1、實驗用雙縫干涉測量光波長講解一一 實驗目的實驗目的1.觀察白光及單色光的干涉圖樣觀察白光及單色光的干涉圖樣.2.測定單色光的波長測定單色光的波長.二二 實驗原理實驗原理如下圖所示如下圖所示,與兩縫之間的距離與兩縫之間的距離d相比相比,每個狹縫都很窄每個狹縫都很窄,寬度寬度可以忽略可以忽略,兩縫兩縫S1 S2的連線的中垂線與屏的交點為的連線的中垂線與屏的交點為P0,雙雙縫到屏的距離縫到屏的距離OP0=L.屏上屏上P1與與P0點的距離點的距離x,兩縫到兩縫到P1的距離分別為的距離分別為P1S1=r1,P1S2=r2.在在P1S2上作上作P1M=P1S1,于是于是S2M=r2-r1,由于兩縫之間的距

2、離遠由于兩縫之間的距離遠小于縫到屏的距離小于縫到屏的距離,所以可近似認為三角形所以可近似認為三角形S1S2M是直角三是直角三角形角形,根據三角函數的關系根據三角函數的關系,有有r2-r1=dsin.另一方面另一方面x=LtanLsin.21rrd.dkk0,1,2,3,xk.x.x,x.d,Lx,.xLxLLdLdLddL 因此有當兩列波的路程差為波長的整數倍即時才會出現亮條紋 也就是說 亮條紋中心的位置為相鄰兩個亮條紋或暗條紋的中心間距根據雙縫干涉中條紋間距得已知雙縫間距再測出雙縫到屏的距離 和條紋間距就可以求得光波的波長三三 實驗器材實驗器材光源光源 濾光片濾光片 單縫遮光筒單縫遮光筒 光

3、屏及光具座光屏及光具座,如下圖所示如下圖所示.四四 實驗過程實驗過程1.觀察光的干涉圖樣觀察光的干涉圖樣(1)按照上圖所示的裝置安裝好儀器按照上圖所示的裝置安裝好儀器.(2)接通電源接通電源,閉合開關閉合開關,使燈絲正常發光使燈絲正常發光.(3)調整各器件的高度調整各器件的高度,使光源燈絲發出的光能沿軸線到達光使光源燈絲發出的光能沿軸線到達光屏屏.(4)安裝單縫和雙縫安裝單縫和雙縫,中心大致位于遮光筒的軸線上中心大致位于遮光筒的軸線上,使雙縫與使雙縫與單縫平行單縫平行,兩者之間距離約為兩者之間距離約為5 cm10 cm,這時可觀察白光這時可觀察白光的干涉條紋的干涉條紋.(5)在單縫和光源之間放

4、上濾光片在單縫和光源之間放上濾光片,觀察單色光的干涉條紋觀察單色光的干涉條紋.2.測定單色光的波長測定單色光的波長(1)安裝好測量頭安裝好測量頭 調節至可清晰觀察到干涉條紋調節至可清晰觀察到干涉條紋.(2)條紋間距用測量頭測出條紋間距用測量頭測出,如圖測量頭由分劃板如圖測量頭由分劃板,目鏡目鏡,手輪等手輪等構成構成,轉動手輪轉動手輪,分劃板會左右移動分劃板會左右移動,測量時應使分劃板中心測量時應使分劃板中心刻線對齊某條亮條紋中心刻線對齊某條亮條紋中心,記下此時手輪上的讀數記下此時手輪上的讀數a1,轉動轉動手輪手輪,使分劃板中心刻線移至另一條亮條紋中央使分劃板中心刻線移至另一條亮條紋中央,記下此

5、時記下此時手輪的讀數手輪的讀數a2;并記下兩次測量的亮并記下兩次測量的亮(或暗或暗)條紋數條紋數n.則相鄰則相鄰兩條亮兩條亮(或暗或暗)條紋間距條紋間距21|.1aaxn (3)用刻度尺測量雙縫到光屏間的距離用刻度尺測量雙縫到光屏間的距離l.(4)將將l x代入公式代入公式求出光的波長求出光的波長.(5)重復測量重復測量,計算計算,求出波長的平均值求出波長的平均值.(6)換用不同顏色的濾光片換用不同顏色的濾光片,觀察干涉條紋的異同觀察干涉條紋的異同,求出相應的求出相應的波長波長.,lxd 五五 實驗誤差分析實驗誤差分析的測量誤差的測量誤差本實驗中雙縫到光屏的距離較長本實驗中雙縫到光屏的距離較長

