题目性质:自编仿真题——题目、材料、选项、数据与情境均为按课程标准与联招常见考点独立编写的原创仿真题,非真题原文,未取自任何题库、教辅或试卷;解析与采分点为教研整理,非官方评分标准。
一、考点定位与做题顺序
这个实验的公式是 λ = d·Δx / L,其中 Δx 是相邻两条亮纹(或暗纹)的中心间距。测 Δx 时最稳的做法是一次量多条:记下第 1 条与第 n 条亮纹的位置 x₁、xₙ,则 Δx = (xₙ − x₁)/(n − 1)。分母是间隔数,不是条纹条数——这是本实验最高频的一处错。
第二步判误差方向,别凭感觉,一律代回 λ = d·Δx/L:哪个量被记大,λ 就往哪个方向偏(d 与 Δx 在分子、L 在分母)。第三步查有效数字:读数差、间隔数、d 与 L 的有效位数要匹配。下面装置参数与读数均为自编示意数值,不代表任何真实测量。
二、逐题精讲
题1
题1 由测量头读数求波长(计算+说明)
自编示意装置:双缝间距 d = 0.200 mm,缝到屏距离 L = 1.000 m。转动测量头,使分划板中心刻线依次对齐第 1 条与第 9 条亮纹中心,读数分别为 x₁ = 1.130 mm、x₉ = 25.130 mm(读数方向沿条纹排列方向)。
(1) 求相邻亮纹间距 Δx;(2) 求所测波长 λ(以 nm 表示);(3) 若把「9 条亮纹」误当作 9 个间隔去除,会得到什么波长?说明为什么错。
解析
(1) 第 1 条到第 9 条之间是 9 − 1 = 8 个间隔。读数差 x₉ − x₁ = 25.130 − 1.130 = 24.000 mm,故 Δx = 24.000 / 8 = 3.000 mm = 3.00×10⁻³ m。读数差保留到 0.001 mm 是示意口径,除以整数 8 不改变有效位数的量级。(2) 统一单位:d = 0.200 mm = 2.00×10⁻⁴ m。代入 λ = d·Δx / L = (2.00×10⁻⁴ × 3.00×10⁻³) / 1.000 = 6.00×10⁻⁷ m = 600 nm。数量级自检:可见光几百纳米,600 nm 落在合理区间;若算出 6×10⁻⁵ m 或 6×10⁻⁹ m,先回查单位换算。
(3) 误用 9 个间隔:Δx′ = 24.000/9 = 2.667 mm,λ′ = 2.00×10⁻⁴ × 2.667×10⁻³ / 1.000 = 5.33×10⁻⁷ m ≈ 533 nm,比正确值小约 11.1%(比值 8/9)。错在把条纹条数当成间隔数:n 条亮纹之间只有 n−1 段相邻间距,用 9 去除等于把同一段总长摊到 9 份,每份偏小,λ 随之偏小。可用一句口诀回验:「数条数,减一除」。
答案 (1) Δx = 24.000/8 = 3.000 mm;(2) λ = 6.00×10⁻⁷ m = 600 nm;(3) 误用 9 个间隔得 Δx′≈2.667 mm、λ′≈533 nm,偏小约 11.1%,错在把 9 条当 9 个间隔。
采分点 写出间隔数 8 1 分;读数差 24.000 mm 1 分;Δx=3.000 mm 1 分;d 换算为 2.00×10⁻⁴ m 1 分;代入 λ=dΔx/L 1 分;结果 600 nm 与数量级自检 1 分;误算值 2.667 mm/533 nm 各 1 分;说明「n 条→n−1 间隔」1 分。
易错点 把 24.000 mm 直接当 Δx;用 9 作分母;d 忘换单位(mm 直接乘 mm 得 mm²/m);把 L 写成 1000 m 或 100 mm;算出 600 nm 后不自查数量级;把「偏小 11.1%」写成「偏大 12.5%」(比值方向搞反)。
题2
题2 参数变更与误差方向判定
仍用上题装置与结果(d = 0.200 mm,L = 1.000 m,λ = 6.00×10⁻⁷ m)。
(1) 保持 L、λ 不变,把双缝间距改为 d′ = 0.250 mm,求新的 Δx;(2) 保持 d、λ 不变,把屏距改为 L′ = 2.000 m,求新的 Δx;(3) 若实际缝屏距为 1.005 m,但记录时仍按 1.000 m 代入,求算出的波长,并判断偏大还是偏小;(4) 说明用「量第 1 到第 9 条」代替「只量相邻两条」为什么能减小偶然误差。
解析
