高中物理選修 選修34第十一章實驗十三 測定玻璃的折射率

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1、一、實驗?zāi)康囊?、實驗?zāi)康?測定玻璃的折射率測定玻璃的折射率二、實驗原理二、實驗原理 用插針法確定入射角和折射角,根據(jù)用插針法確定入射角和折射角,根據(jù)n 計算玻璃的計算玻璃的折射率折射率三、實驗器材三、實驗器材 兩面平行的玻璃磚、白紙、木板、大頭針、量角器、刻度兩面平行的玻璃磚、白紙、木板、大頭針、量角器、刻度尺、鉛筆、圖釘尺、鉛筆、圖釘四、實驗操作四、實驗操作1實驗步驟實驗步驟(1)如圖實如圖實131所示,用圖釘把白紙固定在木板上所示,用圖釘把白紙固定在木板上(2)在白紙上畫一條直線在白紙上畫一條直線aa,并取,并取aa上的一點上的一點O為入射為入射 點,作過點,作過O的法線的法線NN. (3

2、)畫出直線畫出直線AO作為入射光線,并作為入射光線,并 在在AO上插上上插上P1、P2兩枚大頭針兩枚大頭針(4)在白紙上放上玻璃磚,使其中在白紙上放上玻璃磚,使其中 一個長邊與直線一個長邊與直線aa對齊,對齊, 并畫出另一條長邊的對齊線并畫出另一條長邊的對齊線bb.圖實圖實131(5)通過玻璃磚觀察并調(diào)整視線方向,使通過玻璃磚觀察并調(diào)整視線方向,使P1的像被的像被P2擋住,然擋住,然 后在觀察一側(cè)插上大頭針后在觀察一側(cè)插上大頭針P3,使,使P3同時擋住同時擋住P2、P1的像,再的像,再 插上插上P4擋住擋住P3及及P2、P1的像的像(6)移去玻璃磚,拔去大頭針,由大頭針移去玻璃磚,拔去大頭針,

3、由大頭針P3、P4的針孔位置確的針孔位置確 定出射光線定出射光線OB及出射點及出射點O,連接,連接O、O得線段得線段OO, 則則OO即玻璃磚內(nèi)的折射光線即玻璃磚內(nèi)的折射光線(7)用量角器測量入射角用量角器測量入射角1和折射角和折射角2,并查出其正弦值,并查出其正弦值sin1 和和sin2.(8)改變?nèi)肷浣?,重?fù)實驗記錄下每次的入射角改變?nèi)肷浣牵貜?fù)實驗記錄下每次的入射角1和折射和折射 角角2.2數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理(1)計算法:用量角器測量入射角計算法:用量角器測量入射角1和折射角和折射角2,并查出其,并查出其 正弦值正弦值sin1和和sin2.算出不同入射角時的算出不同入射角時的 ,并取平,并取

4、平 均值均值(2)作作sin1sin2圖象:改變不同的入射角圖象:改變不同的入射角1,測出不同的,測出不同的 折射角折射角2,作,作sin1sin2圖象,由圖象,由n 可知圖象應(yīng)為直線,如圖可知圖象應(yīng)為直線,如圖 實實 132所示,其斜率所示,其斜率 為折射率為折射率圖實圖實 132(3)“單位圓單位圓”法確定法確定sin1、sin2,計算折射率,計算折射率n. 以入射點以入射點O為圓心,以一定的長度為圓心,以一定的長度R為半徑畫圓,交入射光為半徑畫圓,交入射光 線線OA于于E點,交折射光線點,交折射光線OO于于E點,過點,過E作作NN的垂的垂 線線EH,過,過E作作NN的垂線的垂線EH.如圖

5、實如圖實133所示,所示, OEOE R,則,則 只要用只要用 刻度尺量出刻度尺量出 EH、EH的長度就的長度就 可以求出可以求出n.圖實圖實 133五、注意事項五、注意事項1玻璃磚宜選寬度大些的,實驗中玻璃磚的位置不要移玻璃磚宜選寬度大些的,實驗中玻璃磚的位置不要移 動用手拿玻璃磚時,只能接觸玻璃磚的毛面或棱,嚴禁動用手拿玻璃磚時,只能接觸玻璃磚的毛面或棱,嚴禁 用玻璃磚當(dāng)尺子畫界面用玻璃磚當(dāng)尺子畫界面2大頭針應(yīng)豎直插入,兩大頭針間距離宜大些大頭針應(yīng)豎直插入,兩大頭針間距離宜大些3所選入射角不應(yīng)過大,否則在另一側(cè)看不清所選入射角不應(yīng)過大,否則在另一側(cè)看不清P1、P2的像;的像; 也不應(yīng)過小,

