波动光学 光学习题课2(课后问题)
波动光学习题参考答案
=2400(nm) k=2 l2 =800(nm)
红外光
k=3 l3 =480(nm) k=4 l4 =343(nm)
可见光 紫外光
结束 返回
若透射光干涉增强则反射光干涉相消
由干涉相消条件
2ne
+
l
2
=(k+
1 2
)l
取k=2
l2
=
2ne k
=
2×1.5×0.4×103 2
=600
(nm)
取k=3
两式相减Δ得x到´=：DD´dbDb´
+
d D
(x ´
x )=0
(x´ x )<0
即条纹向下移动，而条纹间距不变
结束 返回
7、 用单色光源S照射双缝，在屏上形
成干涉图样，零级明条纹位于O 点，如图所
示。若将缝光源 S 移至位置S ´，零级明条
纹将发生移动。欲使零级明条纹移回 O 点，
必须在哪个缝处覆盖一薄云母片才有可能?
低)，作图表示明条纹；
(2)求明条纹距中心线的距离；
(3)共能看到多少条明条纹；
(4)若将玻璃片B向下
平移，条纹如何移动?
A
d
若玻璃片移动了l /4，
问这时还能看到几条明条纹? B
结束 返回
解：对于边缘处e =0由于有半波损失为暗纹
暗纹条件：
2e
+
l
2
=
(2k+1) 2l
k=0,1,2,...
暗纹最高级数
结束 返回
解：由暗纹条件
2ne
=
(2k+1)
l
2
=(k+
1 2
波动光学(2) 习题解答_2016
o光
三、计算题 1. 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，垂直入射于单缝上．假如λ1的第1级衍射极小 与λ2的第2 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 有其他极小相重合？
(1) 由单缝衍射暗纹公式得 a sin1 1 a sin2 22
错误答案！
d sin k k 1
arctan
0.1667 0.500
18.44
2.00 103 sin 18.44 633nm
由d sin k
sin 1
d
l f d
ld f
0.1667 2 103 0.5
666.8nm
5.可见光的波长范围是400~760nm。用平行的白光垂 直入射在平面透射光栅上时，它产生的不与另一级 光谱重叠的完整的可见光谱是第___1_____级光谱。
根据光栅干涉的主极大条件 (a b) sin k
谱线重叠3时满足：k11 k22 , 即：3k1 5k2 , k 2 5 k1 （k1、k2必须为整数） k2 3,6,9,12,
5. 在光栅光谱中，假如所有偶数级次的主极大都恰好
在单缝衍射的暗纹方向上，因而实际上不出现，那么
此光栅每个透光缝宽度b和相邻两缝间不透光部分宽
2.在单缝夫琅禾费衍射实验中，波长为λ的单色光垂直 入射在宽度为b = 4λ 的单缝上，对应于衍射角为30°
的方向，单缝处波阵面可分成的半波带数目为 [ B ]
（A）2 个． （B）4 个． （C）6 个． （D）8 个．
已 知 b=4λ ， θ=30° ， 所 以 bsin ，半波带数目N=4
3
3. 在单缝夫琅禾费衍射装置中，设中央明纹的衍射角 范围很小．若使单缝宽度变为原来的 ，同时使入射
波动光学 光学习题课2(课后问题)
观察它是否移动，向哪个方向移动。（2）条纹间距是否
变化。
x 0 2n2
劈尖上表面向上平移，角不变，所以干涉条纹间距不变
（3）寻常光和非常光 一束光线进入各向异性的晶体后分解为两束折射光的现象 叫做双折射。遵循折射定律的叫做寻常光或o光不遵循折 射定律的叫做非常光或e光。寻常光在晶体内各方向上的 传播速度相同；而非常光的传播速度随传播方向的变化而 变化。
（4）光轴 在双折射晶体内有一确定方向，光沿这一方向传播时， 寻常光和非常光的传播速度（或折射率）相同，不产生 双折射现象，这个方向叫做光轴。
