桂工 大学物理 罗益民 详细答案 第10章 光学
2021年工程力学课后习题答案-工程力学实验课后题答案
工程力学欧阳光明（2021.03.07）练习册学校学院专业学号教师姓名*欧阳光明*创编 2021.03.07*欧阳光明*创编 2021.03.07第一章 静力学基础1-1 画出下列各图中物体A ，构件AB ，BC 或ABC 的受力图，未标重力的物体的重量不计，所有接触处均为光滑接触。
（a ）（b ）（c ）（d ）（e）（f）（g）1-2 试画出图示各题中AC杆（带销钉）和BC杆的受力图*欧阳光明*创编 2021.03.07*欧阳光明*创编2021.03.07（a ） （b ） （c ）（a ）1-3 画出图中指定物体的受力图。
所有摩擦均不计，各物自重除图中已画出的外均不计。
（a ）（b）（c）*欧阳光明*创编 2021.03.07*欧阳光明*创编2021.03.07（d ）（e）（f）*欧阳光明*创编 2021.03.07*欧阳光明*创编2021.03.07（g ）第二章 平面力系2-1 电动机重P=5000N ，放在水平梁AC 的中央，如图所示。
梁的A 端以铰链固定，另一端以撑杆BC 支持，撑杆与水平梁的夹角为30 0。
如忽略撑杆与梁的重量，求绞支座A 、B 处的约束反力。
题2-1图∑∑=︒+︒==︒-︒=PF F FF F F B A yA B x 30sin 30sin ,0030cos 30cos ,0解得:N P F F B A 5000===2-2 物体重P=20kN ，用绳子挂在支架的滑轮B 上，绳子的另一端接在绞车D 上，如图所示。
转动绞车，物体便能升起。
设滑轮的大小及轴承的摩擦略去不计，杆重不计，A 、B 、*欧阳光明*创编 2021.03.07*欧阳光明*创编 2021.03.07C 三处均为铰链连接。
当物体处于平衡状态时，求拉杆AB 和支杆BC 所受的力。
题2-2图∑∑=-︒-︒-==︒-︒--=030cos 30sin ,0030sin 30cos ,0P P F FP F F F BC yBC AB x解得:PF P F AB BC 732.2732.3=-=2-3 如图所示，输电线ACB 架在两电线杆之间，形成一下垂线，下垂距离CD=f=1m ，两电线杆间距离AB=40m 。
大学物理上册答案第四版（罗益民吴烨）北邮出版第一章
⼤学物理上册答案第四版（罗益民吴烨）北邮出版第⼀章第1章质点运动学1-1⼀运动质点某⼀瞬时位于径⽮()r x y ，的端点处，关于其速度的⼤⼩有4种不同的看法，即（1）d d t r ；（2）d d t r；（3）d d s r；（4下列判断正确的是（）.(A)只有(1)和(2)正确(B)只有(2)正确(C)只有(3)和(4)正确(D)(1)(2)(3)(4)都正确答案：（C ）解析：瞬时速度的⼤⼩等于瞬时速率，故（3）正确；速度可由各分量合成，故（4）正确。
1-2⼀质点的运动⽅程为22cos cos sin sin x At Bt y At Bt θθθθ＝＋，＝＋，式中A ，B ，θ均为常量，且A ＞0，B ＞0，则该质点的运动为（）.(A)⼀般曲线运动(B)匀速直线运动(C)匀减速直线运动(D)匀加速直线运动答案：（D ）解析：由tan y x θ可知，质点做直线运动.a x ＝2B cos θa y ＝2B sin θa＝2B加速度a 为定值，故质点做匀加速直线运动.1-3⼀质点沿半径为R 的圆周运动，其⾓速度随时间的变化规律为ω＝2bt ，式中b 为正常量．如果t ＝0时，θ0＝0，那么当质点的加速度与半径成45°⾓时，θ⾓的⼤⼩为()rad.(A)12(B)1(C)b (D)2b 答案：（A ）解析：a t ＝R β＝2bRa n ＝R 2ω＝4Rb 2t 2a t ＝a nt 2＝b 21θ＝20tω?d t ＝bt 2＝211-4⼀⼈沿停靠的台阶式电梯⾛上楼需时90s ，当他站在开动的电梯上上楼，需时60s ．如果此⼈沿开动的电梯⾛上楼，所需时间为（）.(A)24s(B)30s (C)36s (D)40s答案：（C ）解析：设电梯长度为s ，则=+9060s s s t ，解得t ＝36s.1-5已知质点的加速度与位移的关系式为32a x ＝＋，当t ＝0时，v 0＝0，x 0＝0，则速度v 与位移x 的关系式为________.答案：v 2＝3x 2＋4x 解析：d d d d d d d d v v x v a v t x t x===，d d v v a x ＝，00d =(3+2)d v x v v x x ?，v 2＝3x 2＋4x .1-6在地⾯上以相同的初速v 0，不同的抛射⾓θ斜向上抛出⼀物体，不计空⽓阻⼒．当θ＝________时，⽔平射程最远，最远⽔平射程为________.答案：45°20v g解析：对于斜抛运动：0cos x v tθ?＝201sin 2y v t gt θ?＝－当y ＝0时，解得02sin v t gθ=物体的⽔平射程20sin 2v x gθ＝当θ＝45°时有最远⽔平射程，其⼤⼩为20max v x g＝1-7某⼈骑摩托车以115m s -?的速度向东⾏驶，感觉到风以115m s -?的速度从正南吹来，则风速的⼤⼩为________m·s －1，⽅向沿________.答案：m/s 东偏北45°解析：如答案1-7图所⽰，由图可知=+v v v 风地风⼈⼈地故风速⼤⼩m/sv风地＝⽅向为东偏北45°.答案1-7图1-8⼀质点作直线运动，加速度2sin a A t ωω＝，已知t ＝0时，x 0＝0，v 0＝－ωA ，则该质点的运动⽅程为_______________.答案：sin x A t ω=-，解析：d d v a t＝20d sin d v tA v A t t ωωω-=??解得，该质点的速度为cos v A tωω=-d d x v t＝00d cos d x t x A t t ωω=-??解得，该质点的运动⽅程为sin x A tω=-1-9⼀质点在xOy 平⾯上运动，运动⽅程为x ＝3t ＋5，y ＝12t 2＋3t －4式中，t 以s 计，x ，y 以m 计.(1)以时间t 为变量，写出质点位置⽮量的表⽰式；(2)计算第1s 内质点的位移；(3)计算t ＝0s 时刻到t ＝4s 时刻内的平均速度；(4)求出质点速度⽮量表⽰式，计算t ＝4s 时质点的速度；(5)计算t ＝0s 到t ＝4s 内质点的平均加速度；(6)求出质点加速度⽮量的表⽰式，计算t ＝4s 时质点的加速度.(位置⽮量、位移、平均速度、瞬时速度、平均加速度、瞬时加速度都表⽰成直⾓坐标系中的⽮量式)解：(1)质点t 时刻位⽮为21(35)342r t i t t j ??=+++-(m)(2)第1s 内位移为11010()()r x x i y y j=-+- 2213(10)(10)3(10)23 3.5()i j i j m ??=-+-+-=+ (3)前4s 内平均速度为11(1220)35(m s )4r v i j i j t -?==?+=+?? (4)质点速度⽮量表⽰式为1d 3(3)(m s )d r v i t j t-==++? t ＝4s 时质点的速度为143(43)37(m s )v i j i j -=++=+? (5)前4s 内平均加速度为240731(m s )4s 4v v v a j j t -?--====?? (6)质点加速度⽮量的表⽰式为2d 1(m s )d v a j t-==? t ＝4s 时质点的加速度为241(m s )a j -=? 1-10质点沿直线运动，速度v ＝(t 3＋3t 2＋2)m·s －1，如果当t ＝2s 时，x ＝4m ，求：t ＝3s 时，质点的位置、速度和加速度.解：32d 32d x v t t t==++431d d 24x x v t t t t c ===+++??当t =2时，x =4，代⼊可得c =－12.则质点的位置、速度和加速度的表达式分别为4312124x t t t =++-32232d 36d v t t v a t t t=++==+将t =3s 分别代⼊得上述各式，解得1233341.25m 56m s 45m s x v a --==?=?，，1-11质点的运动⽅程为2[4(32)] m r t i t j ＝＋＋，t 以s 计．求：(1)质点的轨迹⽅程；(2)t ＝1s 时质点的坐标和位⽮⽅向；(3)第1s 内质点的位移和平均速度；(4)t ＝1s 时质点的速度和加速度.解：(1)由运动⽅程2432x t y t==+消去t 得轨迹⽅程2(3)0x y --=(2)t =1s 时,114m 5m x y ==，,故质点的坐标为（4,5）.由11tan 1.25y x α==得51.3α=?，即位⽮与x 轴夹⾓为53.0°.(3)第1s 内质点的位移和平均速度分别为1(40)(53)42(m)r i j i j ?=-+-=+1142(m s )r v i j t-?==+?? (4)质点的速度与加速度分别为d 82d r v ti j t==+ d 8d v a i t== 故t =1s 时的速度和加速度分别为1182m s v i j -=+? （）218m s a i -=? （）1-12以速度v 0平抛⼀球，不计空⽓阻⼒，求：t 时刻⼩球的切向加速度a t 和法向加速度a n 的量值.解：⼩球下落过程中速度为v故切向加速度为2t d d v a t ＝由222n t a g a =-得，法向加速度为n a =1-13⼀种喷⽓推进的实验车，从静⽌开始可在1.80s 内加速到1600km·h －1的速率．按匀加速运动计算，它的加速度是否超过了⼈可以忍受的加速度25g ？这1.80s 内该车跑了多少距离？解：实验车的加速度为3222160010m /s 2.4710m/s 3600 1.80v a t ?===??故它的加速度略超过25g .1.80s 内实验车跑的距离为3160010 1.80m 400m 223600v s t ?==?=?1-14在以初速率-1015.0 m s v ?＝竖直向上扔⼀块⽯头后，(1)在1.0s 末⼜竖直向上扔出第⼆块⽯头，后者在h ＝11.0m ⾼度处击中前者，求第⼆块⽯头扔出时的速率；(2)若在1.3s 末竖直向上扔出第⼆块⽯头，它仍在h ＝11.0m ⾼度处击中前者，求这⼀次第⼆块⽯头扔出时的速率.解：(1)设第⼀块⽯头扔出后经过时间t 被第⼆块击中，则2012h v t gt =-代⼊已知数据得2111159.82t t =-?解此⽅程，可得⼆解为111.84s 1.22st t ==，′第⼀块⽯头上升到顶点所⽤的时间为10m 15.0s 1.53s 9.8v t g ===1m t t >,这对应于第⼀块⽯头回落时与第⼆块相碰；1m t t <′，这对应于第⼀块⽯头上升时被第⼆块赶上击中.设20v 和20v ′分别为在t 1和1t ′时刻两⽯块相碰时第⼆⽯块的初速度，则由于22011111()()2h v t t g t t =---D D 所以2211201111()119.8(1.841)22m/s 17.2m/s 1.841hg t t v t t +-?+??-===-?-同理，2211201111()119.8(1.221)22m/s 51.1m/s 1.221h g t t v t t +-?+??-===-?-′′′(2)由于211.3s t t ?=>′，所以第⼆块⽯头不可能在第⼀块上升时与第⼀块相碰。
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第1章质点运动学1-1一运动质点某一瞬时位于径矢()r x y ，的端点处，关于其速度的大小有4种不同的看法，即（1）d d t r ；（2）d d t r；（3）d d s r；（4下列判断正确的是（）.(A)只有(1)和(2)正确(B)只有(2)正确(C)只有(3)和(4)正确(D)(1)(2)(3)(4)都正确答案：（C ）解析：瞬时速度的大小等于瞬时速率，故（3）正确；速度可由各分量合成，故（4）正确。
1-2一质点的运动方程为22cos cos sin sin x At Bt y At Bt θθθθ⎧⎪⎨⎪⎩＝＋，＝＋，式中A ，B ，θ均为常量，且A ＞0，B ＞0，则该质点的运动为（）.(A)一般曲线运动(B)匀速直线运动(C)匀减速直线运动(D)匀加速直线运动答案：（D ）解析：由tan y x θ可知，质点做直线运动.a x ＝2B cos θa y ＝2B sin θa＝2B加速度a 为定值，故质点做匀加速直线运动.1-3一质点沿半径为R 的圆周运动，其角速度随时间的变化规律为ω＝2bt ，式中b 为正常量．如果t ＝0时，θ0＝0，那么当质点的加速度与半径成45°角时，θ角的大小为()rad.(A)12(B)1(C)b (D)2b 答案：（A ）解析：a t ＝R β＝2bRa n ＝R 2ω＝4Rb 2t 2a t ＝a nt 2＝b 21θ＝20tω⎰d t ＝bt 2＝211-4一人沿停靠的台阶式电梯走上楼需时90s ，当他站在开动的电梯上上楼，需时60s ．如果此人沿开动的电梯走上楼，所需时间为（）.(A)24s(B)30s (C)36s (D)40s答案：（C ）解析：设电梯长度为s ，则=+9060s s s t ，解得t ＝36s.1-5已知质点的加速度与位移的关系式为32a x ＝＋，当t ＝0时，v 0＝0，x 0＝0，则速度v 与位移x 的关系式为________.答案：v 2＝3x 2＋4x 解析：d d d d d d d d v v x v a v t x t x===，d d v v a x ＝，00d =(3+2)d v x v v x x ⎰⎰，v 2＝3x 2＋4x .1-6在地面上以相同的初速v 0，不同的抛射角θ斜向上抛出一物体，不计空气阻力．当θ＝________时，水平射程最远，最远水平射程为________.答案：45°20v g解析：对于斜抛运动：0cos x v tθ⋅＝201sin 2y v t gt θ⋅＝－当y ＝0时，解得02sin v t gθ=物体的水平射程20sin 2v x gθ＝当θ＝45°时有最远水平射程，其大小为20max v x g＝1-7某人骑摩托车以115m s -⋅的速度向东行驶，感觉到风以115m s -⋅的速度从正南吹来，则风速的大小为________m·s －1，方向沿________.答案：m/s 东偏北45°解析：如答案1-7图所示，由图可知=+v v v 风地风人人地故风速大小m/sv风地＝方向为东偏北45°.答案1-7图1-8一质点作直线运动，加速度2sin a A t ωω＝，已知t ＝0时，x 0＝0，v 0＝－ωA ，则该质点的运动方程为_______________.