1112章课后题详解

11-14 在杨氏干涉实验中，双缝的间距为0.30 mm ，以单色光照射狭缝光源，在离开双缝1.2 m 处的光屏上，从中央向两侧数两个第5条暗条纹之间的间隔为22.8 mm 。

求所用单色光的波长。

解 在双缝干涉实验中，暗条纹满足,第5条暗条纹的级次为4，即，所以,其中。

两个第5条暗条纹的间距为,等于22.8 mm ，将此值代入上式，可解出波长为11-15把折射率为1.5的玻璃片贴在杨氏双缝实验的一条狭缝上，屏幕上的干涉图样恰好整体平移了两个亮条纹间距，求玻璃片的厚度，已知光波长为6ⅹ10-7m 。

解：设厚度为d ，对0级亮条纹，Nd-d=(n-1)dD x d=xD d ∆=2λ2=um n d 4.212=-=λ11-16一平面单色光波垂直照射在厚度均匀的薄油膜上，油膜覆盖在玻璃板上，所用光源波长可连续变化，观察到500nm 和700nm 这两个波长的光在反射中消失。

油的折射率为1.30，玻璃的折射率为1.50求 油膜的厚度 解 根据题意，不需考虑半波损失，暗纹的条件为11-17波长为400nm ～760nm 的可见光正射在一厚度为400nm 、折射率为1.5的玻璃片上，试问在反射光和折射光中有哪些波长的光得到加强？解：反射光：λλk nd =-22124+=k ndλ 760400≤≤λ 5.21.1≤≤k 2=k nm 480=λ折射光：λλ)21(22-=-k ndk nd2=λ 760400≤≤λ36.1≤≤k2=k nm 600=λ3=k nm 400=λ11-18白光照射到折射率为1.33的肥皂上（肥皂膜置于空气中，若从正面垂直方向观察，皂膜呈黄色（波长λ = 590.5nm ），问膜的最小厚度是多少？[解答]等倾干涉光程差为：δ = 2nd cos γ + δ`，从下面垂直方向观察时，入射角和折射角都为零，即γ = 0；由于肥皂膜上下两面都是空气，所以附加光程差δ` = λ/2．对于黄色的明条纹，有δ = kλ， 所以膜的厚度为：(1/2)2k d nλ-=．当k = 1时得最小厚度d = 111(nm)．11-19两块矩形的平板玻璃叠放在一起，使其一边相接触，在与此边相距20 cm 处夹一直径为5.0⨯10-2 mm 的细丝，如图13-6所示，于是便形成一劈形气隙。

若用波长为589 nm 的钠光垂直照射，劈形气隙表面出现干涉条纹，求相邻暗条纹之间的间距。

解 设相邻亮条纹或相邻暗条纹的间距为l ，劈角为θ，下面的关系成立.所以.图13-611-20折射率为1.50的两块标准平板玻璃间形成一个劈尖，用波长λ = 5004nm 的单色光垂直入射，产生等厚干涉条纹．当劈尖内充满n = 1.40的液体时，相邻明纹间距比劈尖内是空气时的间距缩小Δl = 0.1mm ，求劈尖角θ应是多少？[解答]空气的折射率用n 0表示，相邻明纹之间的空气的厚度差为Δe 0 = λ/2n 0；明纹之间的距离用ΔL 0表示，则：Δe 0 = θΔL 0， 因此：λ/2n 0 = θΔL 0．当劈尖内充满液体时，相邻明纹之间的液体的厚度差为：Δe = λ/2n ； 明纹之间的距离用ΔL 表示，则：Δe = θΔL ， 因此：λ/2n = θΔL ．由题意得Δl = ΔL 0 – ΔL ，所以劈尖角为000()11()22n n l n n lnn λλθ-=-=∆∆= 7.14×10-4(rad)． 11-21一平凸透镜的凸面曲率半径为1.2 m ，将凸面朝下放在平玻璃板上，用波长为650 nm 的红光观察牛顿环。