答：光照射到薄肥皂膜泡上，会发生反射和折射，各
条反射光或各条折射光互为相干光，又由于白光是复
色光，它含有各个波长的光，各条光线发生干涉，干
涉图样是彩色的，所以我们看到膜泡出现颜色。
当膜即将破裂时，膜的厚度约等于波长的1/4，即使发 生干涉的透射光的光程差为/2，发生干涉相消，所以 从透射方向看膜上出现黑色。当膜厚度远小于波长时， 反射光的光程差约等于/2，所以从反射方向看薄膜程 黑色。
但等厚度的位置向左移动，因此干涉条纹向左移动。如果
玻璃片向上移动太多，使劈尖厚度增大太多，则相干光的
条件得不到满足，干涉条纹消失。
劈尖上表面向右平移， 角不变，条纹间距不变，等厚度
位置向右移动，所以条纹向右移动。
当增大时，条纹间距减小；等厚度的位置向左移动，所 以干涉条纹向左方密集。
x 0 2n2
17-2、如本题图所示，由相干光源 S1和S2发出波长为 的单色光，分别通过两种介质（折射率分别为n1和 n2，且n1>n2），射到这两种介质分界面上一点P。已 知两光源到P的距离均为r。问这两条光的几何路程是
大学物理之波动光学习题与解答
r1．如图，S1、S2 是两个相干光源，它们到P 点的距离分别为r1 和r2．路径S1P 垂直穿过一块厚度为t1，折射率为n1 的介质板，路径S2P 垂直穿过厚度为t2，折射率为S1t1 r1Pt21 2(A) (r2 + n2t2 ) − (r1 + n1t1 )(B) [r2 + (n2 − 1)t2 ] −[r1 + (n1 − 1)t2 ](C) (r2 − n2t2 ) − (r1 − n1t1 )S2 n2(D) n2t2 − n1t12. 如图所示，波长为λ的平行单色光垂直入射在折射率为n2 的薄膜上，经上下两个表面n1 λ反射的两束光发生干涉．若薄膜厚度为e，而且n1＞n2＞n3，则两束反射光在相遇点的相(B) 2πn2 e / λ．(A) λD / (nd) (B) nλD/d．(C) λd / (nD)．(A) 使屏靠近双缝．(B) 使两缝的间距变小．(C) 把两个缝的宽度稍微调窄．(D) 改用波长较小的单色光源．5．在双缝干涉实验中，入射光的波长为λ，用玻璃纸遮住双缝中的一个缝，若玻璃纸中光程比相同厚度的空气的光(A) r k = kλR ．(B) r k = kλR / n ．(C) r k = knλR ．(D) r k = kλ /(nR)二．填空题：1．在双缝干涉实验中，两缝分别被折射率为n1 和n2 的透明薄膜遮盖，二者的厚度均为e．波长为λ的平行单色光垂直照射到双缝上，在屏中央处，两束相干光的相位差∆φ＝．2. 在双缝干涉实验中，双缝间距为d，双缝到屏的距离为D (D>>d)，测得中央零级明纹与第五级明之间的距离为x，则入射光的波长为．3．在双缝干涉实验中，若使两缝之间的距离增大，则屏幕上干涉条纹间距；若使单色光波长减小，则干涉条纹间距．4. 在双缝干涉实验中，所用光波波长λ＝5.461×10–4 mm，双缝与屏间的距离D＝300 mm，双缝间距为d＝0.134 mm，则中央明条纹两侧的两个第三级明条纹之间的距离为．n2en3n一．选择题：n2的另一介质板，其余部分可看作真空，这两条路径的光程差等于( )位差为( )(A) 4πn2e/λ．(C) (4πn2e/λ)+π．(D) (2πn2e/λ)−π．3．把双缝干涉实验装置放在折射率为n的水中，两缝间距离为d，双缝到屏的距离为D(D>>d)，所用单色光在真空中的波长为λ，则屏上干涉条纹中相邻的明纹之间的距离是( )(D)λD/(2nd)．4.在双缝干涉实验中，为使屏上的干涉条纹间距变大，可以采取的办法是( )程大2.5λ，则屏上原来的明纹处( )(A)仍为明条纹；(B)变为暗条纹；(C)既非明纹也非暗纹；(D)无法确定是明纹，还是暗纹6.