答案：sin x A t ω=-，解析：d d v a t＝20d sin d v tA v A t t ωωω-=⎰⎰解得，该质点的速度为cos v A tωω=-d d x v t＝00d cos d x t x A t t ωω=-⎰⎰解得，该质点的运动方程为sin x A tω=-1-9一质点在xOy 平面上运动，运动方程为x ＝3t ＋5，y ＝12t 2＋3t －4式中，t 以s 计，x ，y 以m 计.(1)以时间t 为变量，写出质点位置矢量的表示式；(2)计算第1s 内质点的位移；(3)计算t ＝0s 时刻到t ＝4s 时刻内的平均速度；(4)求出质点速度矢量表示式，计算t ＝4s 时质点的速度；(5)计算t ＝0s 到t ＝4s 内质点的平均加速度；(6)求出质点加速度矢量的表示式，计算t ＝4s 时质点的加速度.(位置矢量、位移、平均速度、瞬时速度、平均加速度、瞬时加速度都表示成直角坐标系中的矢量式)解：(1)质点t 时刻位矢为21(35)342r t i t t j ⎛⎫=+++- ⎪⎝⎭(m)(2)第1s 内位移为11010()()r x x i y y j∆=-+- 2213(10)(10)3(10)23 3.5()i j i j m ⎡⎤=-+-+-⎢⎥⎣⎦=+ (3)前4s 内平均速度为11(1220)35(m s )4r v i j i j t -∆==⨯+=+⋅∆ (4)质点速度矢量表示式为1d 3(3)(m s )d r v i t j t-==++⋅ t ＝4s 时质点的速度为143(43)37(m s )v i j i j -=++=+⋅ (5)前4s 内平均加速度为240731(m s )4s 4v v v a j j t -∆--====⋅∆ (6)质点加速度矢量的表示式为2d 1(m s )d v a j t-==⋅ t ＝4s 时质点的加速度为241(m s )a j -=⋅ 1-10质点沿直线运动，速度v ＝(t 3＋3t 2＋2)m·s －1，如果当t ＝2s 时，x ＝4m ，求：t ＝3s 时，质点的位置、速度和加速度.解：32d 32d x v t t t==++431d d 24x x v t t t t c ===+++⎰⎰当t =2时，x =4，代入可得c =－12.则质点的位置、速度和加速度的表达式分别为4312124x t t t =++-32232d 36d v t t v a t t t=++==+将t =3s 分别代入得上述各式，解得1233341.25m 56m s 45m s x v a --==⋅=⋅，，1-11质点的运动方程为2[4(32)] m r t i t j ＝＋＋，t 以s 计．求：(1)质点的轨迹方程；(2)t ＝1s 时质点的坐标和位矢方向；(3)第1s 内质点的位移和平均速度；(4)t ＝1s 时质点的速度和加速度.解：(1)由运动方程2432x t y t⎧=⎨=+⎩消去t 得轨迹方程2(3)0x y --=(2)t =1s 时,114m 5m x y ==，,故质点的坐标为（4,5）.由11tan 1.25y x α==得51.3α=︒，即位矢与x 轴夹角为53.0°.(3)第1s 内质点的位移和平均速度分别为1(40)(53)42(m)r i j i j ∆=-+-=+1142(m s )r v i j t-∆==+⋅∆ (4)质点的速度与加速度分别为d 82d r v ti j t==+ d 8d v a i t== 故t =1s 时的速度和加速度分别为1182m s v i j -=+⋅ （）218m s a i -=⋅ （）1-12以速度v 0平抛一球，不计空气阻力，求：t 时刻小球的切向加速度a t 和法向加速度a n 的量值.解：小球下落过程中速度为v故切向加速度为2t d d v a t ＝由222n t a g a =-得，法向加速度为n a =1-13一种喷气推进的实验车，从静止开始可在1.80s 内加速到1600km·h －1的速率．按匀加速运动计算，它的加速度是否超过了人可以忍受的加速度25g ？这1.80s 内该车跑了多少距离？解：实验车的加速度为3222160010m /s 2.4710m/s 3600 1.80v a t ⨯===⨯⨯故它的加速度略超过25g .1.80s 内实验车跑的距离为3160010 1.80m 400m 223600v s t ⨯==⨯=⨯1-14在以初速率-1015.0 m s v ⋅＝竖直向上扔一块石头后，(1)在1.0s 末又竖直向上扔出第二块石头，后者在h ＝11.0m 高度处击中前者，求第二块石头扔出时的速率；(2)若在1.3s 末竖直向上扔出第二块石头，它仍在h ＝11.0m 高度处击中前者，求这一次第二块石头扔出时的速率.解：(1)设第一块石头扔出后经过时间t 被第二块击中，则2012h v t gt =-代入已知数据得2111159.82t t =-⨯解此方程，可得二解为111.84s 1.22st t ==，′第一块石头上升到顶点所用的时间为10m 15.0s 1.53s 9.8v t g ===1m t t >,这对应于第一块石头回落时与第二块相碰；1m t t <′，这对应于第一块石头上升时被第二块赶上击中.设20v 和20v ′分别为在t 1和1t ′时刻两石块相碰时第二石块的初速度，则由于22011111()()2h v t t g t t =---D D 所以2211201111()119.8(1.841)22m/s 17.2m/s 1.841h g t t v t t +-∆+⨯⨯-===-∆-同理，2211201111()119.8(1.221)22m/s 51.1m/s 1.221h g t t v t t +-∆+⨯⨯-===-∆-′′′(2)由于211.3s t t ∆=>′，所以第二块石头不可能在第一块上升时与第一块相碰。
大学物理(肖剑荣主编)-习题答案-第10章
y
=
Acos[2π ( t T
+
x λ
)
+
ϕ
0
]
则有
y
=
0.1cos[2π
(2t
+
x )
+
π
]
12
= 0.1cos[4πt + 2π x + π ] m 2
10-7 已知波源在原点的一列平面简谐波，波动方程为 y = A cos( Bt - Cx )，其中
A ， B ， C 为正值恒量．求：
(1)波的振幅、波速、频率、周期与波长；
-
x )
+
p
]
m
22
(2)将 xP = 1 m 代入上式，即得 P 点振动方程为
y
=
0.1cos[(pt
p -
p +
)] =
0.1cospt
m
22
10-11 一列机械波沿 x 轴正向传播， t =0 时的波形如图所示，已知波速为 10
m/s1，波长为 2m，求：
(1) 波动方程；
(2) P 点的振动方程及振动曲线；
=
d
，及 l
=
2p C
代入上式，即得
Df = Cd ．
10-8 沿绳子传播的平面简谐波的波动方程为 y =0.05cos(10pt - 4px )，式中 x , y
以米计， t 以秒计．求：
(1)波的波速、频率和波长；
(2)绳子上各质点振动时的最大速度和最大加速度；
(3)求 x =0.2m 处质点在 t =1s 时的位相，它是原点在哪一时刻的位相?这一位
解: (1)由题
(a)图知， A = 0.1
光学_湖南科技学院中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年
光学_湖南科技学院中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.强度为I的自然光垂直投射到一块理想偏振片上，当偏振片绕光传播方向转动时，通过偏振片的投射光强度答案:为I/2，且不随偏振片的转动而改变2.自然光在两种透明介质的分界面以全偏振角反射时答案:反射光与折射光相互垂直3.两相干光波在考察点产生相消干涉的条件是光程差为半波长的偶数倍答案:4.康普顿散射中的波长改变量与散射角关，而与入射光的波长有关答案:错误5.从单轴晶体内部的一个发光点出发的波面中答案:o光的波面是球面，e光的波面是旋转椭球面6.清晨日出或傍晚日落的阳光呈现红色，其主要原因是答案:太阳光被大气所散射7.雨后的天空出现虹是因为答案:光在水柱表面的折射和在外表面的反射8.戴维逊—革末实验显示了答案:电子的波动性9.在杨氏双缝干涉实验中，用一薄云母片盖住实验装置的上缝，则干涉条纹要向上移动。
答案:10.具有5eV能量的光子射到金属表面上时，从金属表面逸出的电子具有最大动能为1.5eV，为了使这种金属能产生光电效应，入射光子的能量必须不小答案:3.5ev11.光电效应中的红限依赖于答案:金属的逸出功12.在任何温度下答案:绝对黑体的吸收本领为113.光的吸收、散射和色散三种现象都是由光和物质的相互作用引起的。
答案:正确14.用每毫米内有 200 条刻痕的平面透射光栅观察波长为 589nm 的钠光谱。
试问光垂直入射时，最多能观察到几级光谱？（）答案:15.在夫琅和费单缝衍射中，当入射光的波长变大时，中央零级条纹：（）答案:宽度变大16.若白光照射到衍射光栅上，在某一级光谱中，偏离中心最远的光的颜色是：（）答案:红17.光栅衍射的第三级缺级，则光栅常数与缝宽之比为3；还有第6，9，12……级主级大缺级。
答案:正确18.为了增加光栅衍射的分辨本领，可以减小缝数。
答案:错误19.光学系统的实物定义是（）答案:发散入射同心光束的顶点20.从光栅衍射光谱中，在可见光中，紫光衍射最显著。
大学物理光学练习题及答案详解(word文档良心出品)
光学练习题一、 选择题11. 如图所示，用厚度为d 、折射率分别为n 1和n 2 (n 1＜n 2)的两片透明介质分别盖住杨氏双缝实验中的上下两缝, 若入射光的波长为, 此时屏上原来的中央明纹处被第三级明纹所占据, 则该介质的厚度为 [ ] (A) λ3(B) 123n n -λ(C) λ2(D)122n n -λ17. 如图所示，在杨氏双缝实验中, 若用一片厚度为d 1的透光云母片将双缝装置中的上面一个缝挡住; 再用一片厚度为d 2的透光云母片将下面一个缝挡住, 两云母片的折射率均为n , d 1＞d 2, 干涉条纹的变化情况是 [ ] (A) 条纹间距减小(B) 条纹间距增大 (C) 整个条纹向上移动(D) 整个条纹向下移动18. 如图所示，在杨氏双缝实验中, 若用一片能透光的云母片将双缝装置中的上面一个缝盖住, 干涉条纹的变化情况是 [ ] (A) 条纹间距增大(B) 整个干涉条纹将向上移动 (C) 条纹间距减小(D) 整个干涉条纹将向下移动26. 如图(a)所示，一光学平板玻璃A 与待测工件B 之间形成空气劈尖，用波长λ＝500nm(1nm = 10-9m)弯曲部分的顶点恰好与其右边条纹的直线部分的切线相切．则工件的上表面缺陷是[ ] (A) 不平处为凸起纹，最大高度为500 nm(B) 不平处为凸起纹，最大高度为250 nm (C) 不平处为凹槽，最大深度为500 nm (D) 不平处为凹槽，最大深度为250 nm43. 光波的衍射现象没有声波显著, 这是由于[ ] (A) 光波是电磁波, 声波是机械波 (B) 光波传播速度比声波大(C) 光是有颜色的(D) 光的波长比声波小得多53. 在图所示的单缝夫琅禾费衍射实验中，将单缝K平移，则[ ] (A) 衍射条纹移动，条纹宽度不变(B) 衍射条纹移动，条纹宽度变动 (C) 衍射条纹中心不动，条纹变宽 (D) 衍射条纹不动，条纹宽度不变54. 在图所示的单缝夫琅禾费衍射实验中，将单缝宽度 a 稍稍变宽，同时使单缝沿x 轴正向作微小移动，则屏幕E 的中央衍射条纹将 [ ] (A) 变窄，同时上移(B) 变窄，同时下移 (C) 变窄，不移动 (D) 变宽，同时上移55. 在图所示的单缝夫琅禾费衍射实验中，将单缝宽度a 稍稍变窄，同时使汇聚透镜L 2沿x 轴正方向作微小移动，则屏幕E 上的中央衍射条纹将[ ] (A) 变宽，同时上移(B) 变宽，同时下移 (C) 变宽，不移动 (D) 变窄，同时上移56. 一衍射光栅由宽300 nm 、中心间距为900 nm 的缝构成, 当波长为600 nm 的光垂直照射时, 屏幕上最多能观察到的亮条纹数为[ ] (A) 2条 (B) 3条 (C) 4条 (D) 5条57. 白光垂直照射到每厘米有5000条刻痕的光栅上, 若在衍射角ϕ = 30°处能看到某一波长的光谱线, 则该光谱线所属的级次为 [ ] (A) 1 (B) 2 (C) 3 (D) 483. 如图所示，起偏器A 与检偏器B 的偏振化方向相互垂直，偏振片C 位于A 、B 中间且与A 、B 平行，其偏振化方向与A 的偏振化方向成30°夹角. 当强度为I 的自然光垂直射向A 片时，最后的出射光强为 [ ] (A) 0(B)2I (C)8I(D) 以上答案都不对84. 如图所示，一束光强为I 0的自然光相继通过三块偏振片P 1、P 2、P 3后，其出射光的强度为8I I =．已知P 1和P 3的偏振化方向相互垂直．若以入射光线为轴转动P 2, 问至少要转过多少角度才能出射光的光强度为零?[ ] (A) 30° (B) 45° (C) 60° (D) 90°IACI1P 32P86. 两偏振片堆叠在一起，一束自然光垂直入射其上时没有光线通过．当其中一偏振片慢慢转动时, 投射光强度发生的变化为 [ ] (A) 光强单调增加(B) 光强先增加，后又减小至零 (C) 光强先增加，后减小，再增加(D) 光强先增加，然后减小，再增加，再减小至零1. 在相同的时间内，一束波长为λ的单色光在空气和在玻璃中[ ] (A) 传播的路程相等，走过的光程相等 (B) 传播的路程相等，走过的光程不相等 (C) 传播的路程不相等，走过的光程相等 (D) 传播的路程不相等，走过的光程不相2. 真空中波长为的单色光, 在折射率为n 的均匀透明介质中从a 点沿某一路径传到b点．若a 、b 两点的相位差为π3，则此路径的长度为[ ] (A)n23λ (B)nλ3 (C)λ23 (D)λn 23 3. 相干光波的条件是振动频率相同、相位相同或相位差恒定以及[ ] (A) 传播方向相同 (B) 振幅相同 (C) 振动方向相同 (D) 位置相同4. 如图所示，有两个几何形状完全相同的劈形膜：一个由空气中的玻璃形成玻璃劈形膜; 一个由玻璃中的空气形成空劈形膜．当用相同的单色光分别垂直照射它们时, 从入射光方向观察到干涉条纹间距较大的是[ ] (A) 玻璃劈形膜(B) 空气劈形膜(C) 两劈形膜干涉条纹间距相同 (D) 已知条件不够, 难以判定5. 用波长可以连续改变的单色光垂直照射一劈形膜, 如果波长逐渐变小, 干涉条纹的变化情况为[ ](A) 明纹间距逐渐减小, 并背离劈棱移动 (B) 明纹间距逐渐变小, 并向劈棱移动 (C) 明纹间距逐渐变大, 并向劈棱移动 (D) 明纹间距逐渐变大, 并背向劈棱移动 6. 牛顿环实验中, 透射光的干涉情况是[ ] (A) 中心暗斑, 条纹为内密外疏的同心圆环 (B) 中心暗斑, 条纹为内疏外密的同心圆环 (C) 中心亮斑, 条纹为内密外疏的同心圆环 (D) 中心亮斑, 条纹为内疏外密的同心圆环7. 