高二物理 選擇性必修一 實驗：用雙縫干涉測量光的波長（教學(xué)設(shè)計）

1、 第四章光第4節(jié)實驗：用雙縫干涉測量光的波長授課人：紅嶺中學(xué)（集團）高中部 劉超教材分析本節(jié)課程是在認識了光的波粒二象性，知道了楊氏雙縫干涉實驗基礎(chǔ)上的應(yīng)用，通過研究干涉條紋的特點，知道干涉條紋的間距，從而得出，知道表達式中各參數(shù)代表的物理意義，并能夠使用游標卡尺或螺旋測微器測量條紋的寬度。教學(xué)目標與核心素養(yǎng)【物理觀念】通過楊氏雙縫干涉實驗的結(jié)論求解不同頻率色光的波長；【科學(xué)思維】通過公式，求出，清楚公式中各物理參數(shù)的意義；【科學(xué)探究】通過實驗進行探究或驗證，對物體雙縫干涉加深理解；【科學(xué)態(tài)度與責(zé)任】充分體會物理與數(shù)學(xué)的關(guān)聯(lián)性，知道物理是一門實驗科學(xué)需要數(shù)學(xué)理論的支持，在清楚學(xué)習(xí)物理時實驗的重

2、要性的同時，也要體會數(shù)理不分家的學(xué)習(xí)理念。教學(xué)重難點【教學(xué)重點】實驗中各參數(shù)的物理意義、通過游標卡尺或螺旋測微器測量條紋間距；【教學(xué)難點】實驗數(shù)據(jù)分析。教學(xué)過程復(fù)習(xí)實驗原理。思考： 1、怎樣才能得到雙縫干涉條紋? 2、測量波長需要測量哪些量?需要用什么器材測量? 3、怎樣增大(或減小)亮條紋的寬度? 4、換用不同顏色的濾光片進行實驗，干涉條紋間的距離怎樣變化? 5、實驗過程中應(yīng)記錄的數(shù)據(jù)有哪些? 6、白光的干涉條紋有什么特點?用白光實驗時會存在什么問題?【進行新課】探究點一、實驗器材雙縫干涉儀，即光具座、光源、濾光片、單縫、雙縫、遮光筒、毛玻璃屏、測量頭。另外，還有學(xué)生電源、導(dǎo)線、刻度尺等。實

3、驗：光源發(fā)出的光經(jīng)濾光片（裝在單縫前）成為單色光，把單縫照亮。單縫相當(dāng)于一個線光源，它又把雙縫照亮。來自雙縫的光在雙縫右邊的空間發(fā)生干涉。遮光筒的一端裝有毛玻璃屏，我們可以在這個屏上觀察到干涉條紋，并由 x 計算出光的波長。透鏡的作用是使射向單縫的光更集中。組裝實驗儀器：探究點二、物理量的測量實驗：根據(jù) x可知，本實驗需要測量的物理量是雙縫到屏的距離 l 和相鄰兩條亮條紋間的距離x（雙縫間的距離 d 已知）。具體操作如下。l 的測量 雙縫到屏的距離 l 可以用刻度尺測出。 x 的測量 相鄰兩條亮條紋間的距離x 需用測量頭測出。測量頭通常有兩（圖 ），但都由分劃板、目鏡、手輪等構(gòu)成。轉(zhuǎn)動手輪，分

4、劃板會左右移動。測量頭測量時，應(yīng)使分劃板的中心刻線與條紋的中心對齊（圖 ），記下此時手輪上的讀數(shù)。然后轉(zhuǎn)動測量頭，使分劃板中心刻線與另一條紋的中心對齊，再次記下手輪上的讀數(shù)。兩次讀數(shù)之差表示這兩個條紋間的距離 x。為了減小測量誤差，可測多個亮條紋間的距離，再求出相鄰兩個條紋間的距離。例如，可測出 n 個亮條紋間的距離 a，再求出相鄰兩個亮條紋間的距離 x 。分劃板中心刻線探究點三、進行實驗實驗前先取下雙縫，打開光源，調(diào)節(jié)光源的高度和角度，使它發(fā)出的光束沿著遮光筒的軸線把屏照亮。然后放好單縫和雙縫。注意使單縫與雙縫相互平行，盡量使縫的中點位于遮光筒的軸線上。做好以上調(diào)整后，在單縫與光源之間放上濾

