直缝间距越大， 光屏上明暗相间的条纹间距______(选填“越 大”或“越小”)。 越小 6 1 2 3 4 5 (2)用不同颜色的光照射用同一玻璃片，保持光屏与玻璃片位置不变。用红光照射时屏上明暗相间条纹的间距比用蓝光照射时明暗相间条纹的间距_____(选填“大”或“小”)。 大 6 1 2 3 4 5 (3)若所用激光的波长为5.300×10－7 m，屏上某点P距玻璃片上两条直缝S1和S2的路程差为1.855×10－6 m(图中未标出P、S1和S2)，则在P点处出现的应是_______(选填“亮条纹”或“暗条纹”)。 暗条纹 6 5.(2023·天津一中高二期末)在“用双缝干涉测量光的波长”的实验中，将双缝干涉实验仪器按要求安装在光具座上(如图甲)，并选用缝间距为d的双缝屏。从仪器注明的规格可知，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。 (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.可观察到水平方向的干涉条纹 B.可观察到竖直方向的干涉条纹 C.看不到干涉现象 1 2 3 4 5 B 6 1 2 3 4 5 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，则可观察到竖直方向的干涉条纹，故选B。 6 (2)若取下红色滤光片，其他实验条件不变，则在目镜中_____。 A.观察不到干涉条纹 B.可观察到明暗相间的白黑条纹 C.可观察到彩色条纹 1 2 3 4 5 C 若取下红色滤光片，其他实验条件不变，则各种颜色的单色光将发生干涉，则在目镜中可观察到彩色条纹，故选C。 6 (3)若实验中在屏上得到的干涉图样如图乙所示，毛玻璃屏上的分划板中心刻线在图乙中A、B位置时，游标卡尺的读数分别为x1、x2(已知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丙所示，则其读数为______ mm。 1 2 3 4 5 31.20 6 1 2 3 4 5 游标卡尺读数为31 mm＋ 0.05 mm×4＝31.20 mm。 6 (4)光屏上出现的明暗相间条纹如图丁所示，光屏上P、P1、P2处是亮条纹，Q1、Q2处是暗条纹，P到S1、S2的距离相等。某同学突发奇想，如果在遮光筒内装满水，其他条件不变，则光屏上_____。 A.P处可能出现暗条纹 B.不再出现明暗相间的条纹 C.明暗相间的条纹间距变窄 D.原P1处的亮条纹向P点靠近 1 2 3 4 5 CD 6 1 2 3 4 5 6 (1)通过洛埃德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”； 6.洛埃德在1834年提出了一种更简单的观察干涉的装置。如图所示，单色光从单缝S射出，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屏上，在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 2 3 4 5 S′ 6 1 2 3 4 5 通过洛埃德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，S′相当于另一个“缝”。 6 (2)实验中已知单缝S到平面镜的垂直距离h＝0.15 mm，单缝到光屏的距离D＝1.2 m，观测到第3条亮条纹中心到第12条亮条纹中心的间距为22.78 mm，则该单色光的波长λ＝___________ m(结果保留3位有效数字)； 1 2 3 4 5 6.33×10－7 6 1 2 3 4 5 等效双缝间的距离为d＝2h＝0.30 mm＝3.0×10－4 m ≈6.33×10－7 m。 6 (3)以下哪些操作能够增大光屏上相邻两条亮条纹之间的距离_____； A.将平面镜稍向上移动一些 B.将平面镜稍向右移动一些 C.将光屏稍向右移动一些 D.将光源由红色光改为绿色光 1 2 3 4 5 AC 6 (4)实验表明，光从光疏介质射向光密介质界面发生反射，在入射角接近90°时，反射光与入射光相比，相位有π的变化，称为“半波损失”。如果把光屏移动到和平面镜接触，接触点P处是________。(选填“亮条纹”或“暗条纹”) 1 2 3 4 5 暗条纹 6 1 2 3 4 5 如果把光屏移动到和平面镜接触，在入射角接近90°时，反射光与入射光相比，相位有π的变化，即“半波损失”，故直接射到光屏上的光和经平面镜反射的光相位差为π，所以接触点P处是暗条纹。 6 BENKEJIESHU 本课结束 λ λ Δx   待测的光波波长为λ＝＝_________ · 答案　由Δx＝λ知，调整d的大小，Δx随之变化，故调整双缝宽度，干涉条纹间距会发生变化。 根据Δx＝λ，可得λ＝ 根据c＝λf，可知频率较小的单色光波长较长，根据Δx＝λ可知得到的干涉条纹间距将变大； 若实验时单缝偏离光轴向上微微移动，则主光轴倾斜，则可以观察到O点处的干涉条纹向下移动，根据Δx＝λ可知条纹间距不变，故B正确，A、C、D错误。 想增加从目镜中观察到的条纹个数，则要条纹间距减小，由相邻两亮条纹间距公式Δx＝λ可知，可以将双缝间的距离d增大，或减小双缝到屏的距离l，或用波长小的光做实验，若将单缝向双缝靠近，不会改变条纹的间距，不会改变目镜中观察到的条纹个数，故D错误。 Δx＝＝ mm＝ mm ＝2.31 mm＝2.31×10－3 m 由Δx＝λ，可得所测量光的波长为λ＝＝ m＝7.70×10－7 m。  A、B之间(包括A、B位置)有7条亮条纹，故相邻两条亮条纹之间的间距为Δx＝＝1.525 mm 根据公式Δx＝λ，可知所测光的波长为λ＝＝ m ≈4.4×10－7 m。 由Δx＝λ可知相邻两亮条纹之间的距离与单缝和双缝之间的距离无关，故A错误； 乙图读数是x1＝0＋4.5×0.01 mm＝0.045 mm，丙图读数是x2＝14.5 mm＋3.7×0.01 mm＝14.537 mm，相邻两亮条纹间距是Δx＝≈1.61 mm 待测光波长λ＝≈5.37×10－7 m。 若要减少目镜中观察到的条纹个数，即应增大条纹间距，根据公式Δx＝λ可知，应将屏向远离双缝的方向移动、使用间距更小的双缝、增大波长，故选D。 由Δx＝λ知，两条直缝间距越大，光屏上明暗相间的条纹间距越小。 由Δx＝λ知，光的波长越大，明暗相间条纹间距越大，所以用红光照射时屏上明暗相间条纹的间距比用蓝光照射时明暗相间条纹的间距大。 由n＝＝＝7可知，屏上某点P距玻璃片上两条直缝S1和S2的路程差为半波长的奇数倍，所以在P点处出现的应是暗条纹。 条纹间距为Δx＝，根据Δx＝λ，可得入射的单色光波长的计算表达式为λ＝， 如果在遮光筒内装满水，其他条件不变，则光在遮光筒内的波长变小，但是P点到双缝的距离之差仍为零，则P点仍是亮条纹，在屏上仍会出现明暗相间的条纹，根据Δx＝λ，波长变小，则条纹间距变小；原P1处的亮条纹向P点靠近，选项A、B错误，C、D正确。 则有λ＝＝ m 第3条亮条纹中心到第12条亮条纹中心的间距为22.78 mm，则相邻亮条纹间距为Δx＝ m≈2.53×10－3 m 根据双缝干涉条纹间距Δx＝λ 根据双缝干涉条纹间距Δx＝λ可知，增大D，减小d，增大波长λ，能够增大光屏上相邻两条亮条纹之间的距离，所以A、C正确，B、D错误。 $