高中物理选修4教学设计6：14试验：用双缝干涉测量光的波长教案

高中物理选修3-413.4实验：用双缝干涉测量光的波长1、教学目标（一）知识与技能1．掌握明条纹（或暗条纹）间距的计算公式及推导过程。2．观察双缝干涉图样，掌握实验方法。（二）过程与方法培养动手能力和分析处理“故障”的能力。（三）情感、态度与价值观体会用宏观量测量微观量的方法，进行物理方法的教育。2、教学重点（1）.光的干涉条件的理解（2）.干涉条纹间距的测量与计算3、教学难点（1）.光的干涉条件的理解（2）.干涉条纹间距的测量与计算4、教学过程：1）课堂导入在双缝干涉现象中，明暗条纹出现的位置有何规律？那么条纹间距与波长之间有没有关系呢？下面我们就来推导一下。2）重点讲解1．产生干涉的条件：两列光的频率相同、相位相同、振动方向相同。本实验中是靠“一分为二”的方法获得两个相干光源的。2．干涉图样(1)若用单色光作光源，则干涉条纹是等间距的明暗相间的条纹。(2)若用白光作光源，则干涉条纹是彩色条纹，且中间条纹是白色的。3．实验结论：证明光是一种波。4．屏上某处出现亮、暗条纹的条件1高中物理选修3-4实验装置如图所示，双缝、之间的距离为，双缝到屏的距离为，屏上的一点到双S1S2dlP缝的距离分别为和，路程差＝－。r1r2Δrr2r1(1)若满足路程差为波长的整数倍，即Δr＝kλ(其中k＝0,1,2,3，…)，则出现亮条纹。λ(2)若满足路程差为半波长的奇数倍，即r＝(2k－1)(其中k＝0,1,2,3，，则出现暗条纹。Δ2…)5．相邻亮条纹(暗条纹)间的距离Δx与波长λ的关系：lΔx＝λ，其中l为双缝到屏的距离，d为双缝之间的距离。d6.操作指要（1）．双缝干涉仪是比较精密的实验仪器，不要随便拆分遮光筒、测量头等元件。（2）．滤光片、单缝、双缝、目镜等会粘附灰尘，只能用擦镜纸轻轻擦拭，不要用其他物品擦拭或口吹气除尘。（3）．注意调节光源、滤光片、单缝、双缝的中心均在遮光筒的中心轴线上，并使单缝、双缝平行且竖直。（4）．光源使用线状长丝灯泡，调节时使之与单缝平行且靠近。测量头原理2高中物理选修3-41．测量头由分划板、目镜、手轮构成，转动手轮，分划板会左右移动，测量时，应使分划板中心与条纹中心对齐，记下此时手轮上的读数，然后转动测量头，使分划板中心与另一条纹中心对比，再次记下手轮上读数。两次读数之差表示这两个条纹间距离。(如图甲、乙所示)a2．为减小误差，利用“累积法”测n条亮纹间距，再求Δx＝求得相邻条纹间距离。n－13．注意测量头读数时的有效数字。3）问题探究一、实验步骤1．把遮光管架在支架环上，其轴线与光具座的导轨基本平行．2．在遮光管的一端装上双缝，并转动双缝座，使双缝与水平面垂直．再装好单缝管．3．让灯泡灯丝及透镜中心与单缝中心等高．灯丝与单缝之间的距离约为25cm.点亮灯泡，先把透镜移近单缝，直至在单缝面上见到灯丝的缩小像，然后把透镜移近灯泡，直至在单缝面上形成一放大的灯丝像，若灯丝的放大像不在单缝中心，则上下或左右调节灯泡．反复调节几次，使灯丝的放大像及缩小像均成在单缝中心．4．在遮光管的另一端装上测量头．在单缝管上装上拨杆，边观察，边左右移动拨杆，以调节单缝与双缝平行，直至看到白光的干涉条纹最清晰．这时看到的彩色干涉条纹的特征是：中央为一条白色亮条纹．称为零级亮条纹；其余各级亮条纹都是带彩色的，彩色的排列以零级亮条纹为中心左右对称．在第一级亮条纹中，红色在最外侧．5．测量单色光波长时，在单缝前面加上红色或绿色滤光片即可看到红黑相间或绿黑相间的干涉条纹，再调节目镜，就能同时清晰地看到分划线和干涉条纹，然后绕光轴转动测量头，使分划线与干涉条纹平行，固定好测量头后即可进行测量．6．先移动测量头上的手轮，把分划线对准最左边的一条干涉亮条纹或者暗条纹，并记下它在游标尺上的读数，然后转动手轮，把分划线移向右边，并对准第条一般可取x1n(n左右干涉亮条纹或暗条纹，这时游标尺的读数为则相邻两条亮条纹或暗条纹之间的距7)xn.x－x离为Δx＝n1n－1d·Δxdx－x待测的光波波长为λ＝＝·n1.lln－17．