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例題精講 · 第 00113 題 · 自編數據三題·把 Δx = Lλ/d 的每一項和誤差對上

雙縫干涉測波長是光學實驗裡公式最短、讀數最容易錯的一個:條紋間距要除以「間隔數」而不是「條紋數」,測量頭讀數要估讀,L 與 d 的相對誤差傳遞方向也常寫反。本文用一組自編實驗數據配三道題:公式與單位換算、測量頭讀數與 Δx 計算、誤差方向與改進措施。每題給完整解答、數值回代互驗、採分點與易錯點,並附數據處理表與自查清單。

00113題號全 1000 篇 · 第 第19輪 / 第19冊 輪
方向物理·實驗六向之一
題型自編仿真題逐題精講 · 采分點拆解

題目性質:自編仿真題——題目、材料、選項、數據與情境均為按課程標準與聯招常見考點獨立編寫的原創仿真題,非真題原文,未取自任何題庫、教輔或試卷;解析與採分點為教研整理,非官方評分標準。

例題精講 · 物理實驗

一、考點定位與做題順序

公式 Δx = Lλ/d,故 λ = d·Δx/L。三個量的角色要分清:d 是雙縫間距(由器材給出,自編取 0.200 mm),L 是縫到屏的距離(自編取 700.0 mm),Δx 是相鄰亮紋中心間距,由測量頭讀出。三者必須先統一到同一單位(建議全部換成 m 再算,或全部用 mm 並把結果換算成 nm)。

最常見的錯:數了 7 條亮紋就把距離除以 7,其實 7 條亮紋之間只有 6 個間隔;更穩的做法是「第 1 條到第 7 條」除以 6,或用逐差法把多組間隔平均。下面數據為自編示意,全部做過回代互驗。

二、題目呈現

題1 公式與數量級(單選+計算)

在自編實驗中,雙縫間距 d=0.200 mm,縫屏距 L=700.0 mm,用自編單色光測得相鄰亮紋間距 Δx=2.10 mm。

(1) 求該光波長 λ(以 nm 表示);

(2) 若換用波長更長的單色光、其餘不變,下列判斷正確的是( )

A. Δx 變小 B. Δx 變大 C. 條紋亮度一定變強 D. d 隨之改變

題2 測量頭讀數與逐差法(計算)

測量頭主尺最小分度 1 mm,可估讀到 0.01 mm。自編讀數如下:第 1 條亮紋中心 x₁=1.12 mm,第 2 條 3.22 mm,第 3 條 5.31 mm,第 4 條 7.43 mm,第 5 條 9.52 mm,第 6 條 11.63 mm,第 7 條 13.72 mm。

(1) 用「首末兩條除以間隔數」求 Δx;

(2) 用逐差法(x₄−x₁、x₅−x₂、x₆−x₃、x₇−x₄ 各除以 3 後取平均)求 Δx;

(3) 取逐差法結果,代回 d=0.200 mm、L=700.0 mm 求 λ,並說明為何逐差法更穩。

題3 誤差與改進(簡答+計算)

(1) 若實驗者誤把 7 條亮紋當成 7 個間隔,用 (x₇−x₁)/7 作 Δx,求出的 λ 比真實值偏大還是偏小?偏了百分之多少?

(2) 若 L 的測量值比真實值大 1.0%,而 d、Δx 無誤,λ 的相對誤差是多少?方向如何?

(3) 寫出兩條能減小 Δx 測量誤差的操作改進。

三、分步解析

題1 (1) 統一單位:d=0.200 mm=2.00×10⁻⁴ m,L=700.0 mm=0.7000 m,Δx=2.10 mm=2.10×10⁻³ m。λ = dΔx/L = (2.00×10⁻⁴ × 2.10×10⁻³)/0.7000 = 4.20×10⁻⁷/0.7000 = 6.00×10⁻⁷ m = 600 nm。回代:Δx = Lλ/d = 0.7000×6.00×10⁻⁷/(2.00×10⁻⁴)=2.10×10⁻³ m = 2.10 mm,與題給一致。

題1 (2) B。由 Δx=Lλ/d,L、d 不變時 Δx 與 λ 成正比,波長變長則條紋變寬。A 反了;C 錯,亮度與光源強度、縫寬、透過率有關,與波長無必然關係;D 錯,d 是器材參數,不隨入射光改變。

題2 (1) 7 條亮紋之間是 6 個間隔:(x₇−x₁)/6 = (13.72−1.12)/6 = 12.60/6 = 2.100 mm。

題2 (2) 逐差:x₄−x₁=7.43−1.12=6.31 → /3 = 2.1033;x₅−x₂=9.52−3.22=6.30 → 2.1000;x₆−x₃=11.63−5.31=6.32 → 2.1067;x₇−x₄=13.72−7.43=6.29 → 2.0967。四組平均 =(2.1033+2.1000+2.1067+2.0967)/4 = 8.4067/4 = 2.1017 mm ≈ 2.102 mm。

題2 (3) λ = dΔx/L,用 mm 單位先算比值:λ = (0.200 mm × 2.1017 mm)/(700.0 mm) = 0.42034/700.0 mm = 6.0049×10⁻⁴ mm = 6.0049×10⁻⁷ m ≈ 600 nm(與題1 的 600 nm 在讀數誤差內一致)。回代互驗:用 λ=6.0049×10⁻⁷ m 反算 Δx = 0.7000×6.0049×10⁻⁷/(2.00×10⁻⁴)=2.1017×10⁻³ m,與逐差結果一致。逐差法更穩的原因:它把全部 7 個讀數都用上,且每組跨度 3 個間隔,單次讀數估讀誤差被分攤;「首末兩條」只用了 2 個讀數,一次讀錯就全盤偏。