5、光片就可以觀察到單色光的雙縫干涉圖樣（圖 ）。測量雙縫到屏的距離 l 和相鄰兩條亮條紋間的距離x。分別改變?yōu)V光片的顏色和雙縫的距離，觀察干涉條紋的變化，并求出相應(yīng)的波長。不同雙縫、不同色光的雙縫干涉條紋探究點四、數(shù)據(jù)分析設(shè)計表格記錄實驗數(shù)據(jù)。d 是已知的，l 和 n 個亮條紋間的距離 a 是直接測量值。由 x 可以求出相鄰兩個亮條紋間的距離x。最后，根據(jù) x算出波長。注意事項：1放置單縫和雙縫時，必須使縫平行2要保證光源、濾光片、單縫、雙縫和光屏的中心在同一條軸線上3測量頭的中心刻線要對應(yīng)著亮(或暗)紋的中心4要多測幾個亮紋(或暗紋)中心間的距離，再求x.誤差分析：1(1)測雙縫到屏的距離l帶

6、來的誤差，可通過選用mm刻度尺，進行多次測量求平均值的辦法減小誤差(2)通過測量多條亮條紋間的距離來減小測量誤差2測條紋間距x帶來的誤差(1)干涉條紋沒有調(diào)到最清晰的程度(2)分劃板刻線與干涉條紋不平行，中心刻線沒有恰好位于條紋中心(3)測量多條亮條紋間距離時讀數(shù)不準確拓展學(xué)習(xí)用光傳感器做雙縫干涉的實驗用光傳感器可以更方便地演示雙縫干涉現(xiàn)象。圖是實驗裝置圖（實驗在暗室中進行）。光源在鐵架臺的最上端，中間是刻有雙縫的擋板，下面是光傳感器。這個實驗的光路是自上而下的。圖中帶有白色狹長矩形的小盒是光傳感器，沿矩形的長邊分布著許多光敏單元。傳感器各個光敏單元得到的光照信息經(jīng)計算機處理后，在顯示器上顯示

7、出來。根據(jù)顯示器上干涉圖像的條紋間距，可以算出光的波長。 與右圖的方法相比，這種方法除了同樣可以測量條紋間距外，它還可以方便、形象地展示亮條紋的分布，并能測出傳感器上各點的光照強度。 用傳感器和計算機觀察雙縫干涉的實驗裝置 不同雙縫、不同色光的雙縫干涉條紋例題講解：例1.某同學(xué)利用雙縫干涉實驗裝置測定某一光的波長，已知雙縫間距為d，雙縫到屏的距離為L， 將測量頭的分劃板中心刻線與某一亮條紋的中心對齊，并將該條紋記為第一亮條紋，其示數(shù)如圖所示，此時的示數(shù)x1=0.766mm。然后轉(zhuǎn)動測量頭，使分劃板中心刻線與第n亮條紋的中心對齊，測出第n亮條紋示數(shù)為x2。由以上數(shù)據(jù)可求得該光的波長表達式=（用給

8、出的字母符號表示）。例2（多選）在楊氏雙縫干涉實驗中，如果（ BD ）A.用白光作為光源， 屏上將呈現(xiàn)黑白相間的條紋B.用紅光作為光源， 屏上將呈現(xiàn)紅黑相間的條紋C.用紅光照射一條狹縫，用紫光照射另一條狹縫，屏上將呈現(xiàn)彩色條紋D.用紫光作為光源，遮住其中一條狹縫，屏上將呈現(xiàn)間距不等的條紋解析：白光作楊氏雙縫干涉實驗，屏上將呈現(xiàn)彩色條紋，A錯用紅光作光源，屏上將呈現(xiàn)紅色兩條紋與暗條紋（即黑條紋）相間，B對；紅光和紫光頻率不同，不能產(chǎn)生干涉條紋，C錯；紫光作光源，遮住一條狹縫，屏上出現(xiàn)單縫衍射條紋，即間距不等的條紋，D對。例3.在“用雙縫干涉測光的波長” 的實驗中，裝置如圖，雙縫間的距離d=3mm