在牛顿环实验装置中，曲率半径为R的平凸透镜与平玻璃扳在中心恰好接触，它们之间充满折射率为n的透明介质，垂直入射到牛顿环装置上的平行单色光在真空中的波长为λ，则反射光形成的干涉条纹中暗环半径r k的表达式为( )．一.光的干涉5. 图 a 为一块光学平板玻璃与一个加工过的平面一端接触，构成的空气劈尖，用波 长为λ的单色光垂直照射．看到反射光干涉条纹(实线为暗条纹)如图 b 所示．则干涉 图 a 条纹上 A 点处所对应的空气薄膜厚度为 e ＝ ．图 b6. 用波长为λ的单色光垂直照射到空气劈形膜上，从反射光中观察干涉条纹， 距顶点为 L 处是暗条纹．使劈尖角θ 连续变大，直到该点处再次出现暗条纹为止．劈尖角 的改变量∆θ是．7. 波长为λ的平行单色光垂直照射到劈形膜上，若劈尖角为θ (以弧度计)，劈形膜的折射率为 n ，则反射光形成的干 涉条纹中，相邻明条纹的间距为 ．8. 波长为λ的平行单色光垂直地照射到劈形膜上，劈形膜的折射率为 n ，第二条明纹与第五条明纹所对应的薄膜厚 度之差是 ．9. 已知在迈克耳孙干涉仪中使用波长为λ的单色光．在干涉仪的可动反射镜移动距离 d 的过程中，干涉条纹将移动 条．10. 在迈克耳孙干涉仪的一条光路中，插入一块折射率为 n ，厚度为 d 的透明薄片．插入这块薄片使这条光路的光 程改变了 ．11. 以一束待测伦琴射线射到晶面间距为 0.282 nm (1 nm = 10-9 m)的晶面族上，测得与第一级主极大的反射光相应 的掠射角为 17°30′，则待测伦琴射线的波长为 ．三．计算题：屏AθL1．在双缝干涉实验中，单色光源S 0到两缝S 1和S 2的距离分别为l 1和l 2，并且l 1－l 2＝3λ，λ为入射光的波长，双缝之间的距离为d ，双缝到屏幕的距离为D (D >>d )，如图．求：(1)零级明纹到屏幕中央O 点的距离．(2)相邻明条纹间的距离．2．在杨氏双缝实验中，设两缝之间的距离为 0.2 mm ．在距双缝 1 m 远的屏上观察干涉条纹，若入射光是波长为 400 nm 至 760 nm 的白光，问屏上离零级明纹 20 mm 处，哪些波长的光最大限度地加强？(1 nm ＝10-9 m)3．图示一牛顿环装置，设平凸透镜中心恰好和平玻璃接触，透镜凸表面的曲率半径是 R ＝400 cm ．用某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．4．在 Si 的平表面上氧化了一层厚度均匀的 SiO 2 薄膜．为了测量薄膜厚度，将它的一部分磨成劈形(示意图中的 AB段)．现用波长为 600 nm 的平行光垂直照射，观察反射光形成的等厚干涉条纹．在图中 AB 段共有 8 条暗纹，且 B处恰好是一条暗纹，求薄膜的厚度．(Si 折射率为 3.42，SiO 2 折射率为1.50)5．在折射率为1.58 的玻璃表面镀一层MgF2（n = 1.38）透明薄膜作为增透膜．欲使它对波长为λ = 632.8 nm 的单色光在正入射时尽量少反射，则薄膜的厚度最小应是多少？一．选择题：二．光的衍射1 (A) a=2b．(B) a=b．(C) a=2b．(D) a=3 b．1．在夫琅禾费单缝衍射实验中，对于给定的入射单色光，当缝宽度变小时，除中央亮纹的中心位置不变外，各级衍射条纹( )(A)对应的衍射角变小．(B)对应的衍射角变大．(C)对应的衍射角也不变．(D)光强也不变．2．一单色平行光束垂直照射在宽度为1.0m m的单缝上，在缝后放一焦距为2.0m的会聚透镜．已知位于透镜焦平面处的屏幕上的中央明条纹宽度为2.0 mm，则入射光波长约为( )(1nm=10−9m)(A) 100n m(B) 400n m(C) 500n m(D) 600n m3．在单缝夫琅禾费衍射实验中波长为λ的单色光垂直入射到单缝上．对应于衍射角为30°的方向上，若单缝处波面可分成3个半波带，则缝宽度a等于( )(A)λ．