人教版選修34 實(shí)驗(yàn)：用雙縫干涉測(cè)量光的波長(zhǎng) 第1課時(shí) 教案.doc

134實(shí)驗(yàn)：用雙縫干涉測(cè)量光的波長(zhǎng)教學(xué)目標(biāo)：（一）知識(shí)與技能1、掌握明條紋（或暗條紋）間距的計(jì)算公式及推導(dǎo)過(guò)程。2、觀察雙縫干涉圖樣，掌握實(shí)驗(yàn)方法。（二）過(guò)程與方法培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和分析處理“故障”的能力。（三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀體會(huì)用宏觀量測(cè)量微觀量的方法，對(duì)學(xué)生進(jìn)行物理方法的教育。教學(xué)重點(diǎn)：雙縫干涉測(cè)量光的波長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)操作。教學(xué)難點(diǎn)：、l、d、的準(zhǔn)確測(cè)量。教學(xué)方法： 復(fù)習(xí)提問(wèn)，理論推導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)探究。教學(xué)用具：雙縫干涉儀、光具座、光源、學(xué)生電源、導(dǎo)線、濾光片、單縫、雙縫、遮光筒、毛玻璃屏、測(cè)量頭、刻度尺教學(xué)過(guò)程：（一）復(fù)習(xí)提問(wèn)，引入新課提問(wèn)：在雙縫干涉現(xiàn)象中，明暗條紋出現(xiàn)的位置有何規(guī)律？學(xué)生回答：當(dāng)屏上某點(diǎn)到兩個(gè)狹縫的路程差=2n，n=0、1、2時(shí)，出現(xiàn)明紋；當(dāng)=（2n+1） ，n=0、1、2時(shí)，出現(xiàn)暗紋。教師：那么條紋間距與波長(zhǎng)之間有沒(méi)有關(guān)系呢？下面我們就來(lái)推導(dǎo)一下。（二）新課教學(xué)1、實(shí)驗(yàn)原理 說(shuō)明：每條縫的縫款跟兩縫之間的距離d相比可以忽略不計(jì)。 設(shè)兩縫之間的距離為d，縫中心和屏之間的距離為l，條紋寬度為x，光波波長(zhǎng)為，則d、l、x、之間有什么關(guān)系？推導(dǎo)： 設(shè)p1s1r1p1s2r2在p2s2上截取p1mr1 則s2mr2r1 兩縫之間的距離遠(yuǎn)小于縫到屏之間的距離 s1s2m可以看成是直角 r2r1dsin 又x=lsin r2r1dx/l 當(dāng)波程差為波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，才能出現(xiàn)亮條紋 dx/lk xkl/d. 當(dāng)波程差為波長(zhǎng)的k倍時(shí)出現(xiàn)第k個(gè)亮條紋 xkx. 根據(jù)得：xl/d 教師：改變什么條件可以增大相鄰亮條紋之間的距離以便于測(cè)量？不同顏色的單色光的干涉條紋會(huì)有什么不同？學(xué)生：減小兩縫之間的距離，增大縫到屏之間的距離，增大光波波長(zhǎng)。在d、l相同的情況下，越大，x也越大。 2、觀察雙縫干涉圖樣（教師指導(dǎo)學(xué)生按步驟進(jìn)行觀察，也可引導(dǎo)學(xué)生先設(shè)計(jì)好步驟，分析研究后再進(jìn)行，教師可將實(shí)驗(yàn)步驟投影）步驟：（1）按課本圖13.42，將光源、單縫、遮光管、毛玻璃屏依次安放在光具座上。（2）接好光源，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，使燈絲正常發(fā)光；（3）調(diào)節(jié)各器件的高度，使光源燈絲發(fā)出的光能沿軸線到達(dá)光屏；（4）安裝單縫和雙縫，使雙縫與單縫平行，二者間距約510 cm.；（5）在單縫和光源間放上濾光片，觀察單色光的干涉條紋。（6）拿走濾光片，觀察白光的干涉條紋。（教師指導(dǎo)學(xué)生分別觀察紅色、紫色等不同顏色的單色光的干涉圖樣，比較不同色光干涉條紋寬度，與課本彩圖13.43對(duì)照，得出結(jié)論：紅光干涉條紋間距大于紫光干涉條紋間距（注意其他條件相同，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)）。