6、,l的測量誤差不太大的測量誤差不太大,但也應但也應選用毫米刻度尺測量選用毫米刻度尺測量.并用多次測量求出平均值的辦法減并用多次測量求出平均值的辦法減小實驗誤差小實驗誤差.2.測量條紋間距測量條紋間距x帶來的誤差帶來的誤差.(1)干涉條紋沒有調到最清晰的程度干涉條紋沒有調到最清晰的程度.(2)分劃板刻線與干涉條紋不平行分劃板刻線與干涉條紋不平行,中心刻線沒有恰好位于條中心刻線沒有恰好位于條紋中心紋中心.(3)測量多條亮條紋間距時讀數不準確測量多條亮條紋間距時讀數不準確.六六 注意事項注意事項1.放置單縫和雙縫時放置單縫和雙縫時,必須使縫平行必須使縫平行.2.要保證光源要保證光源 濾光片濾光片 單

7、縫單縫 雙縫和光屏的中心軸在遮光雙縫和光屏的中心軸在遮光筒的軸線上筒的軸線上.3.測量頭的分劃板中心刻線要對準條紋的中心測量頭的分劃板中心刻線要對準條紋的中心.4.要多測幾條亮條紋要多測幾條亮條紋(或暗或暗)中心間的距離中心間的距離,再求再求x.典典 例例 分分 析析 (學生用書學生用書P55)一一 實驗儀器的選擇與使用實驗儀器的選擇與使用例例1:用雙縫干涉測光的波長用雙縫干涉測光的波長,實驗中采用雙縫干涉儀實驗中采用雙縫干涉儀,它包括它包括以下元件以下元件:A.白熾燈白熾燈 B.單縫片單縫片 C.光屏光屏 D.雙縫雙縫 E.濾光片濾光片(其中雙縫和光屏連在遮光筒上其中雙縫和光屏連在遮光筒上)

8、 (1)把以上元件安裝在光具座上時把以上元件安裝在光具座上時,正確的排列順序正確的排列順序是是:A_(A已寫好已寫好).(2)正確調節后正確調節后,在屏上觀察到紅光干涉條紋在屏上觀察到紅光干涉條紋,用測量頭測出用測量頭測出10條紅亮紋間的距離為條紅亮紋間的距離為a;改用綠色濾光片改用綠色濾光片,其他條件不變其他條件不變,用用測量頭測出測量頭測出10條綠亮紋間的距離為條綠亮紋間的距離為b,則一定有則一定有_大大于于_.EBDCab解析解析:雙縫干涉儀各組成部分在光具座上的正確排序為光源雙縫干涉儀各組成部分在光具座上的正確排序為光源 濾光片濾光片 單縫單縫 雙縫雙縫 屏屏,或把它們全部倒過來或把它

9、們全部倒過來,因本題因本題第一項已給填好第一項已給填好,故答案是惟一的故答案是惟一的.由由 知知,波長越長波長越長,條紋越寬條紋越寬,間距越大間距越大,或由干涉條紋或由干涉條紋的特征均可得出的特征均可得出a一定大于一定大于b.lxd 二二 實驗過程和數據處理實驗過程和數據處理例例2:在在“用雙縫干涉測光的波長用雙縫干涉測光的波長”的實驗中的實驗中,裝置如下圖所示裝置如下圖所示.雙縫間的距離雙縫間的距離d=3 mm. (1)若測定紅光的波長若測定紅光的波長,應選用應選用_色的濾光片色的濾光片.實驗時實驗時需要測定的物理量有需要測定的物理量有:_和和_.紅紅雙縫到屏的距離雙縫到屏的距離Ln條亮條亮

10、(或暗或暗)條紋的距離條紋的距離a (2)若測得雙縫與屏之間距離為若測得雙縫與屏之間距離為0.70 m,通過測量頭通過測量頭(與螺旋與螺旋測微器原理相似測微器原理相似,手輪轉動一周手輪轉動一周,分劃板前進或后退分劃板前進或后退0.500 mm)觀察到第觀察到第1條亮紋的位置如下圖條亮紋的位置如下圖(a)所示所示,觀察第觀察第5條亮條亮紋的位置如下圖紋的位置如下圖(b)所示所示.則可求出紅光的波長則可求出紅光的波長=_m.(保留一位有效數字保留一位有效數字)710-7 解析解析:(1)若測定紅光的波長若測定紅光的波長,應用紅光進行干涉實驗應用紅光進行干涉實驗,即選用紅即選用紅色濾光片色濾光片,這