改变双缝中心距离d，重复上面的步骤，再测一次．二、误差分析3高中物理选修3-41．双缝到屏的距离l的测量带来的误差，可选用mm刻度尺，进行多次测量求平均值的办法减小误差．a2．条纹间距Δx可利用“累积法”测n条亮纹间距，再由Δx＝求出，并且采用多次n－1测量求λ的平均值的方法进一步减小误差．3．分划板刻度线和干涉条纹不平行，中心刻度线没有位于条纹中心均会导致条纹间距Δx有误差．三、实验 注意事项 软件开发合同注意事项软件销售合同注意事项电梯维保合同注意事项软件销售合同注意事项员工离职注意事项 1．调节双缝干涉仪时，要注意调节光源的高度，使它发出的一束光能够沿着遮光筒的轴线把屏照亮；2．放置单缝和双缝时，缝要相互平行，中心大致位于遮光筒的轴线上；3．调节测量头时，应使分划板中心刻线对齐条纹的中心，记下此时手轮上的读数，转动测量头，使分划板中心刻线对齐另一条纹的中心，记下此时手轮上的读数，两次读数之差就表示这两条条纹间的距离；4．不要直接测Δx，要测几个条纹的间距计算得Δx，这样可减小误差；5．白光的干涉观察到的是彩色条纹，其中白色在中央，红色在最外层．4）难点剖析实验探究1实验操作过程及仪器读数例1、在“用双缝干涉测光的波长”实验中(实验装置如下图)：(1)下列说法哪一个是错误的________．(填选项前的字母)A．调节光源高度使光束沿遮光筒轴线照在屏中心时，应放上单缝和双缝B．测量某条干涉亮纹位置时，应使测微目镜分划板中心刻线与该亮纹的中心对齐C．为了减少测量误差，可用测微目镜测出n条亮纹间的距离a，求出相邻两条亮纹间a距Δx＝n－1(2)测量某亮纹位置时，手轮上的示数如图，其示数为______mm.[答案](1)A(2)1.970[解析](1)放上单缝和双缝后，由于发生干涉现象没法调节光源的高度，故A项错误．(2)按读数规则，读出示数为：1.5mm＋47.0×0.01mm＝1.970mm.4高中物理选修3-4实验探究2实验数据处理例2、利用双缝干涉测定单色光波长，某同学在做该实验时，第一次分划板中心刻度对齐A条纹中心时(图甲)，游标卡尺的示数如图丙所示，第二次分划板中心刻度对齐B条纹中心时(图乙)，游标卡尺的示数如图丁所示，已知双缝间距为0.5mm，从双缝到屏的距离为1m，则图丙中游标卡尺的示数为________mm.图丁游标卡尺的示数为________mm.在实验中，所测单色光的波长为________m．在本实验中如果在双缝上各有一个红色和绿色滤光片，那么在光屏上将________(选填“能”或“不能”)看到明暗相间的条纹．[答案]11.416.86.75×10－7不能[解析]根据游标卡尺的原理，可读出图丙的示数为11.4mm；图丁的示数是16.8mm.Δy16.8－11.4ldΔy＝mm＝1.35mm.又根据y＝λ，则λ＝＝6.75×10－7m.4Δdl当在双缝上各有一个红色和绿色滤光片时，不满足干涉条件，故不能看到明暗相间的条纹．例3、在“用双缝干涉测量光的波长”的实验中，装置如图所示。双缝间的距离d＝3mm。(1)若测量红光的波长，应选用__________色的滤光片。实验时需要测定的物理量有__________和__________。(2)若测得双缝与屏之间的距离为0.70m，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0.500mm)观察第1条亮条纹的位置如图甲所示，观察第5条亮条纹的位置如图乙所示。则可求出红光的波长λ＝__________m。[答案]见[解析]5高中物理选修3-4l[解析](1)要测量红光的波长，应用红色滤光片。由x＝λ可知要想测λ必须测定双缝到Δd屏的距离l和条纹间距Δx。由测量头的数据可知＝，＝，(2)a10a20.640mma－a0.640所以Δx＝21＝mm＝1.60×10－4m，n－14dΔx3×10－3×1.60×10－4λ＝＝－7m。