(B) 1.5λ．(C) 2λ．(D) 3λ．4．在夫琅禾费单缝衍射实验中，对于给定的入射单色光，当缝宽度变小时，除中央亮纹的中心位置不变外，各级衍射条纹( )(A)对应的衍射角变小．(B)对应的衍射角变大．(C)对应的衍射角也不变．(D)光强也不变．5．测量单色光的波长时，下列方法中哪一种方法最为准确？( )(A)双缝干涉．(B)牛顿环．(C)单缝衍射．(D)光栅衍射．6．在光栅光谱中，假如所有偶数级次的主极大都恰好在单缝衍射的暗纹方向上，因而实际上不出现，那么此光栅每个透光缝宽度a和相邻两缝间不透光部分宽度b的关系为( )二．填空题：1．将波长为λ的平行单色光垂直投射于一狭缝上，若对应于衍射图样的第一级暗纹位置的衍射角的绝对值为θ，则缝的宽度等于．2．在单缝夫琅禾费衍射实验中，如果缝宽等于单色入射光波长的 2 倍，则中央明条纹边缘对应的衍射角ϕ= ．3．波长为λ的单色光垂直投射于缝宽为a，总缝数为N，光栅常数为d 的光栅上，光栅方程(表示出现主极大的衍射角ϕ应满足的条件)为．4．若波长为625 nm(1nm=10−9m)的单色光垂直入射到一个每毫米有800 条刻线的光栅上时，则第一级谱线的衍射角为5．衍射光栅主极大公式(a＋b) sinϕ＝±kλ，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δ＝6．设天空中两颗星对于一望远镜的张角为4.84×10−6 rad，它们都发出波长为550 nm 的光，为了分辨出这两颗星，望远镜物镜的口径至少要等于cm．(1 nm = 10-9 m)三．计算题：1．在用钠光(λ=589.3 nm)做光源进行的单缝夫琅禾费衍射实验中，单缝宽度a=0.5 mm，透镜焦距f=700 mm．求透镜焦平面上中央明条纹的宽度．(1nm=10−9m)2．某种单色平行光垂直入射在单缝上，单缝宽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．3．用每毫米300 条刻痕的衍射光栅来检验仅含有属于红和蓝的两种单色成分的光谱．已知红谱线波长λR 在0.63─0.76µm 范围内，蓝谱线波长λB 在0.43─0.49 µm 范围内．当光垂直入射到光栅时，发现在衍射角为24.46°处，红蓝两谱线同时出现．(1) 在什么角度下红蓝两谱线还会同时出现？(2) 在什么角度下只有红谱线出现？4．一平面衍射光栅宽2 cm，共有8000 条缝，用钠黄光(589.3 nm)垂直入射，试求出可能出现的各个主极大对应的衍射角．(1nm=109m)5．某种单色光垂直入射到每厘米有8000 条刻线的光栅上，如果第一级谱线的衍射角为30°那么入射光的波长是多少？能不能观察到第二级谱线？6．用钠光(λ=589.3 nm)垂直照射到某光栅上，测得第三级光谱的衍射角为60°．(1) 若换用另一光源测得其第二级光谱的衍射角为30°，求后一光源发光的波长．(2) 若以白光(400 nm－760 nm) 照射在该光栅上，求其第二级光谱的张角．(1 nm= 10-9 m)三．光的偏振一．空题：1．马吕斯定律的数学表达式为I = I0 cos2 α．式中I 为通过检偏器的透射光的强度；I0 为入射的强度；α为入射光方向和检偏器方向之间的夹角．2．两个偏振片叠放在一起，强度为I0 的自然光垂直入射其上，若通过两个偏振片后的光强为I0 / 8 ，则此两偏振片的偏振化方向间的夹角(取锐角)是，若在两片之间再插入一片偏振片，其偏振化方向与前后两片的偏振化方向的夹角（取锐角）相等．则通过三个偏振片后的透射光强度为．3．要使一束线偏振光通过偏振片之后振动方向转过90°，至少需要让这束光通过块理想偏振片．在此情况下，透射光强最大是原来光强的倍．4．自然光以入射角57°由空气投射于一块平板玻璃面上，反射光为完全线偏振光，则折射角为．