11、樣通過濾光片的就只有紅光這樣通過濾光片的就只有紅光,實驗雙縫到屏的實驗雙縫到屏的距離距離L n條亮條亮(或暗或暗)條紋的距離條紋的距離a.(2)圖中圖中(a)的示數為的示數為0,(b)圖示數為圖示數為0.650 mm.373x,7 10 m.0.6500.163.5 10.163 103 100.70mmLx ddL x則由得梯梯 度度 練練 習習 (學生用書學生用書P55)基礎強化基礎強化1.某同學做雙縫干涉實驗時某同學做雙縫干涉實驗時,按要求安裝好實驗裝置后按要求安裝好實驗裝置后,在光屏在光屏上卻觀察不到干涉圖樣上卻觀察不到干涉圖樣,這可能的原因這可能的原因( )A.光源發出的光束太強光源

12、發出的光束太強B.單縫與雙縫不平行單縫與雙縫不平行C.沒有安裝濾光片沒有安裝濾光片D.光束的中心軸與遮光筒的軸線不一致光束的中心軸與遮光筒的軸線不一致,相差較大相差較大答案答案:BD2.“用雙縫干涉測光的波長用雙縫干涉測光的波長”的實驗中的實驗中,為使光屏上單色光的為使光屏上單色光的條紋間距減小些條紋間距減小些,可采用的措施是可采用的措施是( )A.換用縫距大些的雙縫片換用縫距大些的雙縫片B.換用縫距小些的雙縫片換用縫距小些的雙縫片C.適當調大雙縫與屏之間的距離適當調大雙縫與屏之間的距離D.適當調小雙縫與屏之間的距離適當調小雙縫與屏之間的距離答案答案:AD3.在利用測量頭測量條紋寬度時在利用測

13、量頭測量條紋寬度時,應使分劃板中心刻線最好應使分劃板中心刻線最好( )A.與亮條紋的邊緣對齊與亮條紋的邊緣對齊B.與暗條紋的邊緣對齊與暗條紋的邊緣對齊C.與亮條紋的中心位置對齊與亮條紋的中心位置對齊D.與暗條紋的中心位置對齊與暗條紋的中心位置對齊答案答案:C4.在雙縫干涉實驗中在雙縫干涉實驗中,雙縫的作用是雙縫的作用是( )A.遮住過于強烈的光遮住過于強烈的光B.使白光變成單色光使白光變成單色光C.形成兩個振動情況相同的光源形成兩個振動情況相同的光源D.使光發生折射使光發生折射答案答案:C5.右圖所示為雙縫干涉實驗中產生的條紋圖樣右圖所示為雙縫干涉實驗中產生的條紋圖樣,甲圖為用光甲甲圖為用光甲

14、進行實驗的圖樣進行實驗的圖樣,a為中央亮條紋為中央亮條紋.乙為換用另一種單色光乙乙為換用另一種單色光乙進行實驗的圖樣進行實驗的圖樣,a為中央亮條紋為中央亮條紋,則以下說法正確的是則以下說法正確的是( )A.乙圖條紋較寬乙圖條紋較寬,光乙的波長比光甲波長長光乙的波長比光甲波長長B.乙圖條紋較窄乙圖條紋較窄,光乙的波長比光甲波長長光乙的波長比光甲波長長C.乙圖的條紋較寬乙圖的條紋較寬,光乙的波長比光甲短光乙的波長比光甲短D.乙圖的條紋較窄乙圖的條紋較窄,光乙的波長比光甲短光乙的波長比光甲短:,x,A.ld解析 由圖可知 乙圖的條紋寬度比甲圖條紋寬根據可知光乙的波長較大 故 選項正確答案答案:A能力

15、提升能力提升6.某次實驗中某次實驗中,測得第一級明條紋和第三級明條紋相距測得第一級明條紋和第三級明條紋相距4.010-2 m,若雙縫間距為若雙縫間距為0.1 mm,縫到屏的距離為縫到屏的距離為L=4.0 m,則光波的波長為則光波的波長為( )A.8.010-8 m B.5.010-7 mC.1.510-8 m D.1.610-8 m7:x,5 10 m.Lx ddL 解析 由代入數據得答案答案:B7.如下圖所示如下圖所示,在在“用雙縫干涉測光的波長用雙縫干涉測光的波長”的實驗中的實驗中,光光具座上放置的光學元件有光源具座上放置的光學元件有光源 遮光筒和其他元件遮光筒和其他元件,其中其中a、b、