l0.70m≈6.86×105）训练提升1．关于杨氏双缝干涉实验，下列说法正确的是()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．若仅将入射光由红光改为紫光，则条纹间距一定变大D．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[答案]B[解析]用白光做杨氏双缝干涉实验，屏上将呈现彩色条纹，A错；用红光作为光源，屏上将呈现红色亮条纹与暗条纹(即黑条纹)相间，B对；λ变小，Δx变小，C错；红光和紫光频率不同，不能产生干涉条纹，D错。．在双缝干涉实验中，双缝到光屏上点的距离之差为，若分别用频率为＝142P0.6μmf15.0×10和＝14的单色光垂直照射双缝，则点现出明、暗条纹的情况是Hzf27.5×10HzP()．用单色光和分别照射时，均出现明条纹Af1f2．用单色光和分别照射时，均出现暗条纹Bf1f2．用单色光照射时出现明条纹，单色光照射时出现暗条纹Cf1f2．用单色光照射时出现暗条纹，单色光照射时出现明条纹Df1f2[答案]C解析单色光的波长：[]f1c3×108λ＝＝m＝0.6×10－6m＝0.6μm。114f15.0×10单色光的波长：f2c3×108λ＝＝m＝0.4×10－6m＝0.4μm。214f27.5×10因P点到双缝的距离之差Δx＝0.6μm＝λ，1所以用单色光照射时点出现亮条纹。f1P3Δx＝0.6μm＝λ，226高中物理选修3-4所以用单色光f2照射时P点出现暗条纹，故选项C正确。3．如图所示，用单色光做双缝干涉实验，P处为第二条暗条纹，改用频率较低的单色光重做上述实验(其他条件不变)时，则同侧第二条暗条纹的位置()A．仍在P处B．在P点上方C．在P点下方D．要将屏向双缝方向移近一些才能看到[答案]Bc3[解析]由＝知f变小，变大。若出现第二条暗条纹，则P到双缝的光程差r＝λ，当λλfλΔ2变大时，Δr也要变大，故第二条暗条纹的位置向上移，在P点上方，B正确。4．在“用双缝干涉测量光的波长”的实验中，若已知双缝间的距离d。(1)若测定绿光的波长，应选用__________色的滤光片。实验时需要测定的物理量有__________和__________。(2)已知双缝到光屏之间的距离L＝500mm，双缝之间的距离d＝0.50mm，单缝到双缝之间的距离s＝100mm，某同学在用测量头测量时，调整手轮，在测量头目镜中先看到分划板中心刻线对准A条亮纹的中心，然后他继续转动，使分划板中心刻线对准B条亮纹的中心，前后两次游标卡尺的读数如图所示。则入射光的波长λ＝________m(结果保留两位有效数字)。(3)实验中发现条纹太密，难以测量，可以采用的改善办法有__________。A．改用波长较长的光(如红光)作为入射光B．增大双缝到屏的距离C．增大双缝到单缝的距离D．增大双缝间距7高中物理选修3-4[答案](1)绿双缝到屏的距离相邻条纹间距(2)6.4×10－7(3)AB[解析](1)由于测量绿光的波长，因此应用绿色滤光片。l由x＝λ可知要想测λ必须测定双缝到屏的距离l和条纹间距Δx。Δd(2)游标卡尺读数精确度为0.1mm，A位置主尺读数为11mm，游标尺读数为1，读数为＝＋＝，x111mm1×0.1mm11.1mm同理位置读数为＝，Bx215.6mmx－x则条纹间距x＝21≈0.64mm，Δ7d利用＝Δx＝6.4×10－7m。λLL(3)由x＝λ可知，要增大条纹间距，可用波长更长的入射光或增大双缝到屏的距离，故选Δd项A、B正确。5、板书设计：1、实验目的2、实验器材3、实验原理4、实验步骤5、注意事项6、教学反思：通过今天的学习，我们掌握了干涉条纹的间距与光的波长之间的定量关系，并测量了光的波长。该实验为我们提供了一种用宏观量测量微观量的方法。8