5．一束自然光以布儒斯特角入射到平板玻璃片上，就偏振状态来说则反射光为，反射光E 矢量的振动方向，透射光为．6．在双折射晶体内部，有某种特定方向称为晶体的光轴．光在晶体内沿光轴传播时，光和光的传播速度相等．二．计算题：1．将两个偏振片叠放在一起，此两偏振片的偏振化方向之间的夹角为60o ，一束光强为I0 的线偏振光垂直入射到偏振片上，该光束的光矢量振动方向与二偏振片的偏振化方向皆成30°角．(1) 求透过每个偏振片后的光束强度；(2) 若将原入射光束换为强度相同的自然光，求透过每个偏振片后的光束强度．2．两个偏振片叠在一起，在它们的偏振化方向成α1＝30°时，观测一束单色自然光．又在α2＝45°时，观测另一束单色自然光．若两次所测得的透射光强度相等，求两次入射自然光的强度之比．3．将三个偏振片叠放在一起，第二个与第三个的偏振化方向分别与第一个的偏振化方向成45°和90°角．(1) 强度为I0 的自然光垂直入射到这一堆偏振片上，试求经每一偏振片后的光强和偏振状态．(2) 如果将第二个偏振片抽走，情况又如何？波动光学解答一．光的干涉一． 选择题：1 2 3 4 5 6B A A B B B 二． 填空题：1．2π(n1 – n2) e / λ2．xd / (5D)3．变小变小4．7.32 mm35．λ26．λ / (2L)7． λ/(2nθ)8．3λ / (2n)9．2d/λ10．2( n – 1) d11．0.170 nm三．计算题：121．解：(1) 如图，设P 0为零级明纹中心 则 D O P d r r /012≈-(l 2 +r 2) - (l 1 +r 1) = 0 ∴ r 2 – r 1 = l 1 – l 2 = 3λ ∴()dD d r r D O P /3/120λ=-=(2) 在屏上距O 点为x 处, 光程差λδ3)/(-≈D dx明纹条件 λδk ±= (k ＝1，2，....)()d D k x k /3λλ+±= 在此处令k ＝0，即为(1)的结果．相邻明条纹间距d D x x x k k /1λ=-=+∆2．解：已知：d ＝0.2 mm ，D ＝1 m ，l ＝20 mm 依公式： λk l DdS ==∴ Ddl k =λ＝4×10-3 mm ＝4000 nm故当 k ＝10 λ1＝ 400 nm k ＝9 λ2＝444.4 nm k ＝8 λ3＝ 500 nm k ＝7 λ4＝571.4 nm k ＝6 λ5＝666.7 nm这五种波长的光在所给观察点最大限度地加强．3．解：(1) 明环半径 ()2/12λ⋅-=R k r()Rk r 1222-=λ＝5×10-5 cm (或500 nm)(2) (2k －1)＝2 r 2 / (R λ)对于r ＝1.00 cm ， k ＝r 2 / (R λ)＋0.5＝50.5故在OA 范围内可观察到的明环数目为50个．4．解：上下表面反射都有相位突变π，计算光程差时不必考虑附加的半波长. 设膜厚为e , B 处为暗纹，2ne ＝21( 2k ＋1 )λ， (k ＝0，1，2，…) A 处为明纹，B 处第8个暗纹对应上式k ＝7()nk e 412λ+=＝1.5×10-3 mm5．解：尽量少反射的条件为2/)12(2λ+=k ne ( k = 0, 1, 2, …)令 k = 0 得 d min = λ / 4n= 114.6 nm二．光的衍射一． 选择题： 1 2 3 4 5 6 B C D B D B一． 填空题：1．λ / sin θ2．±30° (答30° 也可以)3．d sin ϕ =k λ ( k =0，±1，±2,···)4．30 °5．10λ6．13.9三．计算题：1．解： a sin ϕ = λ a f f f x /sin tg 1λφφ=≈== 0.825 mm ∆x =2x 1=1.65 mm2．