若用波长为的单色光照射迈克耳孙干涉仪, 并在迈克耳孙干涉仪的一条光路中放入一厚度为l 、折射率为n 的透明薄片, 则可观察到某处的干涉条纹移动的条数为[ ](A)λln )1(4- (B)λln(C)λln )1(2- (D)λln )1(-8. 如图12-1-44所示，波长为 的单色光垂直入射在缝宽为a 的单缝上, 缝后紧靠着焦距为f 的薄凸透镜, 屏置于透镜的焦平面上,出现的中央明纹宽度为[ ] (A) na f λ(B) na f λ (C)naf λ2(D)anf λ2 9. 在一光栅衍射实验中，若衍射光栅单位长度上的刻痕数越多, 则在入射光波长一定的情况下, 光栅的[ ] (A) 光栅常数越小(B) 衍射图样中亮纹亮度越小 (C) 衍射图样中亮纹间距越小(D) 同级亮纹的衍射角越小10. 一束平行光垂直入射在一衍射光栅上, 当光栅常数)(b a +为下列哪种情况时(a 为每条缝的宽度, b 为不透光部分宽度) , k = 3, 6, 9, …等级次的主极大均不出现．[ ] (A) a b a 2=+ (B) a b a 3=+ (C) a b a 4=+(D) a b a 6=+11. 自然光以 60的入射角照射到不知其折射率的某一透明介质表面时，反射光为线偏振光，则[ ](A) 折射光为线偏振光，折射角为 30 (B) 折射光为部分线偏振光，折射角为 30 (C) 折射光为线偏振光，折射角不能确定 (D) 折射光为部分线偏振光，折射角不能确定 12. 关于光的干涉，下面说法中唯一正确的是[ ](A) 在杨氏双缝干涉图样中, 相邻的明条纹与暗条纹间对应的光程差为2λ (B) 在劈形膜的等厚干涉图样中, 相邻的明条纹与暗条纹间对应的厚度差为2λ (C) 当空气劈形膜的下表面往下平移2λ时, 劈形膜上下表面两束反射光的光程差将增加2λ (D) 牛顿干涉圆环属于分波振面法干涉二、 填空题1. 如图12-2-1所示，折射率为2n 、厚度为e 的透明介质薄膜的上方和下方的透明介质的折射率分别为1n 和3n ，已知321n n n ><，若用波长为λ的单色平行光垂直入射到该薄膜上，则从薄膜上、下表面反射的光束（用①与②示意）的光程差是2. 真空中波长 = 400 nm 的紫光在折射率为 n =1.5 的介质中从A 点传到B 点时, 光振动的相位改变了5, 该光从A 到B 所走的光程为 ．4. 如图所示，在双缝干涉实验中SS 1=SS 2，用波长为λ的光照射双缝S 1和S 2，通过空气后在屏幕E 上形成干涉条纹．已知P 点处为第三级明条纹，则S 1和S 2到P 点的光程差为 ____________．若将整个装置放于某种透明液体中，P 点为第四级明条纹，则该液体的折射率n ＝ ____________．5. 两条狭缝相距2 mm, 离屏300 cm, 用600 nm 的光照射时, 干涉条纹的相邻明纹间距为___________mm.6. 将一块很薄的云母片(n = 1.58)覆盖在杨氏双缝实验中的一条缝上，这时屏幕上的中央明纹中心被原来的第7级明纹中心占据．如果入射光的波长λ = 550 nm, 则该云母片的厚度为___________．9. 如图所示，在玻璃(折射率n 3 = 1.60)表面镀一层MgF 2(折射n 2=1.38)薄膜作为增透膜．为了使波长为500 nm 的光从空气(折射率n 1=1.00)正入射时尽可能减少反射，MgF 2膜的最小厚度应是 ． 10. 用白光垂直照射厚度e = 350 nm 的薄膜，若膜的折射率n 2 = 1.4 , 薄膜上面的介质折射率为n 1，薄膜下面的介质折射率为n 3，且n 1 < n 2 < n 3．则透射光中可看到的加强光的波长为 ．14. 波长为λ的平行单色光垂直地照射到劈尖薄膜上，劈尖薄膜的折射率为n ，第二级明纹与第五条明纹所对应的薄膜厚度之差是 _____________． 15. 两玻璃片中夹满水(水的折射率34=n )形成一劈形膜, 用波长为λ的单色光垂直照射其上, 若要使某一条纹从明变为暗, 则需将上面一片玻璃向上平移 ．22. 若在迈克耳孙干涉仪的可动反射镜M 移动0.620mm 的过程中，观察到干涉条纹移动了2300条，则所用光波的波长为 ．23. 在迈克耳孙干涉仪的一条光路中，放入一折射率为n ，厚度为d 的透明介质薄片，放入后，这条光路的光程改变了 ．25. 如果单缝夫琅禾费衍射的第一级暗纹发生在衍射角为30=ϕ的方位上，所用的单色光波长为nm 500=λ，则单缝宽度为 ．26. 一束平行光束垂直照射宽度为1.0 mm 的单缝上，在缝后放一焦距为2.0 mm 的汇聚透镜．已知位于透镜焦平面处的中央明纹的宽度为2.0 mm ，则入射光波长约为 ． 29 用半波带法讨论单缝衍射暗条纹中心的条件时，与中央明条纹旁第三个暗条纹中心相对应的半波带的数目是__________．30. 平行单色光垂直入射于单缝上，观察夫琅禾费衍射．若屏上P 点处为第三级暗纹，则单缝处波面相应地可划分为___________ 个半波带．若将单缝宽度缩小一半，P 点处将是_________级________纹．36. 一衍射光栅, 狭缝宽为a , 缝间不透明部分宽为b ．当波长为600 nm 的光垂直照射时, 在某一衍射角 ϕ 处出现第二级主极大．若换为400 nm 的光垂直入射时, 则在上述衍射角 ϕ 处出现缺级, b 至少是a 的 倍．38. 已知衍射光栅主极大公式(a ＋b ) sin ϕ＝±k λ，k ＝0, 1, 2, …．在k ＝2的方向上第一条缝与第六条缝对应点发出的两条衍射光的光程差∆＝_____________．40. 当自然光以58︒角从空气射入到玻璃板表面上时, 若反射光为线偏振光, 则透射光的折射角为_________．41. 一束自然光入射到空气和玻璃的分界面上, 当入射角为60︒时反射光为完全偏振光, 则此玻璃的折射率为_________．44. 一束由自然光和线偏振光组成的混合光，让它垂直通过一偏振片．若以此入射光束轴旋转偏振片，测得透射光强度的最大值是最小值的7倍；那么入射光束自然光和线偏振光的光强比为_____________．三、 计算题8. 用白光垂直照射置于空气中的厚度为0.50 μm 的玻璃片．玻璃片的折射率为1.50．在可见光范围内(400 nm ~ 760 nm)哪些波长的反射光有最大限度的增强? 13. 图12-3-13所示为一牛顿环装置，设平凸透镜中心恰好与平玻璃接触，透镜凸表面的曲率半径是R ＝400 cm ．用单色平行光垂直入射，观察反射光形成的牛顿环，测得第5个明环的半径是0.30 cm ．(1) 求入射光的波长；(2) 设图中OA =1.00 cm ，求在半径为OA 的范围内可观察到的明环数目．18. 在某个单缝衍射实验中，光源发出的光含有两种波长1λ和2λ，并垂直入射于单缝上．假如1λ的第一级衍射极小与2λ的第二级衍射极小相重合，试问：(1) 这两种波长之间有何关系?(2) 在这两种波长的光所形成的衍射图样中，是否还有其它极小相重合?19. 某种单色平行光垂直地入射在一单缝上, 单缝的宽度a = 0.15 mm ．缝后放一个焦距f = 400 mm 的凸透镜，在透镜的焦平面上，测得中央明条纹两侧的两个第三级暗条纹之间的距离为8.0 mm ，求入射光的波长．30. 一衍射光栅，每厘米有200条透光缝，每条透光缝宽为a = 2⨯10-3 cm ，在光栅后方一焦距f = 1 m 的凸透镜．现以nm 600=λ的单色平行光垂直照射光柵，求：(1) 透光缝a 的单缝衍射中央明区条纹宽度； (2) 在透光缝a 的单缝衍射中央明纹区内主极大条数.31. 波长λ = 600nm 的单色光垂直入射到一光柵上，测得第二级主级大的衍射角为30o ，且第三级是缺级．(1) 光栅常量(a ＋b )等于多少?(2) 透光缝可能的最小宽度a 等于多少?(3) 在选定了上述(a ＋b )和a 之后，求在屏幕上可能呈现的全部主极大的级次．36 两个偏振片叠在一起，欲使一束垂直入射的线偏振光经过这两个偏振片之后振动方向转过了90°，且使出射光强尽可能大，那么入射光振动方向和两偏振片的偏振化方向之间的夹角应如何选择？这种情况下的最大出射光强与入射光强的比值是多少?。
大学物理简明教程课后答案 习题10 波动光学
重合时 角相同，所以有
a sin ( 2 2 1)
得
6000 ( 2 3 1) x 2 2
x
o 5 6000 4286 A 7
10-13 用橙黄色的平行光垂直照射一宽为 a＝0.60 mm 的单缝，缝后凸透镜的焦距 f＝40.0 cm，观察屏幕上形成的衍射条纹.若屏上离中央明条纹中心 1.40 mm 处的 P 点为一明条纹； 求：(1)入射光的波长；(2)P 点处条纹的级数；(3)从 P 点看，对该光波而言，狭缝处的波面 可分成几个半波带？ 解：(1)由于 P 点是明纹，故有 a sin ( 2k 1) 由
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级明条纹恰好移到屏幕中央原零级明纹的位置.若入射光的波长为 550 nm，求此云母片的厚 度. 解: 设云母片厚度为 e ，则由云母片引起的光程差为
o
2
来划分．对应于第
3 级明纹和第 4 级暗纹，单缝处波面可分成 7 个和 8 个半波带．
∵由 a sin ( 2k 1)
2
(2 3 1)
2
7
2
a sin 4 8
2
10-11 若以白光垂直入射光栅，不同波长的光将会有不同的衍射角.问(1)零级明条纹能否分 开不同波长的光？(2)在可见光中哪种颜色的光衍射角最大？不同波长的光分开程度与什么 因素有关？ 解： (1)零级明纹不会分开不同波长的光． 因为各种波长的光在零级明纹处均各自相干加强． (2)可见光中红光的衍射角最大，因为由 (a b) sin k ，对同一 k 值，衍射角 ． 10-12 一单色平行光垂直照射一单缝，若其第 3 级明条纹位置正好与 600nm 的单色平行光 的第 2 级明条纹位置重合，求前一种单色光的波长. 解：单缝衍射的明纹公式为
大学物理教程第10章习题答案报告
思 考 题10.1 人体也向外发出热辐射，为什么在黑暗中还是看不见人呢？ 答：人体的辐射频率太低, 远离可见光波段，在远红外波段, 由于为非可见光, 所以是看不到人体辐射的,在黑暗中也是如此。
10.1刚粉刷完的房间从房外远处看，即使在白天，它的开着的窗口也是黑的。
为什么？ 答：光线从窗户进去后经过多次反射，反射光的强度越来越弱，能再从窗户射出的光线非常少，窗户外的人看到的光线非常弱，因此觉得窗口很暗。
10.3 在光电效应实验中，如果（1）入射光强度增加一倍；（2）入射光频率增加一倍，各对实验结果有什么影响？答：（1）在光电效应中每秒从光阴极发射的光电子数与入射光强成正比。
入射光强度增加一倍时，饱和电流增加一倍。
（2）当入射光的频率增大时，光电子的最大初动能增大，遏止电压也增大，但入射光的频率和遏止电压两者不是简单的正比关系。
10.4 若一个电子和一个质子具有同样的动能，哪个粒子的德布罗意波长较大？ 答：电子的德布罗意波长较大。
10.5 n=3的壳层内有几个次壳层，各次壳层都可容纳多少个电子？答：n=3的壳层内有3个次壳层，各次壳层可容纳的电子数分别为2、6、10。
10.6 完成下列核衰变方程。
（1）?234238+−→−Th U（2）?9090+−→−Y Sr （3）?2929+−→−Ni Cu （4）Zn Cu 2929?−→−+ 答：（1）e H Th U 422349023892+−→−（2）e Y Sr 0190399038-+−→−（3）e Ni Cu 0129282929++−→−（4）Zn e Cu 2930012929−→−++习 题10.1 夜间地面降温主要是由于地面的热辐射。
如果晴天夜里地面温度为－50C ，按黑体辐射计算，每平方米地面失去热量的速率多大？解：依题意，可知地面每平方米失去的热量即为地面的辐射出射度2484/2922681067.5m W T M =⨯⨯==-σ10.2 宇宙大爆炸遗留在空间均匀、各向同性的背景热辐射相当于3K 的黑体辐射。
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第8章 机械振动8-1 解：取固定坐标xOy ，坐标原点O 在水面上（图题所示）设货轮静止不动时，货轮上的A 点恰在水面上，则浮力为S ρga .这时 ga s Mg ρ= 往下沉一点时，合力 )(y a g s Mg F +-=ρ gy s ρ-=.又 22d d t y M Ma F == 故0d d 22=+gy s ty M ρ022=+y M gs dtdy ρ 故作简谐振动M g s ρω=2)(35.68.910102101022223334s g s M T =⨯⨯⨯⨯⨯===πρπωπ8-2 解：取物体A 为研究对象，建立坐标Ox 轴沿斜面向下，原点取在平衡位置处，即在初始位置斜下方距离l 0处，此时：)(1.0sin 0m kmg l ==θ(1) (1) A 物体共受三力；重mg, 支持力N, 张力T.不计滑轮质量时，有 T =kx列出A 在任一位置x 处的牛顿方程式220d d )(sin sin txm x l k mg T mg =+-=-θθ将（1）式代入上式，整理后得0d d 22=+x m ktx 故物体A 的运动是简谐振动，且)rad/s (7==mkω 习题8-1图由初始条件,000⎩⎨⎧=-=v l x 求得,1.00⎩⎨⎧===πϕml A 故物体A 的运动方程为x =0.1cos(7t+π)m(2) 当考虑滑轮质量时，两段绳子中张力数值不等，如图所示，分别为T 1、T 2,则对A 列出任一位置x 处的牛顿方程式为:221d d sin txm T mg =-θ (2)对滑轮列出转动方程为：22221d d 2121t x Mr r a Mr J r T r T =⎪⎭⎫ ⎝⎛==-β (3)式中,T 2=k (l 0+x ) （4）由式（3）、(4)知2201d d 21)(t xM x l k T ++=代入(2)式知22021)(sin dtxd m M x l k mg ⎪⎭⎫ ⎝⎛+=+-θ又由（1）式知0sin kl mg =θ故0d d )21(22=++kx t xm M即0)2(d d 22=++x m M ktxm M k +=22ω可见，物体A 仍作简谐振动，此时圆频率为：rad/s)(7.52=+=m M k ω由于初始条件：0,000=-=v l x可知，A 、ϕ不变，故物体A 的运动方程为:m t x )7.5cos(1.0π+=由以上可知：弹簧在斜面上的运动，仍为简谐振动，但平衡位置发生了变化，滑轮的质量改变了系统的振动频率.