6、否則測量誤差較大也不應(yīng)過小,否則測量誤差較大4用半圓形玻璃磚、三棱鏡也能完成此項實驗用半圓形玻璃磚、三棱鏡也能完成此項實驗5由于要多次改變?nèi)肷浣侵貜?fù)實驗,所以入射光線與出射由于要多次改變?nèi)肷浣侵貜?fù)實驗,所以入射光線與出射 光線要一一對應(yīng)光線要一一對應(yīng)六、誤差分析六、誤差分析1入射光線、出射光線確定的準確性造成誤差,故入射側(cè)、入射光線、出射光線確定的準確性造成誤差,故入射側(cè)、 出射側(cè)所插兩枚大頭針的間距應(yīng)大一些出射側(cè)所插兩枚大頭針的間距應(yīng)大一些2入射角和折射角的測量造成誤差,故入射角應(yīng)適當(dāng)大些,入射角和折射角的測量造成誤差,故入射角應(yīng)適當(dāng)大些, 以減小測量的相對誤差以減小測量的相對誤差 (1)在

7、用插針法測定玻璃的折射率的實驗中,某同學(xué)在用插針法測定玻璃的折射率的實驗中,某同學(xué)的操作步驟如下:的操作步驟如下:a用圖釘將記錄光路的白紙固定在平板上;用圖釘將記錄光路的白紙固定在平板上;b手拿玻璃磚的毛面或棱,將其輕放在白紙上;手拿玻璃磚的毛面或棱,將其輕放在白紙上;c用鉛筆環(huán)繞玻璃磚畫出邊界用鉛筆環(huán)繞玻璃磚畫出邊界aa和和bb;d在在aa上選擇一點上選擇一點O作為不同入射角的入射光線的共同入作為不同入射角的入射光線的共同入射點,畫出入射角射點,畫出入射角i分別為分別為0、30、45的入射光線;的入射光線;e用用“插針法插針法”分別得到各條入射光線對應(yīng)的出射光線,分別得到各條入射光線對應(yīng)的出

8、射光線,觀察時著重看大頭針針帽是否在一條直線上,取下玻璃磚、觀察時著重看大頭針針帽是否在一條直線上,取下玻璃磚、大頭針,連接各針孔,發(fā)現(xiàn)所畫折射光線中有兩條相交,大頭針,連接各針孔,發(fā)現(xiàn)所畫折射光線中有兩條相交,量出各個折射角量出各個折射角r;f按公式分別計算按公式分別計算 取三個值的算術(shù)平均值取三個值的算術(shù)平均值以上步驟中有錯誤或不妥之處的是以上步驟中有錯誤或不妥之處的是_;應(yīng)改正為應(yīng)改正為_.(2)在用插針法測定玻璃磚的折射率的實驗中,甲、乙、丙三在用插針法測定玻璃磚的折射率的實驗中,甲、乙、丙三位同學(xué)在紙上畫出的界面位同學(xué)在紙上畫出的界面aa、bb與玻璃磚位置的關(guān)系分別與玻璃磚位置的關(guān)系

9、分別如圖實如圖實 134甲、乙和丙所示,其中甲、丙兩同學(xué)用的是甲、乙和丙所示,其中甲、丙兩同學(xué)用的是矩形玻璃磚,乙同學(xué)用的是梯形玻璃磚他們的其他操作均矩形玻璃磚,乙同學(xué)用的是梯形玻璃磚他們的其他操作均正確,且均以正確,且均以aa、bb為界面畫光路圖則:為界面畫光路圖則:圖實圖實 134甲同學(xué)測得的折射率與真實值相比甲同學(xué)測得的折射率與真實值相比_(填填“偏偏大大”、“偏小偏小”或或“不變不變”);乙同學(xué)測得的折射率與真實值相比乙同學(xué)測得的折射率與真實值相比_(填填“偏偏大大”、“偏小偏小”或或“不變不變”);丙同學(xué)測得的折射率與真實值相比丙同學(xué)測得的折射率與真實值相比_解析解析(1)有錯誤或不