9、（1）若測定紅光的波長，應(yīng)選用 紅色的濾光片，實驗時需要測定的物理量有： 雙縫到屏的距離和 n條條紋間距a。（2）若測得雙縫與屏之間距離0.70m，通過測量頭（與螺旋測微器原理相似，手輪轉(zhuǎn)動一周，分劃板前進或后退0.500mm）觀察第1條亮紋的位置如圖（a）所示，觀察第5條亮紋的位置如圖（b）所示，則可求出紅光的波長=710-7 m.（保留一位有效數(shù)字）課堂練習(xí)1、(1)如圖所示，在“用雙縫干涉測光的波長”實驗中，光具座上的光學(xué)元件依次為光源、濾光片、_單縫、_雙縫_、遮光筒、光屏其中，雙縫的作用是：得到相干光源_.(2)本實驗的步驟有：調(diào)節(jié)單縫與雙縫的間距為510 cm，并使單縫與雙縫相互平

10、行；按合理順序在光具座上放置各光學(xué)元件，并使各元件的中心位于遮光筒的軸線上；取下遮光筒右側(cè)的元件，打開光源，調(diào)節(jié)光源高度，使光束能直接沿遮光筒軸線把屏照亮；用米尺測出雙縫到屏的距離；用測量頭(讀數(shù)方法同螺旋測微器)測量數(shù)條亮紋間的距離；將測得的數(shù)據(jù)代入公式求出光的波長以上步驟合理的順序是(只填步驟代號)2用雙縫干涉實驗裝置得到白光的干涉條紋，在光源與單縫之間加上紅色濾光片后( D)A干涉條紋消失B彩色條紋中的紅色條紋消失C中央條紋變成暗條紋D中央條紋變成紅色3在觀察光的干涉現(xiàn)象的實驗中，將兩片刀片合在一起，在涂有墨汁的玻璃片上劃出不同間隙的雙縫；按如圖所示的方法，讓激光束通過自制的雙縫(1)保

11、持縫到光屏的距離不變，換用不同間隙的雙縫，雙縫的間隙越小，屏上明暗相間的條紋間距_越大_(選填“越大”或“越小”)(2)保持雙縫的間隙不變，光屏到縫的距離越大，屏上明暗相間的條紋間距_越大_(選填“越大”或“越小”) .(3)在狹縫間的距離和狹縫與屏的距離都不變的條件下，用不同顏色的光做實驗，發(fā)現(xiàn)用藍色光做實驗在屏上明暗相間的條紋間距比用紅色光做實驗時_小_(選填“大”或“小”)解析：(1)根據(jù)x eq f(l,d)知，d越小，x越大；(2)l越大，x越大；(3)紅色光的波長長，藍色光的波長短，根據(jù)xeq f(l,d)知，用藍色光照射條紋間距比用紅色光小4某同學(xué)利用圖示裝置測量某種單色光的波長

12、實驗時，接通電源使光源正常發(fā)光；調(diào)整光路，使得從目鏡中可以觀察到干涉條紋回答下列問題：(1)若想增加從目鏡中觀察到的條紋個數(shù)，該同學(xué)可_B_A將單縫向雙縫靠近B將屏向靠近雙縫的方向移動C將屏向遠離雙縫的方向移動D使用間距更小的雙縫(2)若雙縫的間距為d，屏與雙縫間的距離為l，測得第1條暗條紋到第n條暗條紋之間的距離為x，則單色光的波長eq f(xd,n1l) .(3)某次測量時，選用的雙縫的間距為0.300 mm，測得屏與雙縫間的距離為1.20 m，第1條暗條紋到第4條暗條紋之間的距離為7.56 mm.則所測單色光的波長為_630_nm(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)解析：(1)xeq f(l,d)，因為x越小，目鏡中觀察到的條紋數(shù)越多，將單縫向雙縫靠近，對條紋個數(shù)無影響，A錯誤；如l減小，則條紋個數(shù)增多，B正確，C錯誤；若d減小，則條紋個數(shù)減少，D錯誤(2)相鄰兩條暗條紋之間的距離是x0eq f(x,n1)，由公式得x0eq f(l,d)，所以eq f(xd,n1l).(3)把各數(shù)據(jù)代入波長公式，有：eq f(0.3001037.56103,31.20) m6.30107 m630 nm.5某同學(xué)在用雙縫干涉測光的波長的實驗中，實驗裝置如圖所示。使用的雙縫的間距為0.025