對(duì)于同種色光，改變雙縫間距d，得出結(jié)論：雙縫間距d越小，條紋間距越大。 3、測(cè)定單色光的波長(zhǎng)（教師指導(dǎo)學(xué)生按步驟進(jìn)行測(cè)量，也可引導(dǎo)學(xué)生先設(shè)計(jì)好步驟，分析研究后再進(jìn)行，教師可將實(shí)驗(yàn)步驟投影）步驟：（1）安裝測(cè)量頭，調(diào)節(jié)至可清晰觀察到干涉條紋；（2）使分劃板中心刻線對(duì)齊某條（記為第1條）亮條紋的中央，記下手輪上的讀數(shù)a1，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使分劃板中心刻線移動(dòng)，當(dāng)中心刻線與第n條亮紋中央對(duì)齊，記下移動(dòng)的條紋數(shù)n和移動(dòng)后手輪的讀數(shù)a2，則相鄰兩條紋間的距離。（3）用刻度尺測(cè)量雙縫到光屏間距離l；（4）用游標(biāo)卡尺測(cè)量雙縫間距d（這一步也可省去，d在雙縫玻璃上已標(biāo)出）；（5）重復(fù)測(cè)量、計(jì)算，求出波長(zhǎng)的平均值；（6）換用不同濾光片，重復(fù)實(shí)驗(yàn)。說(shuō)明：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中教師要注意指導(dǎo)：（1）雙縫干涉儀是比較精密的實(shí)驗(yàn)儀器，實(shí)驗(yàn)前教師要指導(dǎo)學(xué)生輕拿輕放，不要隨便拆分遮光筒，測(cè)量頭等元件，學(xué)生若有探索的興趣應(yīng)在教師指導(dǎo)下進(jìn)行。（2）濾光片、單縫、雙縫、目鏡等會(huì)粘附灰塵，要指導(dǎo)學(xué)生用擦鏡紙輕輕擦拭，不用其他物品擦拭或口吹氣除塵。（3）指導(dǎo)安裝時(shí)，要求學(xué)生注意調(diào)節(jié)光源、濾光片、單縫、雙縫的中心均在遮光筒的中心軸線上，并使單縫、雙縫平行且豎直，引導(dǎo)學(xué)生分析理由。（4）光源使用線狀長(zhǎng)絲燈泡，調(diào)節(jié)時(shí)使之與單縫平行且靠近。（5）實(shí)驗(yàn)中會(huì)出現(xiàn)像屏上的光很弱的情況，主要是燈絲、單縫、雙縫、測(cè)量頭與遮光筒不共軸線所致；干涉條紋的清晰與否與單縫和雙縫是否平行很有關(guān)系。因此（3）（4）兩步要求應(yīng)在學(xué)生實(shí)驗(yàn)中引導(dǎo)他們分析，培養(yǎng)分析問(wèn)題的能力。（6）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生還會(huì)遇到各種類似“故障”，教師要鼓勵(lì)他們分析查找原因。典例1(福建高考)在“用雙縫干涉測(cè)光的波長(zhǎng)”實(shí)驗(yàn)中(實(shí)驗(yàn)裝置如圖)：(1)下列說(shuō)法哪一個(gè)是錯(cuò)誤的_。(填選項(xiàng)前的字母)a調(diào)節(jié)光源高度使光束沿遮光筒軸線照在屏中心時(shí)，應(yīng)放上單縫和雙縫b測(cè)量某條干涉亮紋位置時(shí)，應(yīng)使測(cè)微目鏡分劃板中心刻線與該亮紋的中心對(duì)齊c為了減少測(cè)量誤差，可用測(cè)微目鏡測(cè)出n條亮紋間的距離a，求出相鄰兩條亮紋間距x(2)測(cè)量某亮紋位置時(shí)，手輪上的示數(shù)如圖，其示數(shù)為_(kāi)mm。解析(1)在“用雙縫干涉測(cè)光的波長(zhǎng)”實(shí)驗(yàn)中，首先應(yīng)取下遮光筒左側(cè)的元件，調(diào)節(jié)光源高度，使光束直接沿遮光筒軸線把屏照亮，故選項(xiàng)a錯(cuò)誤；根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作原理，可知選項(xiàng)b、c正確。(2)示數(shù)為1.5 mm47.00.01 mm1.970 mm。答案(1)a(2)1.970典例2在“用雙縫干涉測(cè)光的波長(zhǎng)”實(shí)驗(yàn)中，將雙縫干涉實(shí)驗(yàn)儀按要求安裝在光具座上，如圖所示，并選用縫間距d0.20 mm的雙縫屏。