10、妥之處的是有錯誤或不妥之處的是cde.c中應(yīng)先畫出一條中應(yīng)先畫出一條直線,把玻璃磚的一邊與其重合,再使直尺與玻璃磚的界面直線,把玻璃磚的一邊與其重合,再使直尺與玻璃磚的界面對齊,移開玻璃磚后再畫邊界線;對齊,移開玻璃磚后再畫邊界線;d中入射角要取中入射角要取0以外的以外的三組數(shù)據(jù);三組數(shù)據(jù);e中大頭針要豎直插牢,觀察時看針腳是否在同中大頭針要豎直插牢,觀察時看針腳是否在同一條直線上一條直線上(2)如圖實如圖實135所示,甲同學(xué)利用插針法確定入射光線和所示,甲同學(xué)利用插針法確定入射光線和折射光線后,測得的入射角不受影響,折射光線后,測得的入射角不受影響,但測得的折射角比真實值偏大,因此但測得的折

11、射角比真實值偏大,因此測得的折射率偏小測得的折射率偏小乙同學(xué)雖用的是梯形玻璃磚,但乙同學(xué)雖用的是梯形玻璃磚,但所畫邊界線與玻璃磚重合,測得的折射率與玻璃磚的形狀無所畫邊界線與玻璃磚重合,測得的折射率與玻璃磚的形狀無關(guān),因此所測得的折射率與真實值相比不變關(guān),因此所測得的折射率與真實值相比不變圖實圖實135如圖實如圖實136所示,丙同學(xué)用插針法確定的光線的出射點所示,丙同學(xué)用插針法確定的光線的出射點若恰在若恰在A點,則測得的折射率不變?nèi)粼邳c,則測得的折射率不變?nèi)粼赽A之間則偏小,若之間則偏小,若在在bA之間則偏大之間則偏大答案答案(1)cde見解析見解析(2)偏小偏小不變不變可能偏小、可能偏大、可

12、能不變可能偏小、可能偏大、可能不變圖實圖實136 學(xué)校開展研究性學(xué)習(xí),某研究小組的同學(xué)根據(jù)所學(xué)學(xué)校開展研究性學(xué)習(xí),某研究小組的同學(xué)根據(jù)所學(xué)的光學(xué)知識設(shè)計了一個測量液體折射率的儀器,如圖實的光學(xué)知識設(shè)計了一個測量液體折射率的儀器,如圖實137所示在一圓盤上,過其圓心所示在一圓盤上,過其圓心O作兩條互相垂直的直徑作兩條互相垂直的直徑BC、EF,在半徑,在半徑OA上,垂上,垂直盤面插下兩枚大頭針直盤面插下兩枚大頭針P1、P2,并保持并保持P1、P2位置不變,每次位置不變,每次測量時讓圓盤的下半部分豎直測量時讓圓盤的下半部分豎直圖實圖實137進入液體中,而且總使得液面與直徑進入液體中,而且總使得液面與

13、直徑BC相平,相平,EF作為界面的作為界面的法線,而后在圖中右上方區(qū)域觀察法線,而后在圖中右上方區(qū)域觀察P1、P2的像,并在圓周上的像,并在圓周上插上大頭針插上大頭針P3,使,使P3正好擋住正好擋住P1、P2的像,同學(xué)們通過計算,的像,同學(xué)們通過計算,預(yù)先在圓周預(yù)先在圓周EC部分刻好了折射率的值,這樣只要根據(jù)部分刻好了折射率的值,這樣只要根據(jù)P3所插所插的位置,就可直接讀出液體折射率的值回答下列問題:的位置,就可直接讀出液體折射率的值回答下列問題:(1)若若AOF30,OP3與與OC的夾角為的夾角為30,則,則P3處所對應(yīng)的處所對應(yīng)的折射率的值為折射率的值為_(2)圖中圖中P3、P4兩位置兩位

