2026届高考物理一轮复习讲义:第十五章 实验十八 用双缝干涉实验测光的波长
第十四章 光学
实验十八 用双缝干涉实验测光的波长
一、实验目的
1.理解双缝干涉实验原理。
2.观察双缝干涉图样,掌握实验方法。
3.测定单色光的波长。
二、实验原理
如图所示,光源发出的光,经过滤光片后变成单色光,再经过单缝S时发生衍射,这时单缝S相当于一个单色光源,衍射光波同时到达双缝S1和S2之后,S1、S2双缝相当于两个步调完全一致的单色相干光源,产生稳定的干涉图样,图样中相邻两条亮(暗)条纹间的距离Δx与入射光波长λ、双缝间距离d及双缝与屏的距离l有关,其关系式为:Δx=,因此,只要测出Δx、d、l即可测出波长λ。
两条相邻亮(暗)条纹间的距离Δx用测量头测出。测量头由分划板、目镜、手轮等构成,如图丙所示。
三、实验器材
双缝干涉仪、光具座、光源、学生电源、导线、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、毛玻璃屏、测量头、刻度尺。
四、实验步骤
1.观察双缝干涉图样
(1)将光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上,如图甲所示。
(2)接好光源,打开开关,使灯丝正常发光。
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(3)调节各器件的高度,使光源灯丝发出的光能沿遮光筒轴线到达光屏。
(4)安装单缝和双缝,尽量使缝的中点位于遮光筒的轴线上,使单缝与双缝平行,二者间距约为5~10 cm。
(5)在单缝和光源间放上滤光片,观察单色光的干涉条纹。
2.测定单色光的波长
(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,如图乙所示,记下此时手轮上的读数,将该条纹记为第1条亮条纹;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,将该条纹记为第n条亮条纹,测出n条亮条纹间的距离a,则相邻两亮条纹间距Δx=。
(3)用刻度尺测量双缝到光屏间距离l(d是已知的)。
(4)重复测量、计算,求出波长的平均值。
五、数据处理
1.条纹间距的计算:转动测量头的手轮,分划板中心刻线在第1条亮条纹中央时读数为a1,在第n条亮条纹中央时读数为an,则Δx=。
2.根据条纹间距公式Δx=得λ=
,其中d为双缝间距,l为双缝到光屏的距离。
3.测量时需测量多组数据,求λ的平均值。
六、误差分析
1.双缝到光屏的距离l的测量存在误差。
2.测条纹间距Δx带来的误差:
(1)干涉条纹没有调整到最清晰的程度。
(2)误认为Δx为亮条纹的宽度。
(3)分划板中心刻线与干涉条纹不平行,中心刻线没有恰好位于亮条纹中心。
(4)测量多条亮条纹间的距离时读数不准确,此间距中的条纹数未数清。
(2024·河北·历年真题)某同学通过双缝干涉实验测量单色光的波长,实验装置如图1所示,其
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中测量头包括毛玻璃、游标尺、分划板、手轮、目镜等。
该同学调整好实验装置后,分别用红色、绿色滤光片,对干涉条纹进行测量,并记录第一条和第六条亮纹中心位置对应的游标尺读数,如表所示:
单色光类别 |
|
|
单色光1 | 10.60 | 18.64 |
单色光2 | 8.44 | 18.08 |
根据表中数据,判断单色光1为__________(填“红光”或“绿光”)。
答案 绿光
解析 根据,可得
由图表代入数据可知 mm=1.608 mm,
mm=1.928 mm
故,则
已知绿光的波长小于红光波长,则单色光1是绿光。
(2025·湖南常德·联考题)某同学利用如图所示装置测量某种单色光波长。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。回答下列问题:
(1)关于本实验下列说法正确的是________。
A.若照在毛玻璃屏上的光很弱或不亮,可能是因为光源、单缝、双缝与遮光筒不共轴所致
B.A处为单缝、B处为双缝、滤光片在A和B之间
C.A处为单缝、B处为双缝、滤光片在凸透镜和A之间
D.若想增加从目镜中观察到的条纹个数,可以换用间距更小的双缝
(2)某次测量时,选用的双缝的间距为0.4 mm,测得屏与双缝间的距离为0.5 m,用某种单色光实验得到的干涉条纹如图所示,分划板在图中A、B位置时游标卡尺的读数也如图中所示,则A位置对应的读数为
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________ mm。B位置对应的读数为15.6 mm,则所测单色光的波长约为________ nm(结果保留整数部分)。
(3)若某次实验观察到的干涉条纹与分划板的中心刻线不平行,如图所示,在这种情况测量相邻条纹间距Δx,则波长λ的测量值________(填“大于”“小于”或“等于”)实际值。
答案 (1)AC (2)10.9 624 (3)大于
解析 (1)该实验中若照在毛玻璃屏上的光很弱或不亮,可能是因为光源、单缝、双缝与遮光筒不共轴所致,故A正确;为获取两个单色线光源,A处应为单缝、B处应为双缝,滤光片在凸透镜和A之间,故B错误,C正确;若想增加从目镜中观察到的条纹个数,则条纹间距Δx将减小,根据相邻亮条纹间的距离为Δx=可知,应使用间距更大的双缝,故D错误。
(2)该游标卡尺的精度为0.1 mm,则在A位置时游标卡尺读数为xA=10 mm+9×0.1 mm=10.9 mm,相邻条纹间距Δx= mm=0.78 mm,由Δx=
可得所测单色光的波长为λ=
=
m=6.24×10-7 m=624 nm。
(3)若某次实验观察到的干涉条纹与分划板的中心刻线不平行,在这种情况测量相邻条纹间距Δx时,将导致测量值Δx大于实际值,由λ=知,λ的测量值也将大于实际值。
注意事项
1.透镜的作用是使射向单缝的光更集中。
2.注意调节光源的高度和角度,使它发出的光束能够沿着遮光筒的轴线把屏照亮。
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