高中物理沪教版（2019）选择性必修一 课件 4.4 用双缝干涉仪测量光的波长(共24张PPT)

(共24张PPT)
第四章 光及其应用
4.用双缝干涉仪测量光的波长
新课引入
1801年，托马斯·杨虽然成功地做了证实光的波动说的双缝干涉实验，但并没有被科学界所承认。
有一位牛顿微粒学说派的学术权威说，托马斯·杨的实验“没有任何价值”、“称不上实验”，干涉原理“荒唐”和“不合逻辑”……
托马斯·杨并没有因这些攻击而气馁，仍坚持他的研究，并于1803年，第一次用这个实验测出了光波的波长，再次肯定了光的波动性。
本节将采用与托马斯·杨类似的实验方法，测量光波的波长。
学习使用双缝干涉仪
一
知能提升
双缝
S1
S2
屏幕
什么是干涉条纹的间距(条纹宽度)
x
x
条纹间距的含义：相邻亮纹和亮纹之间的距离或暗纹和暗纹之间的距离叫做条纹间距。
我们所说的亮纹是指最亮的地方，暗纹是最暗的地方，从最亮到最暗有一个过渡，条纹间距实际上是最亮与最亮或最暗与最暗之间的距离。
测量波长公式的推导
二
知能提升
如图所示，双缝间距为d，双缝到屏的距离为l。双缝S1、S2的连线的中垂线与屏的交点为P 。对屏上与P距离为x的一点 P1，两缝与P1的距离P1 S1＝r1， P1 S2＝r2。
S1
S2
P1
P
l
d
x
r2
r1
M
当两列波的路程差为波长的整数倍，即
相邻两个明(或暗)条纹之间的距离为：
在线段P1 S2上作P1 M＝ P1 S1，则S2M＝r2－r1，
因d l，三角形S1S2M可看做直角三角形
有：r2－r1＝dsin θ(令∠S2S1M＝θ) ①
另：x＝l tan θ≈lsin θ ②
时才会出现亮条纹，
亮条纹位置为：
（1）用双缝干涉实验装置测量光的波长；
（2）学习测量微小距离的方法。
实验目的：
实验器材：
用双缝干涉测量光的波长
三
单色光通过单缝后，经双缝产生稳定的干涉图样，图样中相邻两条亮（暗）纹间的距离x与双缝间的距离d、双缝到屏的距离L、单色光的波长λ之间满足：
， 转换得到公式：
实验原理与设计：
实验步骤：
(1)如图所示，在光具座上把各光学元件装配好。从遮光筒上取下双缝，打开电源，调节光源的高度，直到光束能沿遮光筒的轴线射到毛玻璃屏的中心。放上单缝和双缝，使它们的距离为5 ~10 cm，并保持缝相互平行。注意各光学元件中心应大致位于遮光筒的轴线上。
(2)观察光屏上的白光干涉条纹的特点。给光源加上不同的滤光片，看条纹的色彩、间距发生了什么变化，相邻亮条纹（或暗条纹）的间距是否相等。
(3)l 的测量：双缝到屏的距离l 可以用刻度尺测出。d 的测量：在双缝上读出
(4)转动手轮，分划板会左右移动。测量时，应使分划板的中心刻线与条纹的中心对齐（如图所示），记下此时手轮上的读数。然后转动测量头，使分划板中心刻线与另一条纹的中心对齐，再次记下手轮上的读数。两次读数之差表示这两个条纹间的距离 。
分划板中心刻线
为了减小测量误差，可测多个亮条纹间的距离，再求出相邻两个条纹间的距离。例如，可测出 n 个亮条纹间的距离 a，再求出相邻两个亮条纹间的距离 。
第1条亮纹的示数
第n条亮纹的示数
设计表格记录实验数据。d 是已知的，l 和 n 条亮条纹间的距离 a 是直接测量值。
由
可以求出相邻两个亮条纹间的距离 。
最后，根据
算出波长。
注意事项：
实验前先取下双缝，打开光源，调节光源的高度和角度，使它发出的光束沿着遮光筒的轴线把屏照亮。然后放好单缝和双缝。注意使单缝与双缝相互平行，尽量使缝的中点位于遮光筒的轴线上。
红
双缝到屏的距离L
n条亮(或暗)条纹的距离a
(1)若测定红光的波长，应选用____色的滤光片.实验时需要测定的物理量有：_________________________和________________________________.