從儀器注明的規(guī)格可知，像屏與雙縫屏間的距離l700 mm。然后，接通電源使光源正常工作。(1)已知測(cè)量頭主尺的最小刻度是毫米，副尺上有50分度。某同學(xué)調(diào)整手輪后，從測(cè)量頭的目鏡看去，第一次映入眼簾的干涉條紋如圖甲(a)所示，圖甲(a)中的數(shù)字是該同學(xué)給各暗紋的編號(hào)，此時(shí)圖甲(b)中游標(biāo)尺上的讀數(shù)x11.16 mm；接著再轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，映入眼簾的干涉條紋如圖乙(a)所示，此時(shí)圖乙(b)中游標(biāo)尺上的讀數(shù)x2_ mm。(2)利用上述測(cè)量結(jié)果，經(jīng)計(jì)算可得兩個(gè)相鄰明紋(或暗紋)間的距離x_ mm；這種色光的波長(zhǎng)_ mm。解析(1)由題圖乙(b)可知x215.02 mm；(2)由題圖甲、乙可知，兩位置之間的亮條紋數(shù)為6，所以條紋間距x2.31 mm；又因x，所以6.6104 mm。答案(1)15.02(2)2.316.6104典例3如圖所示為“雙棱鏡干涉”實(shí)驗(yàn)裝置，其中s為單色光光源，a為一個(gè)頂角略小于180的等腰三角形棱鏡，p為光屏。s位于棱鏡對(duì)稱軸上，屏與棱鏡底邊平行。調(diào)節(jié)光路，可在屏上觀察到干涉條紋。這是由于光源s發(fā)出的光經(jīng)棱鏡作用后，相當(dāng)于在沒(méi)有棱鏡時(shí)，兩個(gè)分別位于圖中s1和s2相干光源所發(fā)出的光的疊加(s1和s2的連線與棱鏡底邊平行)。已知s1和s2的位置可由其他實(shí)驗(yàn)方法確定，類比“雙縫干涉測(cè)波長(zhǎng)”的實(shí)驗(yàn)，可以推測(cè)出若要利用“雙棱鏡干涉”測(cè)量光源s發(fā)出的單色光的波長(zhǎng)時(shí)，需要測(cè)量的是什么？解析由x知，若要測(cè)單色光波長(zhǎng)，則需要測(cè)出s1與s2間的距離d，s1或s2到光屏的距離l，干涉條紋間距x。答案s1與s2間的距離，s1或s2與光屏間的距離，干涉條紋間距課堂練習(xí)：1用單色光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，下列說(shuō)法中正確的是()a相鄰干涉條紋之間的距離相等b中央亮條紋寬度是兩邊亮條紋寬度的2倍c屏與雙縫之間距離減小，則屏上條紋間的距離增大d在實(shí)驗(yàn)裝置不變的情況下，紅光的條紋間距小于藍(lán)光的條紋間距解析：選a因?yàn)橄噜弮蓷l亮條紋(或暗條紋)間的距離x，其中d為雙縫間距離，l為雙縫到屏的距離，為光波波長(zhǎng)。對(duì)于同一單色光，干涉條紋間距相等，a正確，c錯(cuò)誤；因?yàn)榧t藍(lán)，所以x紅x藍(lán)，故d錯(cuò)誤；干涉條紋的各亮條紋的間距相等，故b錯(cuò)誤。2在“用雙縫干涉測(cè)量光的波長(zhǎng)”實(shí)驗(yàn)中，選用紅色濾光片和間距為0.20 mm的雙縫，雙縫與屏的距離為600 mm。某同學(xué)正確操作后，在目鏡中看到如圖甲所示的干涉條紋。換成紫色濾光片正確操作后，使測(cè)量頭分劃板刻線與第k級(jí)暗條紋中心對(duì)齊，在目鏡中觀測(cè)到的是圖乙中的_(填字母)，此時(shí)測(cè)量頭的讀數(shù)為25.70 mm。沿同一方向繼續(xù)移動(dòng)測(cè)量頭使分劃板刻線與第k5級(jí)暗條紋中心對(duì)齊，此時(shí)測(cè)量頭標(biāo)尺如圖丙所示，其讀數(shù)是_ mm，紫光的波長(zhǎng)等于_nm。解析：題圖甲為紅光的干涉條紋，換成紫光，光的波長(zhǎng)變短，根據(jù)公式x可知，干涉條紋間距變小，故d正確；游標(biāo)卡尺的主尺讀數(shù)為19 mm，游標(biāo)尺為80.05 mm0.40 mm，所以讀數(shù)為19.40 mm；由公式x可得波長(zhǎng)為，其中x mm，帶入數(shù)據(jù)得波長(zhǎng)為420 nm。答案：d19.4042031801年，托馬斯楊用雙縫干涉實(shí)驗(yàn)研究了光波的性質(zhì)。