习题8-2图8-3 解：简谐振动的振动表达式：)cos(ϕω+=t A x由题图可知，m 1042-⨯=A ,当t=0时，将m 1022-⨯=x 代入简谐振动表达式，得：21cos =ϕ 由)sin(ϕωωυ+-=t A ,当t=0时，ϕωυsin A -= 由图可知，υ>0,即0sin <ϕ,故由21cos =ϕ,取3πϕ-= 又因:t=1s 时，,1022m x -⨯=将其入代简谐振动表达式，得213cos ,3cos 42=⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛-=πωπω由t=1s 时,⎪⎭⎫⎝⎛--=3sin πωωυA <0知，03sin >⎪⎭⎫ ⎝⎛-πω,取33ππω=-，即 s 32πω= 质点作简谐振动的振动表达式为m t x ⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯=-332cos 1042ππ8-4 解：以该球的球心为原点，假设微粒在某一任意时刻位于遂道中的位矢为r，由高斯定理可知304RrQ E πε=,则微粒在此处受电场力为:r R Qq F 304πε-= 式中，负号表明电场F 的方向与r的正方向相反，指向球心.由上式及牛顿定律，得：04d d 04d d 043022302230=+⇒=+=+r mRQqt r r R Qq t r mr RQqF πεπεπε令 mR Qq3024πεω=则 0d d 222=+r tr ω习题8-3图故微粒作简谐振动，平衡点在球心处.由ωπ2=T知: QqmR T 3042πεπ=8-5 解：（1）取弹簧原长所在位置为O '点.当弹簧挂上物体A 时，处于静止位置P 点，有：P O k Mg '=将A 与B 粘合后，挂在弹簧下端，静止平衡所在位置O 点，取O 点为原坐标原点如图题8-5所示，则有：g m M O O k )(+='设当B 与A 粘在一起后，在其运动过程的任一位置，弹簧形变量x O O +',则A 、B 系统所受合力为：kx x O O k g m M F -=+'-+=)()(即 0d d )(22=++kx txm M可见A 与B 作简谐和振动. (2) 由上式知，rad/s)(10=+=mM kω以B 与A 相碰点为计时起点，此时A 与B 在P 点，由图题8-5可知kmgk Mg g k m M P O O O OP =-+='-'= 则t=0时，m 02.00-=-=-=kmgOP x (负号表P 点在O 点上方) 又B 与A 为非弹性碰撞，碰撞前B 的速度为:m/s 2220101=-='gh υυ 碰撞后，A 、B 的共同速度为：m/s 4.0010=+'=mM m υυ （方向向上）则t=0时，⎩⎨⎧=-=s m mx /4.002.000υ可求得：)m (0447.02220=+=ωυx Aπωυϕ65.0arctan 00=⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=x 可知A 与B 振动系统的振动表达式为：m t x )65.010cos(0447.0π+=习题8.5图(3) 弹簧所受的最大拉力，应是弹簧最大形变时的弹力，最大形变为：m A g kmM A O O x 1447.0=++=+'=∆则最大拉力 N 4.72max ==x k F ∆ 8-6 解：(1) 已知A=0.24m, 22ππω==T ,如选x 轴向下为正方向. 已知初始条件0m,12.000<=υx 即 3,21c o s ,c o s24.012.0πϕϕϕ±=== 而 ,0sin ,0sin 0><-=ϕϕωυA 取3πϕ=,故：m t x ⎪⎭⎫ ⎝⎛+=32cos 24.0ππ(2) 如图题所示坐标中，在平衡位置上方0.12m, 即x=-0.12m 处，有32322132cos πππππ±=+-=⎪⎭⎫ ⎝⎛+t t因为所求时间为最短时间，故物体从初始位置向上运动，0<υ.故0)32sin(>+ππt则取3232πππ=+t 可得：s t 32min =(3) 物体在平衡位置上方0.12m 处所受合外力0.3N x m =-=ωF ,指向平衡位置.8-7 解：子弹射入木块为完全非弹性碰撞，设u 为子弹射入木块后二者共同速度，由动量定理可知：m/s)(0.2=+=υmM mu不计摩擦，弹簧压缩过程中系统机械能守恒，即：20221)(21kx u m M =+ （x 0为弹簧最大形变量） m u kmM x 20100.5-⨯=+=由此简谐振动的振幅 20100.5-⨯==x A 系统圆频率rad/s)(40=+=mM kω习题8-6图若取物体静止时的位置O （平衡位置）为坐标原点，Ox 轴水平向右为正，则初始条件为： t =0时，x =0,0m/s 0.20>==u υ由,sin ,cos 00ϕωυϕA A x -==得：2πϕ-=则木块与子弹二者作简谐振动，其振动表达式为：m t x )240cos(100.52π-⨯=-8-8 解：当物体m 1向右移动x 时，左方弹簧伸长x ，右方弹簧缩短x ，但它们物体的作用方向是相同的，均与物体的位移方向相反，即)(21x k x k F +-=令F =-kx ,有:N/m 421=+=k k k 由 kmT π2= 得)kg (1.0442212211≈==ππkT k T m则粘上油泥块后，新的振动系统质量为：kg 20.021=+m m新的周期 )s (4.12212=+=km m T π在平衡位置时，m 2与m 1发生完全非弹性碰撞. 碰撞前，m 1的速度m/s 10.0111πωυ==A 设碰撞后，m 1和m 2共同速度为υ. 根据动量守恒定律，υυ)(2111m m m +=则m/s 05.0)(2111πυυ=+=m m m新的振幅 m)(035.0222===πυωυTA 8-9 解：（1）由振动方程)25sin(60.0π-=t x 知，5(rad/s)m,6.0==ωA故振动周期： )s (26.1)s (256.1522≈===πωπT (2) t=0时，由振动方程得：)25cos(0.3|m60.0000=-==-==πυt dt dx x t (3) 由旋转矢量法知，此时的位相：3πϕ-=速度 m/s)(6.2m/s )23(560.0sin =-⨯⨯-=-=ϕωυA 加速度 )m /s (5.7m /s 21560.0cos 2222-=⨯⨯-=-=ϕωA a 所受力 N)(5.1N )5.7(2.0-=-⨯==ma F（4）设质点在x 处的动能与势能相等，由于简谐振动能量守恒，即：221kA E E E p k ==+ 故有： )21(21212kA E E E p k ===即 22212121kA kx ⨯=可得： m)(42.022±=±=A x 8-10 解：（1）砝码运动到最高点时，加速度最大，方向向下，由牛顿第二定律，有：N mg ma -=maxN 是平板对砝码的支持力.故N)(74.1)4()()(22max =-=-=-=vA g m A g m a g m N πω砝码对板的正压力与N 大小相等，方向相反.砝码运动到最低点时，加速度也是最大，但方向向上，由牛顿第二定律，有：mg N ma -'=max故 N)(1.8)4()(22max =+=+='A v g m a g m N π 砝码对板的正压力与板对砝码的支持力N '大小相等，方向相反. （2）当N=0时，砝码开始脱离平板，故此时的振幅应满足条件：m)(062.040)4(22max max 2===-=v g A vA g m N ππ(3) 由22max 4vg A π=,可知，2max v A 与成反比，当v v 2='时，m 0155.041max max=='A A 8-11 解：（1）设振子过平衡位置时的速度为υ，由机械能守恒，有：222121υm kA = A mk=υ 由水平方向动量定理： ⇒='+υm u m m )(υm m mu '+=此后，系统振幅为A '，由机械能守恒，有：22)(2121u m m A k '+=' 得： A m m mA '+='有： km m T '+='π2 （2）碰撞前后系统总能量变化为：)21()1(2121212222kA m m m m m m kA kA A k E '+'-=-'+=-'=∆ 式中，负号表示能量损耗，这是泥团与物体的非弹性碰撞所致.（3）当m 达到振幅A 时，m '竖直落在m 上，碰撞前后系统在水平方向的动量均为零，因而系统的振幅仍为A ，周期为km m '+π2，系统的振动总能量不变，为221kA （非弹性碰撞损耗的能量为源于碰撞前m '的动能）. 物体系统过平衡位置时的速度υ'由：22)(2121υ''+=m m kA 得：A m m k'+±='υ8-12 解：（1）由放置矢量法可知，振子从2A 运动到2A -的位置处，角相位的最小变化为：3πϕ∆=则圆频率 rad/s 3π∆ϕ∆ω==t 周期 s T 62==ωπ由初始状态，在图示坐标中，初始条件为：m)(1.00m1.000=⇒⎩⎨⎧=-=A x υ则振幅 m 1.022020=+=ωυx A习题8-12图（2）因为E E p 41=又 2221,21kA E kx E p == 故 )21(412122kA kx =得： m)(05.0±=x 根据题意，振子在平衡位置的下方，取x =－0.05m.根据振动系统的能量守恒定律：222212121kA m kx =+υ 故 )s m (091.0122-⋅±=-±=x A ωυ根据题意，取m/s 091.0-=υ 再由 )sin()cos(ϕωωυϕω+-=+=t A t t A x)cos(d d 2ϕωω+-==t A tva x 2ω-= 得： )m /s (055.02=a（3）t=0时，(J)108.681)21(41413222-⨯====mA kA E E p ω (J)102183)21(43433222-⨯====mA kA E E k ω(J)108.273-⨯=+=p k E E E （4）由简谐振动的振动表达式)cos(ϕω+=t A x 当t=0时，0m/s 091.0m,05.000<-=-=υx ,可得：πϕ32= 又 3,10.0πω==m A故 m t x )323cos(1.0ππ+= 8-13 解：（1）据题意，两质点振动方程分别为：mt x mt x Q P )3cos(1000.2)3cos(1000.522ππππ-⨯=+⨯=--（2）P 、Q 两质点的速度及加速度表达分别为：)m/s )(3sin(1000.52ππωυ+⨯⨯-==-t dt dx P P )m/s )(3sin(1000.22ππωυ-⨯⨯-==-t dt dx QQ )m/s )(3cos(1000.5222ππωυ+⨯⨯-==-t dt d a P P )m/s )(3cos(1000.2222ππωυ-⨯⨯-==-t dtd a Q Q当t=1s 时，有：)(m/s 1087.9/32cos 1000.2)(m/s 1068.24/34cos 1000.5(m/s)1044.5/32sin 1000.2(m/s)1060.13/34sin 1000.5(m)1000.132cos 1000.2)(m 105.234cos1000.5222222222222222222------------⨯=⨯⨯-=⨯=⨯⨯-=⨯-=⨯⨯-=⨯=⨯⨯-=⨯-=⨯=⨯=⨯=s m a s m a s m s m m x m x Q P Q P Q P ππππππυππυππ（3）由相位差32)3(3)()(πππϕϕϕωϕωϕ∆=--=-=+-+=Q P Q P t t 可见，P 点的相比Q 点的相位超前32π. 8-14 解：（1）由题意得初始条件：⎪⎩⎪⎨⎧<=02100υA x 可得：3πϕ=(由旋转矢量法可证出)在平衡位置的动能就是质点的总能量)J (1008.3212152222-⨯====⇒=A m kA E m k m kωωω可求得：s rad m E A /221πω==则振动表达式为：m t x )32cos(1000.52ππ+⨯=-(2) 初始位置势能)32(cos 21212222ππω+==t A m kx E P 当t=0时，3cos 21222πωA m E P =J J 6222221071.73cos )1000.5()2(1000.121---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=ππ 8-15 解：（1）由初始条件：⎩⎨⎧<⨯=-0102.1010υm x 可知，3πϕ=且 22ππω==v则振动表达式为：m t x )32cos(24.0ππ+=当t=0.5s 时，m m x 21000.6)3212cos(24.0-⨯-=+⨯=ππ(2) t=0.5s 时，小球所受力：(N)1048.1)(32-⨯=-==x m ma f ω因t=0.5s 时，小球的位置在m x 21000.6-⨯-=处，即小球在x 轴负方向，而f 的方向是沿x 轴正方向，总是指向平衡位置.(3) 从初始位置m x 10102.1-⨯=到m x 1102.1-⨯-=所需最短时间设为t ，由旋转矢量法知，πϕπϕ32,3,0±=±=处处x x 习题8-15图)s (3223=⇒⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==t t πωπω(4) 因为 )32sin(24.02)sin(πππϕωωυ+⨯-=+-=t t A )32cos(24.04)cos(22πππϕωω+⨯-=+-=t t A a 在s t m x 32102.11=⨯-=-处 )32cos(24.04)3322cos(24.04/1026.3/)3322sin(24.022212ππππππαπππυ+⨯-=+⨯⨯-=⨯-=+⨯⨯-=-t s m s m (5) t=4s 时， 22)]32sin([2121ππωυ+-==t A m m E k (J)1033.5J)342(sin 24.0)2(01.0214222-⨯=+⨯⨯⨯⨯=πππ)32(cos 21212222ππω+==t A m kx E P (J)1077.1J)342(cos 24.0)2(01.0214222-⨯=+⨯⨯⨯⨯⨯=πππ(J)107.10J 101.77J 1033.5-4-44⨯=⨯+⨯=+=-P k E E E 总 8-16 解：设两质点的振动表达式分别为：)cos()cos(2211ϕωϕω+=+=t A x t A x由图题可知，一质点在21Ax =处时对应的相位为： 32/arccos 1πϕω==+A A t同理：另一质点在相遇处时，对应的相位为：习题8-16图352/arccos2πϕω==+A A t 故相位差)()(12ϕωϕωϕ∆+-+=t tπππϕϕ3433512=-=-= 若21υυ与的方向与上述情况相反，故用同样的方法，可得：πππϕϕϕ∆32)3(312=--=-= 8-17 解：由图题8-17(图在课本上P 200)所示曲线可以看出，两个简谐振动的振幅相同，即m 05.021==A A ,周期均匀s 1.0=T ，因而圆频率为：ππω202==T由x -t 曲线可知，简谐振动1在t=0时，,010=x 且010>υ，故可求得振动1的初位相πϕ2310=.