求第三条暗环的直径。

解 第3条暗环对应的k 值为3，其半径为,所以，第3条暗环的直径为。

11-22若用波长为589 nm 的钠光观察牛顿环，发现k 级暗环的半径为2.0´10-3 m ，而其外侧第5个暗环的半径为3.0⨯10-3 m 。

求透镜凸面的曲率半径和k 的值。

解 第k 个暗环的半径为,(1)当时，为中心的暗点，当时，为第1条暗环，等等。

第k 个暗环之外的第5个暗环，对应于，其半径为(2)将以上两式平方后相除，得,将数值代入并求出k 值，得, .将k 值代入式(1)，可求得透镜凸面的曲率半径，为.12-11在某个单缝衍射实验中，光源发出的光含有两种波长λ1和λ2，并垂直入射于单缝上．假如λ1的第一级衍射极小与λ2的第三级衍射极小相重合，试问：（1）这两种波长之间有什么关系；（2）在这两种波长的光所形成的衍射图样中，是否还有其他极小相重合？ [解答]（1）单缝衍射的暗条纹形成条件是δ = a sin θ = ±k`λ，(k` = 1,2,3,…)，当条纹重合时，它们对应同一衍射角，因此λ1 = 3λ2．（2）当其他极小重合时，必有k 1`λ1 = k 2`λ2， 所以 k 2` = 3k 1`．12-12单缝的宽度a = 0.40mm ，以波长λ = 589nm 的单色光垂直照射，设透镜的焦距f = 1.0m ．求：（1）第一暗纹距中心的距离； （2）第二明纹的宽度；（3）如单色光以入射角i = 30º斜射到单缝上，则上述结果有何变动？ [解答]（1）单缝衍射的暗条纹分布规律是`fy k aλ=±，(k` = 1,2,3,…)， 当k` = 1时，y 1 = fλ/a = 1.4725(mm)．（2）除中央明纹外，第二级明纹和其他明纹的宽度为 Δy = y k`-1 - y k` = fλ/a = 1.4725(mm)． （3）当入射光斜射时，光程差为 δ = a sin θ – a sin φ = ±k`λ，(k` = 1,2,3,…)． 当k` = 1时，可得 sin θ1 = sin φ ± λ/a = 0.5015和0.4985， cos θ1 = (1 – sin 2θ1)1/2 = 0.8652和0.8669．两条一级暗纹到中心的距离分别为y 1 = f tan θ1 = 579.6(mm)和575.1(mm)． 当k` = 2时，可得sin θ2 =a sin φ ± λ/a = 0.5029和0.4971，cos θ2 = (1 – sin 2θ2)1/2 = 0.8642和0.8677． 两条二级暗纹距中心的距离分别为：y 2 = f tan θ2 = 581.9(mm)和572.8(mm)． 第二明纹的宽度都为Δy = y 2 – y 1 = 2.3(mm)，比原来的条纹加宽了．12-13一单色平行光垂直入射于一单缝，若其第三级衍射明纹位置正好和波长为600 nm 的单色光垂直入射该缝时的第二级衍射明纹位置一样，求该单色光的波长．[解答]除了中央明纹之外，单缝衍射的条纹形成的条件是sin (21)2a k λδθ==±+，(k = 1,2,3,…)．当条纹重合时，它们对应同一衍射角，因此(2k 1 + 1)λ1 = (2k 2 + 1)λ2， 解得此单色光的波长为12122121k k λλ+=+= 428.6(nm)．12-14以某放电管发出的光垂直照射到一个光栅上，测得波长λ1 = 669nm 的谱线的衍射角θ = 30º．如果在同样的θ角处出现波长λ2 = 446nm 的更高级次的谱线，那么光栅常数最小为多少？[解答]根据光栅方程得：(a + b )sin θ = k 1λ1 = k 2λ2，方程可化为两个：(a + b )sin θ/λ1 = k 1和 (a + b )sin θ/λ2 = k 2， 解得光栅常数为：212112()()sin k k a b λλλλθ-+=-．