4 实验:用双缝干涉测量光的波长建议用时:40分钟
1.[2022·杭州四中月考] 在“用双缝干涉测量光的波长”的实验中,将双缝干涉实验仪器按要求安装在光具座上,如图所示.接通电源使光源正常工作.
(1)M、N、P三个光学元件依次为 .
A.滤光片、单缝、双缝
B.滤光片、双缝、单缝
C.偏振片、单缝、双缝
D.双缝、偏振片、单缝
(2)某同学测出记录的第1条亮条纹中心到第5条亮条纹中心的距离为Δx,若双缝间距为d,像屏与双缝间距离为L,计算该单色光波长的表达式为λ= (用题中字母表示).
(3)在双缝干涉实验中,用绿色激光照射在双缝上,在缝后的屏幕上显示出干涉图样.若要增大干涉图样中两相邻亮条纹的间距,可选用的方法有 .
A.改用红色激光
B.改用蓝色激光
C.减小双缝间距
D.将屏幕向远离双缝的位置移动
E.将光源向远离双缝的位置移动
(4)有位同学通过测量头观察到如图所示清晰的干涉图样,出现这种现象的原因是 .
A.单缝和双缝没有调平行
B.光源、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、毛玻璃屏没有调共轴
C.测量头过于左偏,应调节测量头上的手轮,使它适当右移
D.测量头过于右偏,应调节测量头上的手轮,使它适当左移
2.在“用双缝干涉测量光的波长”的实验中,实验装置如图甲所示,A、B、C分别为拨杆上的三个位置.
(1)下列关于拨杆的功能、安装及操作的说法中,正确的是 .
A.用手拨动拨杆可使单缝与双缝平行,从而使干涉图样更清晰
B.拨杆A端插入单缝上的卡口中,用手左右拨动拨杆的C端使B处左右移动,并带动B处小孔中套入的支柱
C.拨杆B处小孔套入双缝所在处的支柱,用手左右拨动拨杆的C端使A端左右移动,并带动单缝上的卡口
D.拨杆B处小孔套入双缝所在处的支柱,用手上下拨动拨杆的C端使A端上下移动,并带动单缝上的卡口
(2)已知双缝间距为0.3 mm,以某种单色光照射双缝时,在离双缝1.2 m远的屏上,用测量头测量条纹间距:先将测量头的分划板中心刻线与某亮纹中心对齐,将该亮纹定为第1条亮纹,此时手轮上的示数为2.10 mm,然后同方向转动测量头,使分划板中心刻线与第6条亮纹中心对齐,如图乙所示,此时手轮上的读数为 mm,根据以上实验,测得这种光的波长为
m(保留2位有效数字).
3.利用双缝干涉测光的波长实验装置如图甲所示.除光源、遮光筒和屏以外,还有三个元件,已知①是红色滤光片,遮光筒右侧安装测量头进行观察和测量.
(1)关于实验装置的安装与调试的叙述正确的是 .
A.②和③两个元件分别是单缝和双缝,且顺序不能调换
B.②和③两个元件之间距离尽量近一些,这样得到的干涉条纹间距大一些
C.光源开启后通过测量头看不到亮光,原因可能是光学元件与遮光筒不共轴
(2)实验中通过测量头观察到干涉条纹间距较小,若要适当增大条纹间距,下列操作可行的是 .
A.将红色滤光片改为绿色滤光片
B.适当增大双缝与屏之间的距离
C.适当增大双缝之间的间距
(3)如图乙所示,调节测量头观察到分划板上的中心刻线刚好与第1条亮纹中心重合,从图丙中可以读出此时20分度的游标卡尺示数为 mm,转动测量头,使其中心刻线与第6条亮纹中心重合(如图丁),此时的读数为12.05 mm,由此可知相邻两条亮纹间距Δx=
mm.已知双缝间距d=0.20 mm,双缝到屏的距离为600 mm,由此可以计算出该单色光的波长为 m;
(4)取下红色滤光片后,在测量头内可以看到彩色条纹,仔细观察发现,中央条纹是白色的.两侧条纹是彩色的,且对称分布.请你利用双缝干涉的知识对这一现象做出解释 .
4.[2022·余杭高级中学月考] (1)细丝和单缝有相似的衍射图样,在相同条件下,小明用激光束分别垂直照射两种不同直径的细丝Ⅰ和细丝Ⅱ,在光屏上形成的衍射图样如图甲中a和b所示,已知细丝Ⅰ的直径为0.605 mm,现用螺旋测微器测量细丝Ⅱ的直径,如图乙所示,细丝Ⅱ的直径为 mm,图甲中的 (填“a”或“b”)是细丝Ⅱ的衍射图样.
(2)小明在做“用双缝干涉测量光的波长”实验时,尝试用单缝和平面镜做类似实验.单缝和平面镜的放置如图丙所示,白炽灯发出的光经滤光片成为波长为λ的单色光照射在单缝上,能在光屏上观察到明暗相间的干涉条纹.