14、置_處所對應(yīng)的折射率大處所對應(yīng)的折射率大(3)作作AO的延長線交圓周于的延長線交圓周于K,K處所對應(yīng)的折射率值應(yīng)為處所對應(yīng)的折射率值應(yīng)為_解析解析(1)根據(jù)折射定律根據(jù)折射定律n 題中題中160,2AOF30,所以,所以n 1.73.(2)圖中圖中P4對應(yīng)的入射角大于對應(yīng)的入射角大于P3所對應(yīng)的入射角,所以所對應(yīng)的入射角,所以P4對應(yīng)對應(yīng)的折射率大的折射率大(3)因因A、O、K在一條直線上,入射角等于折射角,所以在一條直線上,入射角等于折射角,所以K處處對應(yīng)的折射率應(yīng)為對應(yīng)的折射率應(yīng)為1.答案答案(1)1.73(2)P4(3)1一、實驗?zāi)康囊弧嶒災(zāi)康?觀察白光、單色光的干涉圖樣,測定單色光的

15、波長觀察白光、單色光的干涉圖樣,測定單色光的波長二、實驗原理二、實驗原理 雙縫干涉條紋間距公式雙縫干涉條紋間距公式x三、實驗器材三、實驗器材 雙縫干涉儀雙縫干涉儀(由光具座、光源、濾光片、單縫、雙縫、由光具座、光源、濾光片、單縫、雙縫、遮光筒、毛玻璃屏、測量頭組成遮光筒、毛玻璃屏、測量頭組成)、學(xué)生電源、導(dǎo)線、刻、學(xué)生電源、導(dǎo)線、刻度尺度尺四、實驗操作四、實驗操作1實驗步驟實驗步驟(1)觀察雙縫干涉圖樣觀察雙縫干涉圖樣 將光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上,如圖將光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上,如圖 實實141所示所示圖實圖實141接好光源,打開開關(guān),使燈絲正常發(fā)光接好光源,打

16、開開關(guān),使燈絲正常發(fā)光調(diào)節(jié)各器件的高度,使光源燈絲發(fā)出的光能沿軸線到達光調(diào)節(jié)各器件的高度,使光源燈絲發(fā)出的光能沿軸線到達光屏屏安裝單縫和雙縫,中心位于遮光筒的軸線上,使雙縫和單安裝單縫和雙縫,中心位于遮光筒的軸線上,使雙縫和單縫的縫平行,二者間距為幾個厘米,這時,可觀察到白光的縫的縫平行,二者間距為幾個厘米,這時,可觀察到白光的干涉條紋干涉條紋在單縫和光源間放上濾光片,觀察單色光的干涉條紋在單縫和光源間放上濾光片,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 安裝測量頭,調(diào)節(jié)至可清晰觀察到干涉條紋安裝測量頭,調(diào)節(jié)至可清晰觀察到干涉條紋 使分劃板中心刻線對齊某條亮條紋的中央,記下手

17、輪上的使分劃板中心刻線對齊某條亮條紋的中央,記下手輪上的 讀數(shù)讀數(shù)a1,將該條紋記為第,將該條紋記為第1條亮紋;轉(zhuǎn)動手輪,使分劃板中條亮紋;轉(zhuǎn)動手輪,使分劃板中 心刻線移動至第心刻線移動至第n條亮條紋的中央,記下此時手輪上的讀條亮條紋的中央,記下此時手輪上的讀 數(shù)數(shù)a2. 用刻度尺測量雙縫到光屏間距離用刻度尺測量雙縫到光屏間距離l(d是已知的是已知的) 重復(fù)測量、計算,求出波長的平均值重復(fù)測量、計算,求出波長的平均值 換用不同的濾光片,重復(fù)實驗換用不同的濾光片,重復(fù)實驗2數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理(1)條紋間距的計算:條紋間距的計算:x(2)波長計算:波長計算:(3)計算多組數(shù)據(jù),求計算多組數(shù)據(jù),求的平