例.在“用双缝干涉测光的波长”的实验中，装置如下图所示。双缝间的距离d=3 mm.
典例精析
(2)若测得双缝与屏之间距离为0.70 m，通过测量头(与螺旋测微器原理相似，手轮转动一周，分划板前进或后退0.500 mm)观察到第1条亮纹的位置如下图(a)所示，观察第5条亮纹的位置如下图(b)所示.则可求出红光的波长λ=_________m.(保留一位有效数字)
示数为0
0.650mm
7×10-7
一、学习使用双缝干涉仪
二、测量波长公式的推导
课堂小结
三、实验原理与设计
四、实验步骤与数据分析
1.(多选)某同学在做双缝干涉实验时，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.滤光片、单缝、双缝的中心在同一高度
C.单缝与双缝不平行
D.光源发出的光束太强
解析：光束的中央轴线与遮光筒的轴线不一致，单、双缝不平行都可能造成看不到干涉图样。选项A、C正确。
AC
跟踪练习
2.(多选)某同学按实验装置安装好仪器后，观察光的干涉现象，获得成功。若他在此基础上对仪器的安装有如下改动，则仍能使实验成功的是(　 　)
A.将遮光筒的光屏向靠近双缝的方向移动少许，其他不动
B.将滤光片移至单缝和双缝之间，其他不动
C.将单缝向双缝移动少许，其他不动
D.将单缝与双缝的位置互换，其他不动
解析：干涉条纹是双缝发出的光叠加的结果，双缝后面的区域处处存在光，所以移动光屏或改变单缝与双缝间距，条纹仍然形成，故A、C正确；将滤光片移至单缝和双缝之间，照到双缝上的光仍是振动情况完全一样的光源，故B正确；将单缝与双缝的位置互换，失去了产生干涉的条件，故D错误。
ABC　
3.在杨氏双缝干涉实验中，如果（ ）
A.用白光作为光源， 屏上将呈现黑白相间的条纹
B.用红光作为光源， 屏上将呈现红黑相间的条纹
C.用红光照射一条狭缝，用紫光照射另一条狭缝，屏上将呈现彩色条纹
BD
解析：白光作杨氏双缝干涉实验，屏上将呈现彩色条纹，A错；用红光作光源，屏上将呈现红色亮条纹与暗条纹（即黑条纹）相间，B对；红光和紫光频率不同，不能产生干涉条纹，C错。
4.双缝干涉测光的波长的实验装置如图甲所示，已知单缝与双缝间的距离l1=100 mm,双缝与屏的距离l2=700 mm，双缝间距d=0.25 mm。用测量头来测量亮纹中心的距离。测量头由分划板、目镜、手轮等构成，转动手轮，使分划板左右移动，让分划板的中心刻线对准亮纹的中心(如图乙所示)，记下此时手轮上的读数，转动测量头，使分划板中心刻线对准另一条亮纹的中心，记下此时手轮上的读数。
(1)分划板的中心刻线分别对准第1条和第4条亮纹的中心时，手轮上的读数如图丙所示，则对准第1条时读数x1=　　　　 mm，对准第4条时读数x2=　　　　 mm。
(2)写出计算波长λ的表达式，λ=　　(用符号表示)，λ=　　　 m。
解析：(1)读数x1=2 mm+0.01×19.0 mm=2.190 mm，
x2=7.5 mm+0.01×37.0 mm=7.870 mm。
(2)相邻两亮条纹中心间距Δx=由Δx=λ
可得λ=Δx· m=6.762×10-7 m。
答案:(1)2.190　7.870　(2)　6.762×10-7
5.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=0.20 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。
甲
(1)已知测量头主尺的最小刻度是毫米，副尺上有50分度。某同学调整手轮后，从测量头的目镜看去，第一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。
乙
丙
15.02
(2)利用上述测量结果，经计算可得两个相邻明纹(或暗纹)间的距离Δx=　　mm;这种色光的波长λ=　　　　nm。
解析:由题图知，4号条纹移动了6个条纹间距的宽度，
则有Δx= mm=2.31 mm；
再由Δx=λ，可求出 λ= mm=6.6×102 nm。
2.31
6.6×102
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