題3 (1) 誤用 (x₇−x₁)/7 = 12.60/7 = 1.800 mm,比真值 2.100 mm 小。λ 與 Δx 成正比,故 λ 也偏小。相對偏差 =(1.800−2.100)/2.100 = −0.300/2.100 = −14.29%(即偏小約 14.3%)。回代:λ′ = d×1.800 mm/L = (0.200×1.800)/700.0 mm = 5.143×10⁻⁷ m ≈ 514 nm,600 nm×(6/7)=514.3 nm,一致。

題3 (2) λ = dΔx/L,L 在分母。L 測大 1.0%(L′=1.010L),則 λ′ = dΔx/(1.010L)=λ/1.010≈0.9901λ,相對誤差 ≈ −0.99%,即偏小約 1.0%。方向記法:分母量測大 → 結果偏小,且相對誤差近似等值反號。

題3 (3) ① 多測幾條:不只讀 7 條,讀第 1 到第 11 條並用逐差法,把單次估讀誤差攤到更多間隔上;② 測中心不測邊緣:每次對準亮紋中心最亮處讀數,且測量頭沿同一方向推進、中途不倒轉(避免螺距回程差);可再補一條:適當增大 L 或減小 d 使 Δx 變寬,同樣的讀數誤差佔比更小。

四、採分點對照

題號答案採分點構成
題1 (1)λ=600 nm單位統一 1 分;公式變形 1 分;數值 1 分;以 nm 表示 1 分;回代驗算 1 分
題1 (2)B由公式說明正比關係 1 分;逐項排除 A/C/D 1 分;指出 d 為器材參數 1 分
題2 (1)2.100 mm寫出 6 個間隔 1 分;計算 1 分
題2 (2)2.102 mm四組逐差各 1 分(共 2 分);取平均 1 分;有效數字 1 分
題2 (3)≈600 nm代回求 λ 1 分;單位換算 1 分;說明逐差法「用滿讀數+分攤誤差」1 分
題3 (1)偏小約 14.3%算出誤用值 1 分;判定方向 1 分;相對偏差數值 1 分;用 6/7 回驗 1 分
題3 (2)偏小約 1.0%指出 L 在分母 1 分;算出 −0.99% 1 分;方向表述 1 分
題3 (3)見解析每條改進 1 分;須說明為什麼能減小誤差,只寫操作不給滿分

五、高頻易錯點

  • 把 7 條亮紋當 7 個間隔:這是本實驗最經典的失分點,間隔數永遠比條紋數少 1。
  • 單位混用:d 用 mm、L 用 m、Δx 用 mm 直接相乘,結果會差 10³ 倍。
  • 誤差方向寫反:分母量測大 → 結果偏小,別憑「測大了結果也大」的直覺。
  • 逐差法只寫公式不算四組數值,或把「除以 3」寫成「除以 4」。
  • 測量頭來回倒轉讀數,引入回程差;或對準亮紋邊緣而非中心。

六、小結與自查清單

量自編取值在公式中的位置相對誤差傳遞
d 雙縫間距0.200 mm分子d 偏大 → λ 偏大,等值同向
L 縫屏距700.0 mm分母L 偏大 1% → λ 偏小約 1%
Δx 相鄰亮紋間距2.10 mm分子間隔數少算 → Δx 偏小 → λ 偏小
λ 波長600 nm(自編)待求由 λ=dΔx/L 回代檢驗
  • □ 先把 d、L、Δx 全部換成同一單位再代公式。
  • □ 數清「條紋數 n → 間隔數 n−1」,逐差法每組除以跨度間隔數。
  • □ 求完 λ 必回代算一次 Δx,看是否等於原始讀數。
  • □ 誤差題先寫公式、再看該量在分子還是分母,方向由位置定。
  • □ 操作改進要連帶寫出「為什麼能減小誤差」,不只寫動作。

這個實驗的公式只有一行,分數卻全丟在讀數細節上:間隔數、估讀、單位、誤差方向。養成「算完必回代」的習慣——λ 代回公式能還原 Δx,7 條亮紋除以 6 能還原原始讀數——數據自洽了,答案才站得住。本組器材參數、讀數與解析均為原創自編仿真內容,600 nm 為示意波長,不代表任何真實光源標定值。

編寫說明與學科依據

本文為備考教研體例稿:題目系按課程標準與聯招常見考點範圍編寫的仿真練習題,非真題原文;文中案例為示意內容,非真實記錄;文末欄目為學科依據說明,非逐條引文。涉及報考、錄取、證件、居留、資助等事項,一律以當年官方文件與學校正式通知為準。

學科依據:

  • 人教版高中物理選擇性必修:光的干涉、實驗測量與誤差分析
  • 《普通高等學校聯合招收華僑港澳臺學生考試大綱(物理科)》:光學實驗考查範圍(僅作命題範圍參照,本文題目未與真題逐題比對)
  • 編寫說明:題目、器材參數與數據均為按常見考點獨立編寫的原創仿真題,未取自任何題庫、教輔或試卷;解析與採分點為教研整理,非官方評分標準

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