4實驗:用雙縫干涉測量光的波長,【實驗目的】1.理解雙縫干涉的原理,能安裝和調(diào)試儀器。2.掌握明條紋(或暗條紋)間距的計算公式及推導過程。3.觀察雙縫干涉圖樣,掌握實驗方法。,【實驗原理】1.相鄰明紋(或暗紋)間的距離x與入射光波長之間的定量關系:,如圖所示,雙縫間距d,雙縫到屏的距離l。雙縫S1、S2的連線的中垂線與屏的交點為P0。對屏上與P0距離為x的一點P,兩縫與P的距離PS1=r1,PS2=r2。在線段PS2上作PM=PS1,則S2M=r2-r1,因dl,三角形S1S2M可看作直角三角形。有:r2-r1=dsin(令S2S1M=),因為xltanlsin由得r2-r1=若P處為亮紋,則=k(k=0,1,2),解得:x=(k=0,1,2),相鄰兩亮紋或暗紋的中心間距:,2.干涉圖樣的獲得:光源發(fā)出的光經(jīng)濾光片成為單色光,單色光通過單縫后相當于線光源,經(jīng)雙縫后產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉圖樣,通過屏可以觀察到明暗相間的干涉條紋,如果用白光通過雙縫可以觀察到彩色條紋。,3.光的波長的測定:若雙縫到屏的距離用l表示,雙縫間的距離用d表示,相鄰兩條亮紋間的距離用x表示,則入射光的波長為實驗中d是已知的,測出l、x即可測出光的波長。,4.測量x的方法:測量頭由分劃板、目鏡、手輪等構成,如圖甲所示,測量時先轉(zhuǎn)動測量頭,讓分劃板中心刻線與干涉條紋平行,然后轉(zhuǎn)動手輪,使分劃板向左(或向右)移動至分劃板的中心刻線與條紋的中心對齊,記下此時讀數(shù),再轉(zhuǎn)動手輪,用同樣的方法測出n個亮紋間的距離a,則可求出相鄰兩亮紋間的距離,【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,另外還有學生電源,導線、刻度尺。,【實驗過程】一、實驗步驟1.按照如圖所示的裝置安裝好儀器,調(diào)整光源的位置,使光源發(fā)出的光能平行地進入遮光筒并照亮光屏。(也可直接用雙縫干涉儀),2.放置單縫和雙縫,使縫相互平行,調(diào)整各部件的間距,觀察白光的雙縫干涉圖樣。,3.在光源和單縫間放置濾光片,使單一顏色的光通過后觀察單色光的雙縫干涉圖樣。4.用米尺測出雙縫到屏幕的距離l。5.安裝測量頭,調(diào)節(jié)至可清晰觀察到干涉條紋。,6.調(diào)節(jié)測量頭,使分劃板中心刻度線對齊第1條亮條紋的中心,記下手輪上的刻度數(shù)a1,轉(zhuǎn)動手輪,使分劃板向一側(cè)移動,當分劃板中心刻度線與第n條相鄰的明條紋中心對齊時,記下手輪上的刻度數(shù)a2,則相鄰兩條紋間的距離7.換用不同顏色的濾光片,觀察干涉圖樣的異同,并求出相應的波長。,二、數(shù)據(jù)處理用刻度尺測量出雙縫到光屏間的距離l,根據(jù)已知的d,由公式計算波長。重復測量、計算,求出波長的平均值。,【實驗探究】1.根據(jù)改變什么條件可以增大相鄰亮條紋的距離以便于測量?在你的實驗器材中,哪些條件容易改變,哪些難以改變?提示:據(jù)知,要增大相鄰亮紋間的距離x,可以通過(1)減小雙縫間距離d,(2)增大雙縫到屏的距離l,(3)增大光的波長。(1)(3)容易改變,(2)難以改變。,2.白光是復色光,是由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種單色光復合而成的,從紅到紫七種單色光的波長越來越短。(1)在實驗中,若用白光作光源,得到的干涉圖樣有什么特點?(2)中央亮紋為什么是白色?(3)其他亮紋中為什么紅色在最外側(cè),紫色在最內(nèi)側(cè)?,提示:(1)若用白光作光源,則干涉條紋是彩色條紋,且中央亮紋是白色的。(2)從雙縫射出的兩列光波中,各種色光都能形成明暗相間的條紋,各種色光都在中央條紋處形成亮條紋,從而復合成白色條紋。(3)兩側(cè)條紋間距與各色光的波長成正比,即紅色光的亮條紋間的寬度最大,紅色在亮紋的最外側(cè),紫色光的亮條紋間的寬度最小,紫色在亮紋的最內(nèi)側(cè),即除中央條紋以外的其他條紋不能完全重合,這樣就形成了彩色干涉條紋。,3.在用雙縫干涉測量光的波長的實驗中,如何測量相鄰條紋之間的間距x?提示:相鄰兩條紋間距x是兩條紋中心間的距離,這個距離比較小,如果直接測量則誤差太大,可以先測出n個條紋間的距離a,然后取平均值求出x,即x=,則有利于減小測量誤差。,類型1實驗器材的安裝與使用【典例1】(多選)某同學在做“雙縫干涉實驗”時,按裝置圖安裝好實驗裝置,在光屏上卻觀察不到干涉圖樣,這可能是由于()A.光束的中央軸線與遮光筒的軸線不一致,相差較大B.沒有安裝濾光片C.單縫與雙縫不平行D.光源發(fā)出的光束太強,【解析】選A、C。安裝實驗器件時要注意:光束的中央軸線與遮光筒的軸線要重合,光源與光屏正面相對,濾光片、單縫和雙縫要在同一高度,中心位置在遮光筒軸線上,單縫與雙縫要相互平行,才能使實驗成功。當然還要使光源發(fā)出的光束不致太暗。據(jù)以上分析,可知選項A、C正確。,類型2數(shù)據(jù)處理【典例2】(2018溫州高二檢測)在“用雙縫干涉測量光的波長”實驗中,選用紅色濾光片和間距為0.20mm的雙縫,雙縫與屏的距離為600mm,某同學正確操作后,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,使測量頭分劃板刻線與第k級暗條紋中心對齊,在目鏡中觀測到的是圖乙中的(填字母),此時測量頭的讀數(shù)為25.70mm。沿同一方向繼續(xù)移動測量頭使分劃板刻線與第k+5級暗條紋中心對齊,此時測量頭標尺如圖丙所示,其讀數(shù)是mm,紫光的波長等于nm。,【解析】換上紫光濾光片后,由干涉條紋間距可知,其他條件不變情況下,間距變密,分劃板刻線應該在正中央,所以為D。根據(jù)游標卡尺讀數(shù)為19.40mm。平均條紋間隔x=mm=1.26mm,所以紫光的波長為=m=4.210-7m=420nm。答案:D19.40420,類型3創(chuàng)新實驗設計【典例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(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(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(選填“大”或“小”)。(4)實驗時觀察到光屏上呈現(xiàn)明暗相間的條紋,試運用波動理論對明紋的形成予以解釋。答:。,【解析】(1)根據(jù)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)知,用藍色光照射條紋間距比用紅色光小;(4)同一色光透過雙縫的光形成相干光源,在光屏相遇,有的區(qū)域光振動加強,有的區(qū)域光振動減弱,光振動加強區(qū)域呈現(xiàn)明紋。答案:(1)越大(2)越大(3)小(4)見解析,