(1) Δx = λL/d′ = (6.00×10⁻⁷ × 1.000)/(2.50×10⁻⁴) = 2.40×10⁻³ m = 2.40 mm。d 增大到 1.25 倍,条纹变密,Δx 变为原来的 1/1.25 = 0.8 倍(3.000×0.8 = 2.400 mm),两路一致。(2) Δx = λL′/d = (6.00×10⁻⁷ × 2.000)/(2.00×10⁻⁴) = 6.00×10⁻³ m = 6.00 mm,恰为原来的 2 倍:L 在分子,加倍则 Δx 加倍。
(3) 真实 Δx 由 L=1.005 m 决定:Δx_实 = λ·1.005/d = 6.00×10⁻⁷×1.005/2.00×10⁻⁴ = 3.015 mm。按 L=1.000 m 代入得 λ_算 = d·Δx_实 / 1.000 = 2.00×10⁻⁴ × 3.015×10⁻³ = 6.03×10⁻⁷ m = 603 nm,偏大约 0.5%(= 1.005/1.000)。方向判据:L 在分母,把 L 记小,算出的 λ 就偏大;也可以记为「实际屏更远→条纹实际更宽→仍按较近的屏算→把宽条纹折算成更长的波长」。
(4) 单次测量相邻两条时,读数误差(如 ±0.005 mm)几乎全部落到 3 mm 这一小段上,相对误差约 0.17%;量 8 个间隔时,读数差 24 mm 上仍只有两次读数误差,再除以 8,单间距的相对误差降到约 0.02%,即把同样的绝对读数误差摊薄到 8 段。前提是条纹间距均匀、第 1 与第 n 条中心都要对准,且中间没有漏数或错认暗纹为亮纹。
答案 (1) Δx=2.40 mm;(2) Δx=6.00 mm;(3) λ算=603 nm,偏大约 0.5%(L 记小,λ 偏大);(4) 多条纹平均把两次读数误差摊到 8 段,单间距相对误差由约 0.17% 降至约 0.02%。
采分点 (1) 公式与 d′换算 1 分、2.40 mm 1 分、用 1/1.25 回验 1 分;(2) 6.00 mm 与「L 加倍则 Δx 加倍」1 分;(3) Δx_实=3.015 mm 1 分、603 nm 1 分、方向判据 1 分;(4) 说明绝对误差摊薄与两次读数 1 分、写出前提 1 分。
易错点 把 d 增大说成「条纹变疏」;判误差方向时把 L 放分子,得出「记小则偏小」;(3) 中直接说「偏 0.5%」却算不出 603 nm;只答「多次测量取平均」而不说明这里是一次量多段再除;忘记条纹均匀与中心对准的前提。
三、规律小结与对照表
| 量 | 关系 | 自编示意数值 | 记大/记小时的 λ 方向 |
|---|---|---|---|
| 条纹间隔数 | n 条 → n−1 段 | 9 条 → 8 段 | 误用 9 → 偏小 11.1% |
| 读数差 | xₙ−x₁ | 25.130−1.130=24.000 mm | 漏减 x₁ → 极大 |
| 单间距 | (xₙ−x₁)/(n−1) | 3.000 mm | — |
| 双缝间距 d | Δx ∝ 1/d | 0.200→0.250 mm, Δx 2.40 mm | d 记大 → λ 偏大 |
| 缝屏距 L | Δx ∝ L | 1.000→2.000 m, Δx 6.00 mm | L 记小 → λ 偏大 |
| 波长 | λ = dΔx/L | 600 nm | — |
| 有效数字 | 读数差与 d、L 匹配 | 24.000 mm / 2.00×10⁻⁴ m | 混用 mm 与 m |
| 多条纹平均 | 误差摊到 n−1 段 | 相对 0.17% → 0.02% | 漏数或错认暗纹则失效 |
双缝实验的三句话:「数条数减一除」「单位全化米」「误差代回 λ=dΔx/L 判方向」。分子上的 d、Δx 记大则 λ 偏大,分母上的 L 记小则 λ 偏大——方向不用背,代回去就行。量多段再平均的本质,是把两次读数的绝对误差摊薄到 n−1 个间隔上,前提是条纹均匀、中心对齐。装置参数、25.130 mm 读数与 600 nm 结果均为自编示意数值,不代表任何真实测量;解析与采分点为教研整理,非官方评分标准。
四、自测清单
- □ 先写「n 条亮纹 → n−1 个间隔」,再动笔除;
- □ 读数差要减 x₁,别把 xₙ 直接当 Δx;
- □ d、L、Δx 统一换成米再代入;
- □ 算完 λ 用「可见光几百 nm」做数量级自检;
- □ 判误差方向一律代回 λ=dΔx/L,分子分母分开看;
- □ 多条纹平均后,检查中间有没有漏数或把暗纹当亮纹。