同样，简谐振动2在t=0时，πϕυ==-=202020,0,05.0可知m x 故简谐振动1、2的振动表达式分别为：mt x t x )20cos(05.0)2320cos(05.021ππππ+=+=因此，合振动的振幅和初相位分别为： m A A A A A 210202122211025)cos(2-⨯=-++=ϕϕ2021012021010cos cos sin sin arctanϕϕϕϕϕA A A A ++=ππ4541arctan 或== 但由x-t 曲线知，t=0时，πϕ45,05.021应取因此-=+=x x x . 故合振动的振动表达式：m t x )4520cos(10252ππ+⨯=- 8-18 解：（1）它们的合振动幅度初相位分别为：)cos(212212221ϕϕ-++=A A A A Am )535cos(06.005.0206.005.022ππ-⨯⨯⨯++=m 0892.0=22112211cos cos sin sin arctanϕϕϕϕϕA A A A ++=316819.15.2arctan 5cos06.053cos 05.05sin06.053sin 05.0'︒===++=rad ππππ （2）当πϕϕk 21±=-,即ππϕπϕ53221+±=+±=k k 时，31x x +的振幅最大；当πϕϕ)12(2+±=-k ，即5)12()12(2ππϕϕ++±=++±=k k 时，32x x +的振幅最小.（3）以上两小问的结果可用旋转矢量法表示，如图题8-18所示.8-19 解：根据题意画出振幅矢量合成图，如习题8-19图所示.由习题8-19图及余弦定理可知cm 233.172023.172030cos 22212122⨯⨯⨯-+=︒-+=AA A A A 0.10m cm 10== 又因为)cos(cos 12ϕϕϕ∆-=0103.172)100300(4002)(2122212=⨯⨯+-=+-=A A A A A若2πϕ∆=,即第一、第二两个振动的相位差为2π第9章波动习题解答9-1 解：首先写出S 点的振动方程 若选向上为正方向，则有：0c o s 02.001.0ϕ=- 21cos 0-=ϕ ,0s i n 00>-=ϕωυA 0sin 0<ϕ即 πϕ320-=或π34初始相位 πϕ320-=则 m t y s )32cos(02.0πω-= 再建立如图题9-1(a)所示坐标系，坐标原点选在S 点，沿x 轴正向取任一P 点，该点振动位相将落后于S 点，滞后时间为： uxt =∆ 习题8-19图习题9-1图则该波的波动方程为：m ux t y ⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=πω32)(cos 02.0 若坐标原点不选在S 点，如习题9-1图（b ）所示，P 点仍选在S 点右方，则P 点振动落后于S 点的时间为： uLx t -=∆ 则该波的波方程为：m u L x t y ⎥⎦⎤⎢⎣⎡---=πω32)(cos 02.0 若P 点选在S 点左侧，P 点比S 点超前时间为uxL -,如习题9-1图(c)所示，则 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+=πω32)(cos 02.0u x L t y ⎥⎦⎤⎢⎣⎡---=πω32)(cos 02.0u L x t ∴不管P 点在S 点左边还是右边，波动方程为： ⎥⎦⎤⎢⎣⎡---=πω32)(cos 02.0u L x t y 9-2 解（1）由习题9-2图可知， 波长 m 8.0=λ 振幅 A=0.5m 频率 Hz 125Hz 8.0100===λuv 周期 s 10813-⨯==vT ππυω2502== （2）平面简谐波标准波动方程为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=ϕω)(cos ux t A y 由图可知，当t=0,x=0时，y=A=0.5m ，故0=ϕ。
工程光学习题解答第十章光的干涉
第十一章 光的干涉1． 双缝间距为1mm,离观察屏1m,用钠光灯做光源，它发出两种波长的单色光nm 0.5891=λ和nm 6.5892=λ，问两种单色光的第十级亮条纹之间的间距是多少？解：由题知两种波长光的条纹间距分别为961131589105891010D e m d λ---⨯⨯===⨯ 962231589.610589.61010D e m d λ---⨯⨯===⨯ ∴第十级亮纹间距()()65211010589.6589100.610e e m -∆=-=⨯-⨯=⨯2． 在杨氏实验中，两小孔距离为1mm,观察屏离小孔的距离为50cm,当用一片折射率为1.58的透明薄片贴住其中一个小孔时（见图11-17），发现屏上的条纹系统移动了0.5场面，试决定试件厚度。
解：设厚度为h ，则前后光程差为()1n h ∆=- ()1x dn h D∆⋅∴-=230.510100.580.5h --⨯⨯=21.7210h mm -=⨯3． 一个长30mm 的充以空气的气室置于杨氏装置中的一个小孔前，在观察屏上观察到稳定的干涉条纹系。
继后抽去气室中的空气，注入某种气体，发现条纹系移动了25个条纹，已知照明光波波长nm 28.656=λ，空气折射率000276.10=n 。
试求注入气室内气体的折射率。
解：设气体折射率为n ，则光程差改变()0n n h ∆=-图11-47 习题2 图()02525x d dn n h e D Dλ∆⋅∴-==⋅= 9025656.2810 1.000276 1.0008230.03m n n h λ-⨯⨯=+=+= 4． ** 垂直入射的平面波通过折射率为n 的玻璃板，投射光经投射会聚到焦点上。
玻璃板的厚度沿着C 点且垂直于图面（见图11-18）的直线发生光波波长量级的突变d ，问d 为多少时，焦点光强是玻璃板无突变时光强的一半。
解：无突变时焦点光强为04I ，有突变时为02I ，设',.d D 200'4cos 2xd I I I Dπλ== ()'104xd m m D λ⎛⎫∴∆==+≥ ⎪⎝⎭又()1n d ∆=-114d m n λ⎛⎫∴=+ ⎪-⎝⎭5． 若光波的波长为λ，波长宽度为λ∆，相应的频率和频率宽度记为ν和ν∆，证明λλνν∆=∆，对于nm 8.632=λ的氦氖激光，波长宽度nm 8102-⨯=∆λ，求频率宽度和相干长度。
9-11大学物理答案
第三篇 波动过程 光学求解波动过程和光学问题的基本思路和方法教材将这三部分内容安排在一起，是充分考虑到它们之间的关联性，因而在学习这部分内容和求解有关习题时也要学会前后内容和方法上的关联．我们知道振动是波动的基础，机械波就是机械振动在弹性介质中振动状态的传播过程．波动要有波源，所谓波源就是一个振动源．因而要讨论波动情况，首先要熟悉振动的研究．例如：要写波动方程，就要会求波源的振动方程．必须弄清振动物理量和波动物理量的联系和区别．又例如：研究波的干涉（包括光的干涉），就要知道两个同频率、同振动方向简谐运动的合成．这其中相位及相位差是一个十分重要的物理概念，掌握了相位差的计算对掌握振动合成、机械波和光波的干涉等一些题的求解作用很大．因此学好前面的内容对后面帮助很大．下面是这部分内容的几个常用解题方法的简介．一、比较法在振动、波动这二章的习题中，有相当一部分题目是求简谐运动方程和波动方程．通常有两种类型：（1） 由题给一些条件求简谐运动或波动方程；（2） 由题给振动曲线图和波形图求简谐运动方程和波动方程．而比较法是求解这类问题常用的一种方法．这里的所谓比较法就是针对要求的问题，有目的地先写出简谐运动方程或波动方程的一般形式，即()()()⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎪⎭⎫ ⎝⎛=+=波动方程简谐运动方程 π2cos cos cos 000λx T t A u x t ωA y t ωA y然后采用比较法与已知条件比较确定式中各相应的物理量．实际求解的题中往往只有少数量是未知的，只要设法由已知条件配合其他方法求出这些未知量，整个问题就解决了．这种解题思路的好处是目的明确，知道自己要做什么和如何去完成．这里要求读者真正掌握简谐运动方程和波动方程一般表示式，并理解其中每个量的物理意义．请读者结合参阅9-7,10-9 等题的求解过程，来学会这种解题的方法． 二、旋转矢量法描述振动可以用解析法、图示法和旋转矢量表示法等．旋转矢量表示法就是将简谐运动与一旋转矢量OA 对应，使矢量作逆时针匀速转动，其长度等于简谐运动的振幅A ，角速度等于简谐运动的角频率ω．在t ＝0 时，它与参考坐标轴的夹角为简谐运动的初相位φ．这时，旋转矢量末端在参考坐标轴上的投影点的运动规律即可代表质点作简谐运动的规律．旋转矢量表示法是研究简谐运动及其合成的直观而有力的方法．尤其在求振动的初相位和相位时非常方便．在求振动方程，波动方程时常需求原点的振动初相位，因此掌握好这种方法很关键．读者可以结合参阅9-12、9-14、9-15、10-3、10-14 等题的解去体会这种方法的好处．三、相位分析法相位是研究振动、波动问题的有效工具．无论是建立振动方程、比较两个振动的差异、研究振动的合成，或是表述波动特征、导出波动方程和研究波的干涉及学习波动光学等都离不开相位和相位差的概念和计算．常用相位分析法求解下述四类问题．1．在振动合成问题中，两个同频率、同方向简谐运动合成时，它们的相位差12Δ-=是一个常量，合振动的振幅大小A A A A A cos Δ2212221++=，其值由Δ决定．其中特殊情况是()()()⎩⎨⎧-=++==2121 π12 π2ΔA A A k A A A k 振幅最小振幅极大请读者参阅题9-28、题10-20等的求解过程，可体会到相位差Δ的重要性． 2．在波动中，波线上各点相位有密切联系．因为波动是波源的振动状态由近及远向外传播的过程，也称为振动相位的传播．对于平面简谐波，波线上任两点的相位差λx /Δπ2Δ⋅=是一定的．波线上所有点都重复同一种运动状态，只是相位不同而已．因此只要知道波线上任一点的运动方程，就可通过求相位差而得出其他点的运动方程．3．在波的干涉中，干涉问题实际上是振动合成问题．波场中任一点，参与的合成运动是来自两个同频率、同方向简谐运动的波源，合成结果仍是简谐运动，合振动振幅A 的值取决于分振动的相位差．但要注意这种情况的相位差为()12121122π2π2π2Δx x λx λt ωx λt ω---=⎪⎭⎫⎝⎛-+-⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=这里相位差由两个分振动的波源初相位差和两列波到达场点的波程差决定．波场中不同点，由于波程差()12x x -值不同而使ϕ∆不同，合振幅就有强弱之分，这就是波的干涉现象．讨论波的干涉，求干涉极大和极小的位置分布，采用相位分析法很方便．４．在光的干涉中，两束光在相遇区出现明、暗条纹，实际上就是两束振幅相同的相干光波因干涉使合成振动振幅出现极大和相消的问题．因此只要求出两束光在相遇点的相位差即可．所以对杨氏双缝、牛顿环、劈尖、薄膜和迈克尔逊干涉仪等干涉，其核心问题就是找出两束相干光的相位差ϕ∆．有了ϕ∆则结果为()()()⎩⎨⎧+=暗条纹明条纹 π12 π2Δk k 考虑到两束相干光的初相位差为零，则可有δλπ2Δ=．δ是光程差，λ是光在真空中的波长．那么上式也可表达为()()()⎩⎨⎧+=暗条纹明条纹 π12 π2Δk k因此当你掌握了相位差（或光程差）的计算，光的干涉问题就基本解决了，对于不同问题只是等式左边形式的不同而已．例如薄膜干涉，22/λδ+=ne 或ne 2=δ（要仔细考虑半波损失情况，决定是否加2/λ项）．如果你理解了这一点，能帮助你提高解题能力．而对于光的衍射，其本质仍是光波的干涉，不论是多缝的光栅衍射，还是单缝衍射，在讨论其明暗衍射条纹时，仍然是从相位差分析出发．对光栅衍射，当光栅常数为b b '+时，对应不同的衍射角ϕ，任意相邻两缝到屏上某点的光程差为()λk b b δ='+=sin 时出现明条纹（即两束相干光在该点相遇时相位差为π2）．而对单缝衍射，要注意的是明暗条纹公式为()()()⎩⎨⎧+==明条纹暗条纹 2/12 sin λk λk φa δ但这也可由相位差分析得到．如图，对应屏上P 点，将单缝波阵面AB 分成1AA 、21A A 、B A 2等段，使A 、1A 、2A 、B 这些相邻点的光到达P 点的相位差为π（对应的光程差为2/λ，即图中22211/λ===C B B B BB ）．由于在相邻的1AA 和21A A 段波阵面上均能找到相位差为π的一一对应点，从而使它们在P 点干涉相消．这样当AB被分成偶数段这样的波阵面时（对应()2/12sin λk a BC +==），屏上P 点出现暗条纹，而当AB 被分成奇数段这样的波阵面时（对应()2/12sin λk φa BC +==），将有一段不会被抵消，而使屏上出现明条纹．第九章 振动9-1 一个质点作简谐运动，振幅为A ，在起始时刻质点的位移为2A -，且向x轴正方向运动，代表此简谐运动的旋转矢量为（ ）题９-１ 图分析与解（b ）图中旋转矢量的矢端在x 轴上投影点的位移为－A /2，且投影点的运动方向指向O x 轴正向，即其速度的x 分量大于零，故满足题意．因而正确答案为（b ）．9-2 已知某简谐运动的振动曲线如图（a ）所示，则此简谐运动的运动方程为（ ）()()()()()()()()cm π32π34cos 2D cm π32π34cos 2B cm π32π32cos 2C cm π32π32cos 2A ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=t x t xt x t x题９-２ 图分析与解 由振动曲线可知，初始时刻质点的位移为 –A /2，且向x 轴负方向运动．图（ｂ）是其相应的旋转矢量图，由旋转矢量法可知初相位为3/π2．振动曲线上给出质点从–A /2 处运动到+A 处所需时间为1 s ，由对应旋转矢量图可知相应的相位差3/π4Δ=，则角频率()1s3/π4Δ/Δ-==t ω，故选（D ）．本题也可根据振动曲线所给信息，逐一代入方程来找出正确答案．9-3 两个同周期简谐运动曲线如图（a ） 所示， x 1 的相位比x 2 的相位（ ）（A ） 落后2π （B ）超前2π （C ）落后π （D ）超前π分析与解 由振动曲线图作出相应的旋转矢量图（b ） 即可得到答案为（b ）．