1834年，洛埃德利用單面鏡同樣得到了楊氏干涉的結(jié)果(稱洛埃德鏡實(shí)驗(yàn))。(1)洛埃德鏡實(shí)驗(yàn)的基本裝置如圖所示，s為單色光源，m為一平面鏡。試用平面鏡成像作圖法畫(huà)出s經(jīng)平面鏡反射后的光與直接發(fā)出的光在光屏上相交的區(qū)域。(2)設(shè)光源s到平面鏡的垂直距離和到光屏的垂直距離分別為a和l，光的波長(zhǎng)為，在光屏上形成干涉條紋。寫(xiě)出相鄰兩條亮條紋(或暗條紋)間距離x的表達(dá)式。解析：(1)根據(jù)平面鏡成像特點(diǎn)(對(duì)稱性)，先作出s在鏡中的像，畫(huà)出邊緣光線，范圍如圖所示。此范圍即為相交區(qū)域。(2)由楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中干涉條紋寬度與雙縫間距、縫屏距離、光波波長(zhǎng)之間的關(guān)系式x，又因?yàn)閐2a，所以x。答案：(1)見(jiàn)解析圖(2)x（三）課堂小結(jié)通過(guò)今天的學(xué)習(xí)，我們掌握了干涉條紋的間距與光的波長(zhǎng)之間的定量關(guān)系，即x=，并利用上式測(cè)量了光的波長(zhǎng)。該實(shí)驗(yàn)為我們提供了一種用宏觀量測(cè)量微觀量的方法。（四）布置作業(yè)1(多選)某同學(xué)在做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，按要求安裝好實(shí)驗(yàn)裝置后，在光屏上卻觀察不到干涉圖樣，這可能是因?yàn)?)a光源發(fā)出的光束太強(qiáng)b單縫與雙縫不平行c沒(méi)有安裝濾光片d光束的中央軸線與遮光筒的軸線不一致，相差較大解析：選bd安裝雙縫干涉儀要做到：光束的中央軸線與遮光筒的軸線重合，光源與光屏正面相對(duì)，濾光片、單縫、雙縫要處在同一高度，中心位置在遮光筒軸線上，單縫與雙縫要相互平行，光源發(fā)出的光束不能太暗。綜上所述，應(yīng)選b、d。2用綠光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，在光屏上呈現(xiàn)出綠、暗相間的條紋，相鄰兩條綠條紋間的距離為x。下列說(shuō)法中正確的有()a如果增大單縫到雙縫間的距離，x將增大b如果增大雙縫之間的距離，x將增大c如果增大雙縫到光屏之間的距離，x將增大d如果減小雙縫的每條縫的寬度，而不改變雙縫間的距離，x將增大解析：選c由公式x可知，當(dāng)兩縫間的距離增大時(shí)，條紋間距將減?。辉龃箅p縫到屏之間的距離，條紋間距將增大。而a、d兩個(gè)選項(xiàng)的變化不會(huì)引起條紋間距的變化。只有c正確。3在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，一鈉燈發(fā)出的波長(zhǎng)為589 nm的光，在距雙縫1.00 m的屏上形成干涉圖樣。圖樣上相鄰兩亮條紋中心間距為0.350 cm，則雙縫的間距為()a2.06107 mb2.06104 mc1.68104 m d1.68103 m解析：選c根據(jù)雙縫干涉圖樣的相鄰兩亮條紋間距公式x，可得：d m1.68104 m，選項(xiàng)c正確，a、b、d錯(cuò)誤。4.某同學(xué)用單色光進(jìn)行雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，在屏上觀察到圖(甲)所示的條紋，僅改變一個(gè)實(shí)驗(yàn)條件后，觀察到的條紋如圖(乙)所示。他改變的實(shí)驗(yàn)條件可能是()a減小光源到單縫的距離b減小雙縫之間的距離c減小雙縫到光屏之間的距離d換用頻率更高的單色光源解析：選b根據(jù)條紋間距公式x可知，若增大條紋間距，可以采取的措施有：換用波長(zhǎng)更長(zhǎng)、頻率更低的單色光源，減小雙縫間的距離d，增大雙縫到屏的距離l，故選項(xiàng)b正確。5用雙縫干涉測(cè)光的波長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)中采用雙縫干涉儀，它包括以下元件：a白熾燈b單縫c光屏d雙縫e濾光片(其中雙縫和光屏連在遮光筒