①若S视为其中的一个缝,那么 相当于另一个“缝”;
②小明测得单缝与镜面延长线的距离为h、与光屏的距离为D,则条纹间距Δx= ;
③实验表明,光从光疏介质射向光密介质界面发生反射,在入射角接近90°时,反射光与入射光相比,相位有π的变化,即半波损失.如果把光屏移动到和平面镜接触,则接触点P处是 (选填“亮条纹”或“暗条纹”);
④实验中已知单缝S到平面镜的垂直距离h=0.15 mm,单缝到光屏的距离D=1.2 m,观测到第3个亮条纹中心到第12个亮条纹中心的间距为22.78 mm,则该单色光的波长λ= m(结果保留三位有效数字);
⑤随后小明撤去平面镜,在单缝下方A处放置同样的另一单缝,形成双缝结构,则在光屏上 (填“能”或“不能”)观察到干涉条纹.
4 实验:用双缝干涉测量光的波长
1.(1)A (2) (3)ACD (4)D
[解析] (1)光从透镜射出后,经过滤光片,增强光的单色性,然后经过单缝,使光的平行性更好,最后经过双缝,发生干涉现象,故A正确,B、C、D错误.
(2)由公式可得=λ,可得该单色光波长的表达式为λ=.
(3)由上式可知,要增大干涉图样中两相邻亮条纹的间距,可改用波长更长的红色激光、减小双缝间距d或将屏幕向远离双缝的位置移动增加像屏与双缝间距离L,故A、C、D正确,B、E错误.
(4)由干涉图样可以看出,干涉条纹清晰,亮度正常,只是条纹偏离位置,所以出现这种现象的原因可能是测量头过于右偏,应调节测量头上的手轮,使它适当左移,故D正确,A、B、C错误.
2.(1)AC (2)15.30 6.6×10-7(6.3×10-7~6.9×10-7)
[解析] (1)实验中拨杆的作用在于,当将拨杆B处小孔套入双缝所在处的支柱,用手左右拨动拨杆的C端使A端左右移动,并带动单缝上的卡口位置,使单缝与双缝平行,从而使干涉图样更清晰,A、C正确,B、D错误.
(2)根据读数规律,手轮上的读数为15 mm+0.02×15 mm=15.30 mm,根据题意,相邻两亮条纹中心的间距Δx= m=2.64×10-3 m,根据Δx=λ,解得λ=6.6×10-7 m.
3.(1)AC (2)B (3)2.45 1.92 6.40×10-7 (4)取下红色滤光片后,光源变为白色光,用白光做光源时,中央部位没有光程差,亮条纹是白色;由于各色光波长不同,条纹间距也不同,因此在中央亮条纹两侧出现彩色条纹,且对称分布.
[解析] (1)在双缝干涉测光的波长实验中,应先使光源变为一个线光源,再变为频率相等的两个线光源,因此②和③两个元件分别是单缝和双缝,且顺序不能调换,A正确;由干涉条纹间距公式Δx=λ可知,干涉条纹间距与双缝间距d有关,与②和③两个元件之间距离无关,B错误;实验时,必须使光学元件的中心、遮光筒与测量头在同一轴线,否则光源开启后测量头看不到亮光,C正确.
(2)由干涉条纹间距公式Δx=λ可知,将红色滤光片改为绿色滤光片,光的波长变小,干涉条纹间距会变得更小,A错误;适当增大双缝与屏之间的距离,即增大l,由条纹间距公式Δx=λ可知,干涉条纹间距会增大,B正确;适当增大双缝之间的间距,即d增大,由条纹间距公式Δx=λ可知,干涉条纹间距会变得更小,C错误.
(3)由题图3可知, 20分度的游标卡尺的主尺的读数为2 mm,游标尺的读数:游标尺的第9条刻度线与主尺的某刻度线对齐,读数为0.05 mm×9=0.45 mm,则游标卡尺示数为2 mm+0.45 mm=2.45 mm.
在开始测量时,分划板上的中心刻线刚好与第1条亮纹中心重合,读数为2.45 mm,中心刻线与第6条亮纹中心重合,读数为12.05 mm,则有Δx= mm=1.92 mm.
由干涉条纹间距公式Δx=λ可得λ== m=6.40×10-7 m
4.(1)0.997~0.999 mm a (2)①A点 ②λ ③暗条纹 ④6.33×10-7 ⑤不能
[解析] (1)根据螺旋测微器的读数方法可知,细丝Ⅱ的直径为0.5 mm+49.9×0.01 mm=0.999 mm.单缝衍射,单缝越宽,条纹间距越小,衍射效果越不明显,所以a是直径更大的细丝衍射的图样.
(2)①若S视为其中的一个缝,S发出的光线经过平面镜反射后的反射光线的反向延长线与S所在竖直方向的交点A点可以视为另一个缝.
②由题意及几何知识可得,干涉条纹间距为Δx=λ=λ.
③把光屏移动到和平面镜接触后,光线经过反射后存在半波损失,故P点将为暗条纹.
④由上述分析可知Δx=λ,则λ=,由题意可知Δx=≈2.531×10-3 m,即λ≈6.33×10-7 m.
⑤撤去平面镜,在单缝下方A处放置同样的另一单缝,虽然形成了双缝结构,但发出的光不是相干光了,所以不能观察到干涉条纹.