题９-３ 图9-4 当质点以频率ν 作简谐运动时，它的动能的变化频率为（ ） （A ）2v （B ）v （C ）v 2 （D ）v 4分析与解 质点作简谐运动的动能表式为()ϕωω+=t A m E k 222sin21，可见其周期为简谐运动周期的一半，则频率为简谐运动频率ν的两倍．因而正确答案为（C ）．9-5 图（a ）中所画的是两个简谐运动的曲线，若这两个简谐运动可叠加，则合成的余弦振动的初相位为（ ）（A ）π23 （B ）π21（C ）π （D ）0分析与解 由振动曲线可以知道，这是两个同振动方向、同频率简谐运动，它们的相位差是π（即反相位）．运动方程分别为t A x ωcos 1=和()πcos 22+=t ωA x ．它们的振幅不同．对于这样两个简谐运动，可用旋转矢量法，如图（b ）很方便求得合运动方程为t A x ωcos 21=．因而正确答案为（D ）．题９-５图9-6 有一个弹簧振子，振幅m22-10=．试A，周期s0=.⨯1.T，初相4/π3=写出它的运动方程，并作出tx-图、t-v图和ta-图．题９-6 图分析 弹簧振子的振动是简谐运动．振幅A 、初相ϕ、角频率ω是简谐运动方程()ϕω+=t A x cos 的三个特征量．求运动方程就要设法确定这三个物理量．题中除A、ϕ已知外，ω可通过关系式T ω/π2=确定．振子运动的速度和加速度的计算仍与质点运动学中的计算方法相同．解 因T ω/π2=，则运动方程()⎪⎭⎫⎝⎛+=+=t π2cos cos T A t ωA x 根据题中给出的数据得()()m 75.0π2cos 100.22πt x +⨯=- 振子的速度和加速度分别为()()-12sm π75.0π2sin 10π4d /d ⋅+⨯-==-t y x v()()-1222s m π75.0π2cos 10π8d /d ⋅+⨯-==-t y x atx -、t -v 及t a -图如图所示．9-7 若简谐运动方程为()()m π25.0π20cos 10.0+=t x ，求：（1） 振幅、频率、角频率、周期和初相；（2）s 2=t 时的位移、速度和加速度．分析 可采用比较法求解．将已知的简谐运动方程与简谐运动方程的一般形式()ϕω+=t A x cos 作比较，即可求得各特征量．运用与上题相同的处理方法，写出位移、速度、加速度的表达式，代入t 值后，即可求得结果．解 （1） 将()()m π25.0π20cos 10.0+=t x 与()ϕω+=t A x cos 比较后可得：振幅A ＝0.10m ，角频率1sπ20-=ω，初相ϕ＝0.25π，则周期s 1.0/π2==ωT ，频率H z/1T =v ．（２）s 2=t 时的位移、速度、加速度分别为()m1007.7π25.0π40cos 10.02-⨯=+=t x()-1sm 44.4π25.0π40sin π2d /d ⋅-=+-==t x v()-22222sm 1079.2π25.0π40cos π40d /d ⋅⨯-=+-==t x a9-8 一远洋货轮，质量为m ，浮在水面时其水平截面积为S ．设在水面附近货轮的水平截面积近似相等，水的密度为ρ，且不计水的粘滞阻力，证明货轮在水中作振幅较小的竖直自由运动是简谐运动，并求振动周期．分析 要证明货轮作简谐运动，需要分析货轮在平衡位置附近上下运动时，它所受的合外力F 与位移x 间的关系，如果满足kx F -=，则货轮作简谐运动．通过kxF -=即可求得振动周期k m ωT /π2/π2==．证 货轮处于平衡状态时［图（a ）］，浮力大小为F ＝mg ．当船上下作微小振动时，取货轮处于力平衡时的质心位置为坐标原点O ，竖直向下为x 轴正向，如图（b ）所示．则当货轮向下偏移x 位移时，受合外力为∑'+=F P F其中F '为此时货轮所受浮力，其方向向上，大小为gSxmg gSx F F ρρ+=+='题９-８ 图则货轮所受合外力为kx gSx F P F-=-='-=∑ρ式中gS k ρ=是一常数．这表明货轮在其平衡位置上下所作的微小振动是简谐运动．由∑=t x m F 22d d /可得货轮运动的微分方程为d d 22=+m gSx t x //ρ令m gS /ρω=2，可得其振动周期为gS ρm πωT /2/π2==9-9 设地球是一个半径为R 的均匀球体，密度33m kg 1055-⋅⨯=.ρ．现假定沿直径凿通一条隧道，若有一质量为m 的质点在此隧道内作无摩擦运动．（1） 证明此质点的运动是简谐运动；（2） 计算其周期．题９-９ 图分析 证明方法与上题相似．分析质点在隧道内运动时的受力特征即可． 证 （1） 取图所示坐标．当质量为m 的质点位于x 处时，它受地球的引力为2xm m GF x -=式中G 为引力常量，x m 是以x 为半径的球体质量，即3/π43x ρm x =．令3/π4Gm ρk =，则质点受力kxGmx ρF -==3/π4因此，质点作简谐运动．（2） 质点振动的周期为s1007.5/π3/π23⨯===ρG k m T9-10 如图（a ）所示，两个轻弹簧的劲度系数分别为1k 、2k ．当物体在光滑斜面上振动时．（1） 证明其运动仍是简谐运动；（2） 求系统的振动频率．题9-10 图分析 从上两题的求解知道，要证明一个系统作简谐运动，首先要分析受力情况，然后看是否满足简谐运动的受力特征（或简谐运动微分方程）．为此，建立如图（b ）所示的坐标．设系统平衡时物体所在位置为坐标原点O ，Ox 轴正向沿斜面向下，由受力分析可知，沿Ox 轴，物体受弹性力及重力分力的作用，其中弹性力是变力．利用串联时各弹簧受力相等，分析物体在任一位置时受力与位移的关系，即可证得物体作简谐运动，并可求出频率υ．证 设物体平衡时两弹簧伸长分别为1x 、2x ，则由物体受力平衡，有2211sin x k x k mg ==θ（1）按图（b ）所取坐标，物体沿x 轴移动位移x 时，两弹簧又分别被拉伸1x '和2x '，即21x x x '+'=．则物体受力为 ()()111222sin sin x x k mg x x k mg F '+-='+-=θθ（２）将式（1）代入式（2）得1122x k x k F '-='-=（３）由式（3）得11k F x /-='、22k F x /-='，而21x x x '+'=，则得到 ()[]kx x k k k k F -=+-=2121/式中()2121k k k k k +=/为常数，则物体作简谐运动，振动频率()mk k k k πm k ωv 2121/21/π21π2/+===讨论 （1） 由本题的求证可知，斜面倾角θ 对弹簧是否作简谐运动以及振动的频率均不产生影响．事实上，无论弹簧水平放置、斜置还是竖直悬挂，物体均作简谐运动．而且可以证明它们的频率相同，均由弹簧振子的固有性质决定，这就是称为固有频率的原因．（2） 如果振动系统如图（c ）（弹簧并联）或如图（d ）所示，也可通过物体在某一位置的受力分析得出其作简谐运动，且振动频率均为()m k k v /π2121+=，读者可以一试．通过这些例子可以知道，证明物体是否作简谐运动的思路是相同的．*9 －11在如图（a ）所示装置中，一劲度系数为k 的轻弹簧，一端固定在墙上，另一端连接一质量为1m 的物体A ，置于光滑水平桌面上．现通过一质量m 、半径为R 的定滑轮B （可视为匀质圆盘）用细绳连接另一质量为2m 的物体C ．设细绳不可伸长，且与滑轮间无相对滑动，求系统的振动角频率．题9-11 图分析 这是一个由弹簧、物体A 、C 和滑轮B 组成的简谐运动系统．求解系统的振动频率可采用两种方法．（1） 从受力分析着手．如图（b ）所示，设系统处于平衡状态时，与物体A 相连的弹簧一端所在位置为坐标原点O ，此时弹簧已伸长0x ，且g m kx 20=．当弹簧沿x O 轴正向从原点O 伸长x 时，分析物体A 、C 及滑轮B 的受力情况，并分别列出它们的动力学方程，可解得系统作简谐运动的微分方程．（2）从系统机械能守恒着手．列出系统机械能守恒方程，然后求得系统作简谐运动的微分方程．解1 在图（b ）的状态下，各物体受力如图（c ）所示．其中()i F 0x x k +-=．考虑到绳子不可伸长，对物体A 、B 、C 分别列方程，有()22101d d tx m x x k F T =+-=（1）22222d d tx m F g m T =-（2）()2212d d 21tx mRJ RF F T T ==-α（3）gm kx 20=（4）方程（3）中用到了22T T F F '=、11T T F F '=、22/mR J =及R a /=α．联立式（1） ～式（4） 可得2d d 2122=+++x m m m ktx /（5）则系统振动的角频率为()221//m m m k ++=ω解2 取整个振动装置和地球为研究系统，因没有外力和非保守内力作功，系统机械能守恒．设物体平衡时为初始状态，物体向右偏移距离x （此时速度为v 、加速度为a ）为末状态，则由机械能守恒定律，有()20222212021212121x x k ωJ m m gx m E +++++-=v v在列出上述方程时应注意势能（重力势能和弹性势能）零点的选取．为运算方便，选初始状态下物体C 所在位置为重力势能零点；弹簧原长时为弹性势能的零点．将上述方程对时间求导得()tx x x k tωωJ t m t m g m d d d d d d d d 00212+++++-=v vv vv将22/mR J =，v =R ω，22d /d d /d t x t =v 和02kx g m = 代入上式，可得2d d 2122=+++x m m m ktx /（6）式（6）与式（5）相同，表明两种解法结果一致．9-12 一放置在水平桌面上的弹簧振子，振幅A ＝2.0 ×10-2 m ，周期T ＝0.50ｓ．当t ＝0 时，（1） 物体在正方向端点；（2） 物体在平衡位置、向负方向运动；（3） 物体在x ＝-1.0×10-2m 处， 向负方向运动； （4） 物体在x ＝-1.0×10-2 m 处，向正方向运动．求以上各种情况的运动方程．分析 在振幅A 和周期T 已知的条件下，确定初相φ是求解简谐运动方程的关键．初相的确定通常有两种方法．（1） 解析法：由振动方程出发，根据初始条件，即t ＝0 时，x ＝x 0 和v ＝v 0 来确定φ值．（2） 旋转矢量法：如图（a ）所示，将质点P 在Ox 轴上振动的初始位置x 0 和速度v 0 的方向与旋转矢量图相对应来确定φ．旋转矢量法比较直观、方便，在分析中常采用．题9-12 图解 由题给条件知A ＝2.0 ×10-2 m ，1s π4/2-==T ω，而初相φ可采用分析中的两种不同方法来求．解析法：根据简谐运动方程()ϕω+=t A x cos ，当0t =时有()ϕω+=t A x c o s 0，sin0ωA -=v ．当（1）A x =0时，1cos 1=ϕ，则01=ϕ；（2）00=x 时，0cos 2=ϕ，2π2±=，因00<v ，取2π2=；（3）m 100120-⨯=.x 时，50cos 3.=ϕ，3π3±= ，由00<v ，取3π3=；（4）m 100120-⨯-=.x 时，50cos 4.-=ϕ，3ππ4±= ，由00>v ，取3π44=．旋转矢量法：分别画出四个不同初始状态的旋转矢量图，如图（b ）所示，它们所对应的初相分别为01=ϕ，2π2=，3π3=，3π44=．振幅A 、角频率ω、初相φ均确定后，则各相应状态下的运动方程为（1）()m tπcos4100.22-⨯=x（2）()()m /2πt π4cos 100.22+⨯=-x （3）()()m /3πt π4cos 100.22+⨯=-x （4）()()m /3π4t π4cos 100.22+⨯=-x9-13 有一弹簧， 当其下端挂一质量为m 的物体时， 伸长量为9.8 ×10-2 m ．若使物体上、下振动，且规定向下为正方向．（1） 当t ＝0 时，物体在平衡位置上方8.0 ×10-2 ｍ 处，由静止开始向下运动，求运动方程．（2） 当t ＝０ 时，物体在平衡位置并以0.6ｍ·s -1的速度向上运动，求运动方程．分析 求运动方程，也就是要确定振动的三个特征物理量A 、ω和φ．其中振动的角频率是由弹簧振子系统的固有性质（振子质量m 及弹簧劲度系数k ）决定的，即ω=k 可根据物体受力平衡时弹簧的伸长来计算；振幅A 和初相φ需要根据初始条件确定．题9-13 图解 物体受力平衡时，弹性力F 与重力P 的大小相等，即F ＝mg ．而此时弹簧的伸长量Δl ＝9.8 ×10-2m ．则弹簧的劲度系数k ＝F ／Δl ＝mg ／Δl ．系统作简谐运动的角频率为1s10-=∆==l g m k //ω（1） 设系统平衡时，物体所在处为坐标原点，向下为x 轴正向．由初始条件t ＝0 时，x 10 ＝8.0 ×10-2 m 、v 10 ＝0 可得振幅()m10082210210-⨯=+=./ωv x A ；应用旋转矢量法可确定初相π1=［图（a ）］．则运动方程为()()m π10t cos 100.821+⨯=-x（2）t ＝０ 时，x 20 ＝0、v 20 ＝0.6 ｍ·s -1 ，同理可得()m100622202202-⨯=+=./ωv x A ；2/π2=［图（b ）］．则运动方程为()()m π5.010t cos 100.622+⨯=-x9-14 某振动质点的x -t 曲线如图（a ）所示，试求：（1） 运动方程；（2） 点P 对应的相位；（3） 到达点P 相应位置所需的时间．分析 由已知运动方程画振动曲线和由振动曲线求运动方程是振动中常见的两类问题．本题就是要通过x －t 图线确定振动的三个特征量A 、ω和0ϕ，从而写出运动方程．曲线最大幅值即为振幅A ；而ω、0ϕ通常可通过旋转矢量法或解析法解出，一般采用旋转矢量法比较方便．解 （1） 质点振动振幅A ＝0.10 ｍ．而由振动曲线可画出t 0 ＝0 和t 1 ＝4 ｓ时旋转矢量，如图（b ） 所示．由图可见初相3/π0-=（或3/π50=），而由()3201//ππω+=-t t 得1s 24/π5-=ω，则运动方程为()m 3/π24π5cos 10.0⎪⎭⎫ ⎝⎛-=t x题9-14 图（2） 图（a ）中点P 的位置是质点从A ／2 处运动到正向的端点处．对应的旋转矢量图如图（c ） 所示．当初相取3/π0-=时，点P 的相位为()000=-+=p p t ωϕϕ（如果初相取成3/π50=，则点P 相应的相位应表示为()π200=-+=p pt ω．（3） 由旋转矢量图可得()3/π0=-p t ω，则s 61.=p t ．9-15 作简谐运动的物体，由平衡位置向x 轴正方向运动，试问经过下列路程所需的最短时间各为周期的几分之几？ （1） 由平衡位置到最大位移处；（2） 由平衡位置到x ＝A /2 处； （3） 由x ＝A /2处到最大位移处．解 采用旋转矢量法求解较为方便．按题意作如图所示的旋转矢量图，平衡位置在点O ．