由于k 2/k 1 = λ1/λ2 = 3/2，所以当k 1 = 2时，. k 2 = 3，因此光栅常数最小值为：2112()sin a b λλλλθ+=-= 2676(nm)．12-15一衍射光栅，每厘米有400条刻痕，刻痕宽为1.5×10-5m ，光栅后放一焦距为1m 的的凸透镜，现以λ = 500nm 的单色光垂直照射光栅，求：（1）透光缝宽为多少？透光缝的单缝衍射中央明纹宽度为多少？ （2）在该宽度内，有几条光栅衍射主极大明纹？ [解答]（1）光栅常数为：a + b = 0.01/400 = 2.5×10-5(m)， 由于刻痕宽为b = 1.5×10-5m ，所以透光缝宽为：a =(a + b ) – b = 1.0×10-5(m)．根据单缝衍射公式可得中央明纹的宽度为：Δy 0 = 2fλ/a = 100(mm)． （2）由于：(a + b )/a = 2.5 = 5/2，因此，光栅干涉的第5级明纹出现在单缝衍射的第2级暗纹处，因而缺级；其他4根条纹各有两根在单缝衍射的中央明纹和一级明纹中，因此单缝衍射的中央明纹宽度内有5条衍射主极大明纹，其中一条是中央衍射明纹．12-16波长为600 nm 的单色光垂直入射在一光栅上，第二、第三级主极大明纹分别出现在sin θ = 0.2及sin θ = 0.3处，第四级缺级，求：（1）光栅常数；（2）光栅上狭缝的宽度；（3）屏上一共能观察到多少根主极大明纹？ [解答]（1）（2）根据光栅方程得：(a + b )sin θ2 = 2λ； 由缺级条件得(a + b )/a = k/k`，其中k` = 1，k = 4．解缺级条件得b = 3a ，代入光栅方程得狭缝的宽度为：a = λ/2sin θ2 = 1500(nm)． 刻痕的宽度为：b = 3a = 4500(nm)， 光栅常数为：a + b = 6000(nm)．（3）在光栅方程(a + b )sin θ = kλ中，令sin θ =1，得：k =(a + b )/λ = 10． 由于θ = 90°的条纹是观察不到的，所以明条纹的最高级数为9．又由于缺了4和8级明条纹，所以在屏上能够观察到2×7+1 = 15条明纹．12-17以氢放电管发出的光垂直照射在某光栅上，在衍射角θ = 41º的方向上看到λ1 = 656.2nm 和λ2 = 410.1nm 的谱线重合，求光栅常数的最小值是多少？[解答]根据光栅方程得：(a + b )sin θ = k 1λ1 = k 2λ2， 方程可化为两个(a + b )sin θ/λ1 = k 1和 (a + b )sin θ/λ2 = k 2， 解得光栅常数为;212112()()sin k k a b λλλλθ-+=-．由于k 2/k 1 = λ1/λ2 = 1.6 = 16/10 = 8/5，所以当k 1 = 5时，. k 2 = 8，因此光栅常数最小值为:21123()sin a b λλλλθ+=-= 5000(nm)．其他可能值都是这个值的倍数．12-18白光中包含了波长从400nm 到760nm 之间的所有可见光谱，用白光垂直照射一光栅，每一级衍射光谱是否仍只有一条谱线？第一级衍射光谱和第二级衍射光谱是否有重叠？第二级和第三级情况如何？[解答]方法一：计算法．根据光栅方程(a + b )sin θ = kλ，对于最短波长λ1 = 400nm 和最长波长λ2 = 760nm 的可见光，其衍射角的正弦为sin θ1 = kλ1/(a + b )和sin θ2 = kλ2/(a + b )，数值如下表所示．可见第一级衍射光谱与第二级衍射光谱没有重叠，第二级衍射光谱与第三级衍射光谱从量值1200到1520是重叠的，第三级衍射光谱与第四级衍射光谱从量值1600到2280是重叠的．方法二：曲线法。