16、c、d各裝置的名稱依次是下列選項中的各裝置的名稱依次是下列選項中的( )單縫單縫 b濾光片濾光片 c雙縫雙縫 d光屏光屏單縫單縫 b雙縫雙縫 c濾光片濾光片 d光屏光屏濾光片濾光片 b單縫單縫 c雙縫雙縫 d光屏光屏濾光片濾光片 b雙縫雙縫 c單縫單縫 d光屏光屏解析解析:a、b、c、d各裝置的名稱分別為濾光片各裝置的名稱分別為濾光片 單縫單縫 雙縫雙縫 光屏光屏,故故C正確正確.答案答案:C8.某同學在做某同學在做“雙縫干涉測定光的波長雙縫干涉測定光的波長”實驗時實驗時,第一次分第一次分劃板中心刻度線對齊第劃板中心刻度線對齊第2條亮紋的中心時條亮紋的中心時(如下圖甲中的如下圖甲中的A),游標

17、卡尺的示數如下圖乙所示游標卡尺的示數如下圖乙所示,第二次分劃板中心刻度線第二次分劃板中心刻度線對齊第對齊第6條亮紋的中心時條亮紋的中心時(如圖丙中的如圖丙中的B),游標卡尺的示數如游標卡尺的示數如圖丁所示圖丁所示.已知雙縫間距已知雙縫間距d=0.5 mm,雙縫到屏的距離雙縫到屏的距離L=1 m.則則:(1)圖乙中游標卡尺的示數為圖乙中游標卡尺的示數為_cm.(2)圖丁中游標卡尺的示數為圖丁中游標卡尺的示數為_cm.(3)所測光波的波長為所測光波的波長為_m(保留兩位有效數字保留兩位有效數字).6.610-7解析解析:(1)圖乙中游標卡尺是圖乙中游標卡尺是20個分度個分度,精確度精確度0.05

18、mm,讀數為讀數為12 mm+0.0510=12.50 mm=1.250 cm.(2)圖丁中讀數為圖丁中讀數為17 mm+0.0515=1.775 cm 23773(1.775 1.250) 10 x,x6.562 100.5 105 1m6.6 10 m1LddL 由可得9.用氦氖激光器進行雙縫干涉實驗用氦氖激光器進行雙縫干涉實驗,已知使用的雙縫間距離已知使用的雙縫間距離d=0.1 mm,雙縫到屏的距離雙縫到屏的距離L=6.0 m,測得屏上干涉條紋中測得屏上干涉條紋中相鄰亮紋的間距是相鄰亮紋的間距是3.8 cm,氦氖激光器發出的紅光的波長氦氖激光器發出的紅光的波長是多少是多少?假如把整個裝置

19、放入折射率是假如把整個裝置放入折射率是 的水中的水中,這時屏上這時屏上的條紋間距是多少的條紋間距是多少?43解析解析:由條紋間距由條紋間距x,雙縫間距離雙縫間距離d,雙縫到屏的距離雙縫到屏的距離L及波長及波長的關系的關系,可測波長可測波長.同理同理,知道水的折射率知道水的折射率,可知該光在水中可知該光在水中的波長的波長,然后由然后由d、x、L、的關系的關系,可求出條紋間距可求出條紋間距.372,0.1 10 x.3.8 1x6.3 100m06.,LddmL由可以得出紅光的波長激光器發出的紅光的波長是激光器發出的紅光的波長是6.310-7 m.如果整個裝置放入水中如果整個裝置放入水中,激光器發

20、出的紅光在水中的波長設激光器發出的紅光在水中的波長設為為,由光的特點可知由光的特點可知:光在傳播過程中光在傳播過程中,介質發生變化介質發生變化,波長和波波長和波速發生改變速發生改變,但頻率不變但頻率不變.77372m4.7 10 m,6.3 10346.0 4.7 100.1,x2.8 10 m10cncvvnLmd 由此可知而則這時屏上條紋的間距是答案答案:見解析見解析.10.現有毛玻璃屏現有毛玻璃屏A,雙縫雙縫B 白光光源白光光源C 單縫單縫D和透紅光和透紅光的濾光片的濾光片E等光學元件等光學元件,要把它們放在下圖所示的光具座上要把它們放在下圖所示的光具座上組裝成雙縫干涉裝置組裝成雙縫干涉裝置,用以測量紅光的波長用以測量紅光的波長.(1)將白光光源將白光光源C放在光具座最左端放在光具座最左端,依次放置其他光學元件依次放置其他光學元件,由左至右