（1） 平衡位置x 1 到最大位移x 3 处，图中的旋转矢量从位置1 转到位置3，故2/πΔ1=，则所需时间411//T t =∆=∆ωϕ（2） 从平衡位置x 1 到x 2 ＝A /2 处，图中旋转矢量从位置1转到位置2，故有6/πΔ2=，则所需时间1222//T t =∆=∆ωϕ（3） 从x 2 ＝A /2 运动到最大位移x 3 处，图中旋转矢量从位置2 转到位置3，有3/πΔ3=，则所需时间633//T t =∆=∆ωϕ题9-15 图9-16 在一块平板下装有弹簧，平板上放一质量为1.0 kg 的重物．现使平板沿竖直方向作上下简谐运动，周期为0.50ｓ，振幅为2.0×10-2 m ．求：（1） 平板到最低点时，重物对平板的作用力；（2） 若频率不变，则平板以多大的振幅振动时，重物会跳离平板？ （3） 若振幅不变，则平板以多大的频率振动时， 重物会跳离平板？题9-16 图分析 按题意作示意图如图所示．物体在平衡位置附近随板作简谐运动，其间受重力P 和板支持力F N 作用，F N 是一个变力．按牛顿定律，有22d d ty mF mg F N =-=（1）由于物体是随板一起作简谐运动，因而有()ϕωω+-==t A ty a cos d d 222，则式（1）可改写为()ϕωω++=t mA mg F N cos 2（2）（1） 根据板运动的位置，确定此刻振动的相位ϕω+t ，由式（2）可求板与物体之间的作用力．（2） 由式（2）可知支持力N F 的值与振幅A 、角频率ω和相位（ϕω+t ）有关．在振动过程中，当π=+t ω时N F 最小．而重物恰好跳离平板的条件为N F ＝0，因此由式（2）可分别求出重物跳离平板所需的频率或振幅．解 （1） 由分析可知，重物在最低点时，相位ϕω+t ＝0，物体受板的支持力为()N 9612222./=+=+=t mA mg mA mg F N πω重物对木块的作用力N F ' 与N F 大小相等，方向相反．（2） 当频率不变时，设振幅变为A ′．根据分析中所述，将N F ＝0及π=+t ω代入分析中式（2），可得m 102.6π4//2222-⨯==='gTωm mg A（3） 当振幅不变时，设频率变为v '．同样将N F ＝0及π=+t ω代入分析中式（2），可得Hz 52.3/π21π22==='mA mg ωv9-17 两质点作同频率、同振幅的简谐运动．第一个质点的运动方程为()ϕω+=t A x c o s 1，当第一个质点自振动正方向回到平衡位置时，第二个质点恰在振动正方向的端点，试用旋转矢量图表示它们，并求第二个质点的运动方程及它们的相位差．题9-17 图解 图示为两质点在时刻t 的旋转矢量图，可见第一个质点M 的相位比第二个质点N 的相位超前2/π，即它们的相位差Δφ＝π/2．故第二个质点的运动方程应为()2cos 2/πϕω-+=t A x9-18 图（a ）为一简谐运动质点的速度与时间的关系曲线，且振幅为2cm ，求（1） 振动周期；（2） 加速度的最大值；（3） 运动方程．分析 根据v -t 图可知速度的最大值v max ，由v max ＝A ω可求出角频率ω，进而可求出周期T 和加速度的最大值a max ＝A ω2 ．在要求的简谐运动方程x ＝A cos （ωt ＋φ）中，因为A 和ω已得出，故只要求初相位φ即可．由v －t 曲线图可以知道，当t ＝0 时，质点运动速度v 0 ＝v max /2 ＝A ω/2，之后速度越来越大，因此可以判断出质点沿x 轴正向向着平衡点运动．利用v 0 ＝－A ωsin φ就可求出φ．解 （1） 由ωA v =max 得1s 5.1-=ω，则s 2.4/π2==ωT（2）222max s m 1054--⋅⨯==.ωA a （3） 从分析中已知2/sin0ωωA A =-=v ，即ϕ2-=sin/1-=π-5π6/,6/因为质点沿x轴正向向平衡位置运动，则取6/π5-=，其旋转矢量图如图（b）所示．则运动方程为()()2-cos=tx5.1cm6/π5题9-18 图9-19 有一单摆，长为1.0m，最大摆角为5°，如图所示．（1）求摆的角频率和周期；（2）设开始时摆角最大，试写出此单摆的运动方程；（3）摆角为3°时的角速度和摆球的线速度各为多少？题9-19 图分析单摆在摆角较小时（θ＜5°）的摆动，其角量θ与时间的关系可表示为简，其中角频率ω仍由该系统的性质（重力加速度g 和谐运动方程()ϕθωθ+cos=tmax绳长l）决定，即lω．初相φ与摆角θ，质点的角速度与旋转矢量的角速度=g/（角频率）均是不同的物理概念，必须注意区分．解 （1） 单摆角频率及周期分别为s 01.2/π2;s 13.3/1====-ωT l g ω（2） 由0=t 时o max 5==θθ可得振动初相0=ϕ，则以角量表示的简谐运动方程为t θ13.3cos 36π=（３） 摆角为3°时，有()60cos max ./==+θθϕωt ，则这时质点的角速度为()()1max 2max max s2180800cos 1sin /d d --=-=+--=+-=..ωθϕωωθϕωωθθt t t线速度的大小为1s 2180/d d --==.t l v θ讨论 质点的线速度和角速度也可通过机械能守恒定律求解，但结果会有极微小的差别．这是因为在导出简谐运动方程时曾取θθ≈sin ，所以，单摆的简谐运动方程仅在θ 较小时成立．9-20 为了测月球表面的重力加速度，宇航员将地球上的“秒摆”（周期为2.00ｓ），拿到月球上去，如测得周期为4.90ｓ，则月球表面的重力加速度约为多少？ （取地球表面的重力加速度2E s m 809-⋅=.g ）解 由单摆的周期公式g l T /π2=可知21T g /∝，故有2M 2E E M T T g g //=，则月球的重力加速度为()2E 2ME M sm 631-⋅==./g T T g9-21 一飞轮质量为12kg ，内缘半径r ＝0.6ｍ，如图所示．为了测定其对质心轴的转动惯量，现让其绕内缘刃口摆动，在摆角较小时，测得周期为2.0s ，试求其绕质心轴的转动惯量．9-21 题图分析 飞轮的运动相当于一个以刃口为转轴的复摆运动，复摆振动周期为c /π2mgl J T =，因此，只要知道复摆振动的周期和转轴到质心的距离c l ，其以刃口为转轴的转动惯量即可求得．再根据平行轴定理，可求出其绕质心轴的转动惯量．解 由复摆振动周期c /π2mgl J T =，可得22π4/mgrTJ =．则由平行轴定理得222220mkg 8324⋅=-=-=./mrmgrTmrJ J π9-22 如图（a ）所示，质量为1.0 ×10-2kg 的子弹，以500m ·s -1的速度射入木块，并嵌在木块中，同时使弹簧压缩从而作简谐运动，设木块的质量为4.99 kg ，弹簧的劲度系数为8.0 ×103 N ·m -1 ，若以弹簧原长时物体所在处为坐标原点，向左为x 轴正向，求简谐运动方程．题9-22 图分析 可分为两个过程讨论．首先是子弹射入木块的过程，在此过程中，子弹和木块组成的系统满足动量守恒，因而可以确定它们共同运动的初速度v 0 ，即振动的初速度．随后的过程是以子弹和木块为弹簧振子作简谐运动．它的角频率由振子质量m 1 ＋m 2 和弹簧的劲度系数k 确定，振幅和初相可根据初始条件（初速度v 0 和初位移x 0 ）求得．初相位仍可用旋转矢量法求．解 振动系统的角频率为()121s40-=+=m m k /ω 由动量守恒定律得振动的初始速度即子弹和木块的共同运动初速度v 0 为()12110sm 01-⋅=+=.m m v m v又因初始位移x 0 ＝0，则振动系统的振幅为()m105.2//202020-⨯==+=ωωx A v v图（b ）给出了弹簧振子的旋转矢量图，从图中可知初相位2/π0=，则简谐运动方程为()()m π0.540cos 105.22+⨯=-t x9-23 如图（a ）所示，一劲度系数为k 的轻弹簧，其下挂有一质量为m 1 的。
高考物理茂名光学知识点之物理光学分类汇编含答案
高考物理茂名光学知识点之物理光学分类汇编含答案一、选择题1．如图所示是用双缝干涉测光波波长的实验设备示意图，图中①是光源，②是滤光片，③是单缝，④是双缝，⑤是光屏，下列操作能增大光屏上相邻两条亮纹之间距离的是A．增大④和⑤之间的距离B．增大③和④之间的距离C．将绿色滤光片改成蓝色滤光片D．增大双缝之间的距离2．用a．b．c．d表示4种单色光，若①a．b从同种玻璃射向空气，a的临界角小于b的临界角；②用b．c和d在相同条件下分别做双缝干涉实验，c的条纹间距最大；③用b．d 照射某金属表面，只有b能使其发射电子．则可推断a．b．c．d分别可能是( ) A．紫光．蓝光．红光．橙光B．蓝光．紫光．红光．橙光C．紫光．蓝光．橙光．红光D．紫光．橙光．红光．蓝光3．下面事实与光的干涉有关的是（）A．用光导纤维传输信号B．水面上的油膜呈现彩色C．水中的气泡显得格外明亮D．一束白光通过三棱镜形成彩色光带4．如图所示，两个完全相同的波源在介质中形成的波相叠加而发生的干涉的示意图，实线表示波峰，虚线表示波谷，则（）A．质点A为振动加强点，经过半个周期，这一点变为振动减弱点B．质点B为振动减弱点，经过半个周期，这一点变为振动加强点C．质点C可能为振动加强点，也可能为振动减弱点D．质点D为振动减弱点，经过半个周期，这一点振动仍减弱5．两束单色光Ⅰ、Ⅱ从水下同一位置同一方向射向水面，只产生两束光线，光路图如图所示，则A．两束光在水中传播时，光束Ⅱ的速度大于光束Ⅰ的速度B．两束光在水中传播时波长一样C．两束光线通过同一小孔时，光线Ⅰ的衍射现象更明显D．光束Ⅰ从水中到空气中频率变大6．我国南宋时期的程大昌在其所著的《演繁露》中叙述道：“凡雨初霁，或露之未晞，其余点缀于草木枝叶之末……日光入之，五色俱足，闪铄不定。
是乃日之光品著色于水，而非雨露有此五色也。
”这段文字记叙的是光的何种现象A．反射 B．色散 C．干涉 D．衍射7．下列现象中，属于光的色散现象的是（）A．雨后天空出现彩虹B．通过一个狭缝观察日光灯可看到彩色条纹C．海市蜃楼现象D．日光照射在肥皂泡上出现彩色条纹8．下列说法正确的是（）A．不论光源与观察者怎样相对运动，光速都是一样的B．太阳光通过三棱镜形成彩色光带是光的干涉现象C．波源与观察者互相靠近和互相远离时，观察者接收到的波的频率相同D．光的双缝干涉实验中，若仅将入射光从红光改为紫光，则相邻亮条纹间距一定变大9．甲、乙两单色光分别通过同一双缝干涉装置得到各自的干涉图样，相邻两个亮条纹的中心距离分别记为Δx1和Δx2，已知Δx1＞Δx2。
工学光学工程郁道银第三版课后答案 物理光学
第十一章 光的电磁理论基础1. 一个平面电磁波可以表示为140,2cos[210()],02x y z z E E t E cππ==⨯-+=,求(1)该电磁波的频率、波长、振幅和原点的初相位？（２）拨的传播方向和电矢量的振动方向？（３）相应的磁场Ｂ的表达式？解：（1）平面电磁波cos[2()]zE A t cπνϕ=-+ 对应有1462,10,,3102A Hz m πνϕλ-====⨯。
（2）波传播方向沿z 轴，电矢量振动方向为y 轴。
（3）B E →→与垂直，传播方向相同，∴0By Bz ==814610[210()]2z Bx CEy t c ππ===⨯⨯-+２. 在玻璃中传播的一个线偏振光可以表示2150,0,10cos 10()0.65y z x zE E E t cπ===-，试求（1）光的频率和波长；（2）玻璃的折射率。
解：（1）215cos[2()]10cos[10()]0.65z zE A t t ccπνϕπ=-+=- ∴1514210510v Hz πνπν=⇒=⨯72/2/0.65 3.910n k c m λππ-===⨯（2）8714310 1.543.910510n c c n v λν-⨯====⨯⨯⨯ 3.在与一平行光束垂直的方向上插入一片透明薄片，薄片的厚度0.01h mm =,折射率n=1.5,若光波的波长为500nm λ=,试计算透明薄片插入前后所引起的光程和相位的变化。
解：光程变化为 (1)0.005n h mm ∆=-=相位变化为)(20250010005.026rad πππλδ=⨯⨯=∆= 4. 地球表面每平方米接收到来自太阳光的功率为 1.33kw,试计算投射到地球表面的太阳光的电场强度的大小。
假设太阳光发出波长为600nm λ=的单色光。
解：∵22012I cA ε== ∴1322()10/I A v m c ε=5. 写出平面波8100exp{[(234)1610]}E i x y z t =++-⨯的传播方向上的单位矢量0k 。
桂林理工大学大学物理课后习题答案第三章(罗益民版)
总加速度与切向的夹角为
arctan
3-3 （1）对轴 I 的转动惯量
an 1.97 10 4 arctan 8959 at 8.37
J 1 2m[( acos60) 2 ( a acos60) 2 ] m( a 2acos60) 2 9ma 2
对轴 II 的转动惯量
J1 ( J Mr 2 ) 2
由此可得转台后来的角速度为
2
J 1200 2 1 0.496( rad/s ) 2 2 J Mr 1200 80 2 10
3-15 慧星在有心力场中运动，角动量守恒。设其质量为 M，近日点速率为 V1，与太阳之距 r1;远日点 速率为 V2，与太阳之距 r2，则有
1 1 1 m1 gh kh 2 m1v 2 J 2 0 2 2 2 J
以
1 2 mr , v / r 2 代入上式，可解得
v
2m1 gh kh 2 m1 m / 2
2 0.08 9.8 0.5 2 0.5 2 1.48m/s 0.08 0.05
（2）转过
90
角后，知矩
M 0, 则 0
mg
。由机械能守恒知
l 1 J 0 2 2 2
mgl J0
此时角动量
L J 0 mglJ 0 ml
转动动能为
2 gl 3
Ek
1 1 J 0 2 mgl 2 2
J0 1 m0 R 2 2 ，挖
3-13 （1）利用填补法，将小碎片填入缺口，此时为均匀圆盘对 O 轴的转动惯量 去小碎片，相应减少
（2）系统对 O 点的总转动惯量等于各部分对 O 点的转动惯之和，即
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129第10章 光学10-1 （1）由λdDkx =得 A kD xd 6000m 1060.12102.0106733=⨯=⨯⨯⨯⨯==---λ （2）m m )(3103102.0106337=⨯=⨯⨯==∆---λd D x10-2 若在下缝处置一折射率为n 厚度为t的透明薄膜，则光从下缝到屏上的光程将增加(n -1)t ，屏上的条纹均要向下移动。