18、均值的平均值五、注意事項五、注意事項1雙縫干涉儀是比較精密的儀器,應(yīng)輕拿輕放,且注意雙縫干涉儀是比較精密的儀器,應(yīng)輕拿輕放,且注意 保養(yǎng)保養(yǎng)2安裝時,注意調(diào)節(jié)光源、濾光片、單縫、雙縫的中心均安裝時,注意調(diào)節(jié)光源、濾光片、單縫、雙縫的中心均 在遮光筒的中心軸線上,并使單縫、雙縫平行且間距適當(dāng)在遮光筒的中心軸線上,并使單縫、雙縫平行且間距適當(dāng)3光源燈絲最好為線狀燈絲,并與單縫平行且靠近光源燈絲最好為線狀燈絲,并與單縫平行且靠近4照在光屏上的光很弱,主要原因是燈絲與單縫、雙縫,測照在光屏上的光很弱,主要原因是燈絲與單縫、雙縫,測 量頭與遮光筒不共軸所致;干涉條紋不清晰的一般原因是單量頭與遮光筒不共軸

19、所致;干涉條紋不清晰的一般原因是單 縫與雙縫不平行所致,故應(yīng)正確調(diào)節(jié)縫與雙縫不平行所致,故應(yīng)正確調(diào)節(jié)六、誤差分析六、誤差分析1雙縫到屏的距離雙縫到屏的距離l的測量存在誤差的測量存在誤差2測條紋間距測條紋間距x帶來的誤差:帶來的誤差:(1)干涉條紋沒有調(diào)整到最清晰的程度干涉條紋沒有調(diào)整到最清晰的程度(2)誤認為誤認為x為亮為亮(暗暗)條紋的寬度條紋的寬度(3)分劃板刻線與干涉條紋不平行,中心刻線沒有恰好位于分劃板刻線與干涉條紋不平行,中心刻線沒有恰好位于 條紋中心條紋中心(4)測量多條亮條紋間的距離時讀數(shù)不準確,此間距中的條測量多條亮條紋間的距離時讀數(shù)不準確,此間距中的條 紋數(shù)未數(shù)清紋數(shù)未數(shù)清

20、(2009北京高考北京高考)在在“用雙縫干涉測光的波長用雙縫干涉測光的波長”的實的實驗中,將雙縫干涉實驗儀按要求安裝在光具座上驗中,將雙縫干涉實驗儀按要求安裝在光具座上(如圖實如圖實142),并選用縫間距,并選用縫間距d0.20 mm的雙縫屏從儀器注明的的雙縫屏從儀器注明的規(guī)格可知,像屏與雙縫屏間的距離規(guī)格可知,像屏與雙縫屏間的距離L700 mm.然后,接通電然后,接通電源使光源正常工作源使光源正常工作圖實圖實142圖實圖實143圖實圖實144(1)已知測量頭主尺的最小刻度是毫米,副尺上有已知測量頭主尺的最小刻度是毫米,副尺上有50分度某分度某同學(xué)調(diào)整手輪后,從測量頭的目鏡看去,第一次映入眼簾

21、的同學(xué)調(diào)整手輪后,從測量頭的目鏡看去,第一次映入眼簾的干涉條紋如圖實干涉條紋如圖實143(a)所示,圖實所示,圖實143(a)中的數(shù)字是中的數(shù)字是該同學(xué)給各暗紋的編號,此時圖實該同學(xué)給各暗紋的編號,此時圖實143(b)中游標(biāo)尺上的讀中游標(biāo)尺上的讀數(shù)數(shù)x11.16 mm;接著再轉(zhuǎn)動手輪,映入眼簾的干涉條紋如圖;接著再轉(zhuǎn)動手輪,映入眼簾的干涉條紋如圖實實144(a)所示所示 ,此時圖實,此時圖實144(b)中游標(biāo)尺上的讀數(shù)中游標(biāo)尺上的讀數(shù)x2_mm;(2)利用上述測量結(jié)果,經(jīng)計算可得兩個相鄰明紋利用上述測量結(jié)果,經(jīng)計算可得兩個相鄰明紋(或暗紋或暗紋)間間的距離的距離x_mm;這種色光的波長;這種色