依题意中央明条纹多到屏中心下方原来第3级明条纹位置，则从双缝到该位置的光程差[]t n r r r t n r )1()()1(1212-+-=--+=δ0)1(3=-+-=t n λ故m3.2m 1016.316.110328.631367μλ≈⨯=-⨯⨯=-=-n t 10-3 屏上1λ的经三级明绿纹中心的位置m 103.310550106.02.133933---⨯=⨯⨯⨯⨯==λd D k x依题意屏上1λ的第六级明条纹和波长为λ的第五级明条纹重合于x 处 则有 λλdDk d D k x 516== 即 λλ516k k =m 106.6105505679156--⨯=⨯⨯==λλk k 10-4 由λdDkx =得 73210)0.46.7(1025.010501)(---⨯-⨯⨯⨯=-=-紫红紫红λλd D k x x m 102.74-⨯=10-5 光源S 0和其在镜中的虚光源等价一对相干光源，它们在屏上的干涉条纹的计算与杨氏双缝条纹基本相同，只是明暗条纹分布完全相反，故屏上第一条明纹位置就是双缝干涉的零级暗条纹位置. 即2102.7104)3.02.0(22)12(73--⨯⨯⨯+==+=λλd D d D k x(m)105.45-⨯=上面表达式也可直接由光程差推导而得.10-6 （1）由题10-6图可以看出αβθ22221-====rC S C S SC∴ αθβ+=又εαβ+=∴ εθ=等效双缝间距εsin 2r d = （2）λεελsin 2cos r r L d D x +==∆ （3）习题10-6图130λεεελεεε)cos (sin 22sin 2cos 22r L r Ltg r r L Ltg x x +⋅=+=∆3105)15.05.1(105.02105.12733=⨯⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯=--- 屏上共可看到3条明条纹，除中央明条纹外，在其上、下侧还可看到一级明条纹. 10-7 ∵ 321n n n <<,故有,3,2,1,02)12(21112=+==k k e n λδ ①3,2,12222222===k k e n λδ ②由上两式21312k k =+⇒ 当231-=n k 时满足上式n =1,2,3,…但由于λ是连续可调的，在1λ和2λ间无其他波长消失与增强，所以取,1,121==k k 把11=k 或12=k 代入①式或②式)m (10333.121079027922--⨯≈⨯⨯==n e λ10-8 在反射光中产生干涉加强的波长应满足λλk e n =+222故122021612380033.141242-=-⨯⨯=-=k k k e n λ 当k =2时，A 67392=λ （红光）；k =3时，A 40433=λ（紫光）故肥皂膜正面呈紫红色在透射光中产生干涉加强的波长应满足λk e n =22kk k e n 10108380033.1222=⨯⨯==λ 当k =2时，A 50542=λ（绿光），故肥皂膜背面呈绿色.10-9 ∵ 321n n n <<透射光中产生干涉加强的条件应满足λλk e n =+222故冰层厚度Ak k n k e 2053)2/1(33.125460)2/1(2)2/1(2⨯-=⨯⨯-=-=令k =1，可得冰层的最小厚度为A e 1027min =10-10 根据题中折射间的关系，对A 5500=λ黄绿光的增透膜应满足关系λλk e n =+2/22增透膜厚度Ak k n k e 1992)2/1(38.125500)2/1(2)2/1(2⨯-=⨯⨯-=-=λ令A e k 996,1==即为增透膜的最薄厚度.另解：要使透射光增强，必须的射光干涉减弱.∵321n n n <<习题10-7图131∴2)12(22λδ+==k e n996)12(4122+=+=⇒k n k e λA k )9961992(+=, k =0,1,2, …A e 996min = 10-11 由22sin n l λθ=⋅得8rad 1088.31088.310552.1210893.52sin 55372''=⨯=⨯=⨯⨯⨯⨯==----θλθl n10-12 ∵212n e e k k λ=-=+,∴ 20条明条纹对应平晶厚度差为5.1210328.619219)(19721⨯⨯⨯==-=∆-+n e e d k k λ(m)100.46-⨯=10-13 （1）12.010048.013-⨯==≈L d tg θθ)(rad 1044-⨯= （2）m1040.3121068027921--+⨯=⨯⨯==-n e e k k λ（3）0.85(mm)m 105.8104121068024492=⨯=⨯⨯⨯⨯==---θλn l （4）141105.812.04=⨯=-N10-14 （1）∵ 321n n n <<∴ 反射光中明条纹的条件为：λk e n =22油膜边缘 e =0 ∴ k =0油膜中心m 102.16-⨯==h e∴8.4106102.12.122762=⨯⨯⨯⨯==--λe n k 故共可看到五条明条纹(k =0,1,2,3,4)（2）对应各明条纹中心油膜的厚度22n k e λ=当k =0,1,2,3,4时，对应油膜的厚度分别为：0，2500A ,5000A ,7500A ,10000A . （3）油膜逐渐展开时，圆条纹向外扩展，条纹间间距增大，条纹级数减小，油膜中心由半明半暗向暗、明、暗、明……依次变化，直至整个油膜呈现一片明亮区域. 10-15 依题意1144d R R r r =-=-λλ2144d R R r r ='-'='-'λλ由上两式可解得未知单色光波长A d d 545958931041085.333212=⨯⎪⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛='--λλ10-16 依题意有2//)2/110(2/)2/110(210110D n R r D R r =-='=-=λλ 由上两式可解得液体折射率13222.11027.1104.1222221=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=--D D n 10-17 由2λN d =得A N d 6290m 1029.6102410322.02273=⨯=⨯⨯==--λ10-18 设放入厚度为d 玻璃片后，则来自干涉仪两臂相应的光程差变化为λN d n =-)1(2m 1093.5)1632.1(2105150)1(257--⨯=-⨯⨯⨯=-=n N d λ 10-19 ∵衍射角0ϕ很小，∴中央明条纹的半角宽度 rad 105101.01053370---⨯=⨯⨯==a λϕ 中央明条纹的宽度afftg x λϕ220≈=∆mm 5m 1053=⨯=-若单缝装置浸入水中，中央明条纹的半角宽度rad 1076.3101.033.11053370---⨯=⨯⨯⨯==na λϕ10-20 （1）设入射光波长为λ，离屏中心x =1.4mm 处为明条纹，则由单缝衍射明条纹条件，x 应满足2)12(sin λϕ+=k aϕtg f x ⋅= ∵sin ϕ很小∴λϕϕak ff ftg x 2)12(sin +=≈= )12(4.0104.1106.02)12(233+⨯⨯⨯⨯⨯=+=--k k f ax λm 12102.46+⨯=-k 当m 106,373-⨯==λk 恰在橙黄色波长范围内，所以入射光波长为A 6000.（2）p 点的条纹级数为3（3）从p 点看，对该光波而言，狭缝处波阵面可分成(2k +1)=7个半波带.10-21 由单缝衍射明条纹条件，2)12(sin λϕ+=k a ，可分别求得21λλ、两单色光第一级明条纹离屏中心的距离分别为4711110210435.02)12(--⨯⨯⨯⨯=+==a k f ftg x λϕmm)(3m 1033=⨯=-47222102106.735.02)12(--⨯⨯⨯⨯=+==a k f ftg x λϕmm)(7.5m 107.53=⨯=-这两条明条纹之间的距离mm(7.2m 107.210)37.5(3312=⨯=⨯-=-=∆--x x x若用光栅代替单缝，光栅常数(m)10cm 100015-==+b a 则由光栅方程λϕk b a =+sin )(，133可分别求得21,λλ两单色光的第一级明条纹离屏中心的距离分别为cm)(2m 102101045.0257111=⨯=⨯⨯+==---b a k f ftg x λϕm 108.310106.75.0257222---⨯=⨯⨯+==b a k f ftg x λϕcm)(8.3=cm)(8.128.312=-=-=∆x x x10-22光栅常数m 102mm 50016-⨯==+b a ,由光栅方程λϕk b a =+sin )(4.3109.51102sin )(76=⨯⨯⨯=+=--λϕb a k 即最多可看到第3级明条纹. 10-23 光栅常数m 105mm 20016-⨯==+b a（1）由光栅方程λϕk b a =+sin )(可得第一级明条纹与中央明条纹的距离，即第一级明条纹离屏中心的距离cm)(6m 10610510516.0267=⨯=⨯⨯⨯⨯=+==---b a k f ftg x λϕ（2）当光线与光栅法线成30°斜入射时，光栅方程为λθϕk b a =±+)sin )(sin (0上式取负号，且当k =0,可得中央明条纹的衍射方向；即0θϕ=，所以中央明条纹离屏中心距离为m 35.0306.0=︒==tg ftg x ϕ10-24 （1）由光栅方程λϕk b a =+sin )(,对应于20.0sin 1=ϕ与30.0sin 2=ϕ处满足771063)(30.01062)(20.0--⨯⨯=+⨯⨯=+b a b a∴m 1066-⨯=+b a（2）因为明条纹第四级缺级，应满足缺级条件aba k k +'= 因第二级明条纹不缺级，取1='k ，可得光栅上狭缝的宽度为m 105.1410666--⨯=⨯=+'=k b a k aorm 105.436-⨯=⇒='a k（3）由λϕk b a =+si n )(，且当2πϕ=,则10106106sin )(76=⨯⨯=+=--λϕb a k ∴ 在︒<<︒-9090ϕ范围内实际呈现的全部级数为1,0±=k ,±2, ±3,±5, ±6, ±7, ±9级明条纹(k =±10的明条纹在︒=90ϕ处) 10-25光栅常数m 105.2cm 400016-⨯==+b a 设A A 7600,40001='=λλ，由光134栅方程可得λϕλϕ''='+=+k b a k b a k k s i n )(s i n )(2.3106.7105.2sin )(2.6104105.2sin )(7676=⨯⨯=''+='=⨯⨯='+=----λϕλϕk k b a k b a k∴ 屏上可完整出现的光谱有3级，其中要满足不重迭的完整光谱应满足1sin sin +<'k k ϕϕ亦即λ的(k +1)级条纹要在λ'的k 级条纹之后 ∴λλλλ)1()1(+<'++<+'k k ba kb a k)1(40007600+<k k只有k =1才满足上式，所以屏上只可能出现一个完整而不重迭的第一级光谱，第二级和第三级光谱均有重迭现象.10-26 （1）由单缝衍射可确定中央明条纹的宽度为371002.0108.45.0222--⨯⨯⨯⨯===∆a f ftg x λϕcm 4.2m 104.22=⨯=-（2）由缺级条件，且取1='k502.01.0==+'=a b a k k 可见第5级缺级；∴在单缝衍射的中央明条纹包迹内共有9条双缝衍射明条纹 (4,3,2,1,0±±±±=k )10-27 设A A 7600,400021==λλ，由光栅方程可求得21,λλ第一级谱线的位置分别为：ba fftg x +==111λϕ)sin (11ϕϕϕtg ，≈很小ba fftg x +==222λϕ依题意 m 100.6212-⨯=-=∆x x x ∴m 106106104106.7162771212----⨯=⨯⨯-⨯⨯=--=+x x f b a λλ10-28 爱里班半径m 1053.1101.021055.022.122.13371---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=⨯=D f r λ若mm 0.122⨯=D ，则m 1053.11021055.022.122.14372---⨯=⨯⨯⨯⨯==D f r λ10-29 人眼最小分辨角为rad 1022.110510522.122.14370---⨯=⨯⨯⨯==D λθ而x l ∆=⋅0θ，所以眼睛恰可分辨两灯的距离为km 84.91084.91022.12.134=⨯=⨯=∆=-θxl10-30 由最小分辨角公式Dλθ22.10=可得135m 139.01084.4105.522.122.1670=⨯⨯⨯==--θλD10-31 由布拉格公式 λϕk d =sin 2得kAk k d89.32/275.22sin 2=⨯⨯==ϕλ当A k A k 94.1,2;89.3,12====λλ;当;97.0,4;3.1,343A k A k ====λλ所以只有λ为1.30A 和0.97A 的谱线在x 射线波长范围内，能产生强反射. 10-32 设自然光强度为0I ，通过第一偏振片后光强度为2/0I ，依题意，由马吕斯公式可得透过第二偏振片后的光强为︒=60cos 2201I I ∴108I I =今在两偏振片之间再插入另一偏振片，则通过该偏振片后的光强为102038330cos 2I I I I ==︒=' 再通过第三偏振片后的光强1214930cos 3I I I =︒= ∴25.21=I I10-33 （1）强度为0I 的自然光通过两重迭偏振片后，透射光的最大光强为2I ,按题意当两偏振片的偏振化方向夹角为α时，透过检偏器的光强231cos 2020II I ⨯==α ∴4454'︒=α（2）按题意，由马吕斯公式 3cos 2020II I ==α ∴ 6135'︒=α10-34 设自然光强度为0I ，线偏振光强度为1I ，该混合光通过偏振片时，若其偏振化方向与线偏振光的振动方向一致，则透射光强度102I I +，若其偏振化方向与线偏振的振动方向垂直，则透射光强度为2I ，依题意252010I I I ⨯=+ ∴012I I =故自然光和线偏振光的光强各占总光强的31和32. 10-35 当光由水射向玻璃时，按布儒斯特定律可求得起偏振角724833.15.111'︒===--tg n n tgb 水玻璃θ 当光由玻璃射向水时43415.133.111'︒===--tg n n tg b 玻璃水θ13610-36 （1）这时反射线与折射线相互垂直 ∴︒=︒-︒=-︒=58329090r b θθ（2）由布儒斯特公式60.158=︒==tg tg n b θ10-37 设入射线偏振光的振幅为E ，则射入晶片后e 光和o 光的振幅分别为︒=︒=30sin 30cos 0E E E E e∴73.1300=︒=ctg E E e。