22、光的波長_nm.解析解析(1)主尺讀數(shù)為主尺讀數(shù)為15 mm,游標(biāo)尺讀數(shù)為,游標(biāo)尺讀數(shù)為10.02 mm0.02 mm,二者相加即可,二者相加即可(2)由于圖中數(shù)字標(biāo)記的是暗條紋,首先應(yīng)根據(jù)暗條紋所標(biāo)數(shù)由于圖中數(shù)字標(biāo)記的是暗條紋,首先應(yīng)根據(jù)暗條紋所標(biāo)數(shù)字給亮條紋也標(biāo)明條數(shù),若圖實字給亮條紋也標(biāo)明條數(shù),若圖實143中圖中圖(a)所示的中央刻所示的中央刻線所對亮條紋記為第線所對亮條紋記為第1條,則圖實條,則圖實144中圖中圖(a)所示的中央所示的中央刻線所對亮條紋為刻線所對亮條紋為n7,則,則x 2.31 mm,光的波,光的波長長 6.6102 nm.答案答案(1)15.02(2)2.316.61

23、02 現(xiàn)有毛玻璃屏現(xiàn)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和透和透紅光的濾光片紅光的濾光片E等光學(xué)元件,要把它們放在如圖實等光學(xué)元件,要把它們放在如圖實145所示的光具座上組裝成雙縫干涉裝置,用以測量紅光的波所示的光具座上組裝成雙縫干涉裝置,用以測量紅光的波長長圖實圖實145(1)將白光光源將白光光源C放在光具座最左端,依次放置其他光學(xué)元件,放在光具座最左端,依次放置其他光學(xué)元件,由左至右,表示各光學(xué)元件的字母排列順序應(yīng)為由左至右,表示各光學(xué)元件的字母排列順序應(yīng)為C、_、_、_、A.(2)本實驗的實驗步驟如下:本實驗的實驗步驟如下:取下遮光筒左側(cè)的元件,調(diào)節(jié)光源高度,使

24、光束能直接沿遮取下遮光筒左側(cè)的元件,調(diào)節(jié)光源高度,使光束能直接沿遮光筒軸線把屏照亮;光筒軸線把屏照亮;按合理順序在光具座上放置各光學(xué)元件,并使各元件的中心按合理順序在光具座上放置各光學(xué)元件,并使各元件的中心位于遮光筒的軸線上;位于遮光筒的軸線上;用米尺測量雙縫到屏的距離;用米尺測量雙縫到屏的距離;用測量頭用測量頭(其讀數(shù)方法同螺旋測微器其讀數(shù)方法同螺旋測微器)測量數(shù)條亮紋間的測量數(shù)條亮紋間的距離距離在操作步驟在操作步驟時還應(yīng)注意時還應(yīng)注意_和和_(3)若測得雙縫間距為若測得雙縫間距為3.0 mm,雙縫與屏之間的距離為,雙縫與屏之間的距離為0.70 m,通過測量頭通過測量頭(與螺旋測微器原理相似

25、,手輪轉(zhuǎn)動一周,分劃板與螺旋測微器原理相似,手輪轉(zhuǎn)動一周,分劃板前進或后退前進或后退0.500 mm)觀察到第觀察到第1條亮紋的位置如圖實條亮紋的位置如圖實146(a)所示,觀察第所示,觀察第5條亮紋的位置如圖實條亮紋的位置如圖實146(b)所示則所示則可求出紅光的波長可求出紅光的波長_ m(保留一位有效數(shù)字保留一位有效數(shù)字)圖實圖實146解析解析(1)雙縫干涉儀各組成部分在光具座上的正確排序為: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、單縫、雙縫、屏,因此應(yīng)填光源、濾光片、單縫、雙縫、屏,因此應(yīng)填E、D、B.(2)安裝光學(xué)元件時,應(yīng)注意單縫與雙縫間的距離為安裝光學(xué)元件時,應(yīng)注意單縫與雙縫間的距離為5 cm10 cm,同時使單縫與雙縫相互平行,同時使單縫與雙縫相互平行(3)由圖實由圖實146可知,條紋間距為可知,條紋間距為x mm又雙縫到屏的距離又雙縫到屏的距離l0.70 m,雙縫間距,雙縫間距d3.0 mm,由由x 得:得:代入數(shù)據(jù)得代入數(shù)據(jù)得7107 m答案答案(1)E、D、B(2)單縫與雙縫的間距為單縫與雙縫的間距為5 cm10 cm使單縫與雙縫相互使單縫與雙縫相互平行平行(3)7107

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