解：设第三级暗纹在ϕ3方向上，则有 a sin ϕ3 = 3λ此暗纹到中心的距离为x 3 = f tg ϕ3因为ϕ3很小，可认为tg ϕ3≈sin ϕ3，所以x 3≈3f λ / a ．两侧第三级暗纹的距离是 2 x 3 = 6f λ / a = 8.0mm∴ λ = (2x 3) a / 6f = 500 nm3．解： ∵ a +b = (1 / 300) mm = 3.33 μm(1) (a + b ) sin ψ =k λ∴ k λ= (a + b ) sin24.46°= 1.38 μm∵ λR =0.63─0.76 μm ；λB ＝0.43─0.49 μm对于红光，取k =2 , 则λR =0.69 μm对于蓝光，取k =3, 则 λB =0.46 μm红光最大级次 k max = (a + b ) / λR =4.8,取k max =4则红光的第4级与蓝光的第6级还会重合．设重合处的衍射角为ψ' , 则()828.0/4sin =+='b a R λψ∴ ψ'=55.9°(2) 红光的第二、四级与蓝光重合，且最多只能看到四级，所以纯红光谱的第一、三级将出现．()207.0/sin 1=+=b a R λψ ψ1 = 11.9° ()621.0/3sin 3=+=b a R λψ ψ3 = 38.4°4．解：由光栅公式 (a ＋b )sin ϕ = k λ sin ϕ = k λ/(a ＋b ) =0.2357kk =0 ϕ =0k =±1 ϕ1 =±sin -10.2357=±13.6°k =±2 ϕ2 =±sin -10.4714=±28.1°k =±3 ϕ3 =±sin -10.7071=±45.0°k =±4 ϕ4 =±sin -10.9428=±70.5°5．解：由光栅公式(a ＋b )sin ϕ =k λk =1， φ =30°，sin ϕ1=1 / 2∴ λ=(a ＋b )sin ϕ1/ k =625 nm 若k =2, 则 sin ϕ2=2λ / (a + b ) = 1, ϕ2=90° 实际观察不到第二级谱线6．解：(1) (a + b ) sin ϕ = 3λa +b =3λ / sin ϕ ， ϕ=60°a +b =2λ'/sin ϕ' ϕ'=30° 3λ / sin ϕ =2λ'/sin ϕ' λ'=510.3 nm (2) (a + b ) =3λ / sin ϕ =2041.4 nm2ϕ'=sin -1(2×400 / 2041.4) (λ=400nm)2ϕ''=sin -1(2×760 / 2041.4) (λ=760nm) 白光第二级光谱的张角 ∆ϕ = 22ϕϕ'-''= 25°三．光的偏振一．填空题：1．线偏振光(或完全偏振光，或平面偏振光) 光(矢量)振动 偏振化(或透光轴)2．60°(或π / 3)9I 0 / 32 3．2 1/44．33°5．完全（线）偏振光 垂直于入射面 部分偏振光6．寻常非常 或：非常寻常二．计算题：1．解：(1) 透过第一个偏振片的光强I 1I 1＝I 0 cos 230°＝3 I 0 / 4 透过第二个偏振片后的光强I 2， I 2＝I 1cos 260°＝3I 0 / 16(2) 原入射光束换为自然光，则I 1＝I 0 / 2 I 2＝I 1cos 260°＝I 0 / 82．解：令I 1和I 2分别为两入射光束的光强．透过起偏器后，光的强度分别为I 1 / 2和I 2 / 2马吕斯定律，透过检偏器的光强分别为1211cos 21αI I =', 2222cos 21αI I ='按题意，21I I '='，于是 222121cos 21cos 21ααI I = 得 3/2cos /cos /221221==ααI I3．解：(1) 自然光通过第一偏振片后，其强度 I 1 = I 0 / 2通过第2偏振片后，I 2＝I 1cos 245︒＝I 1/ 4通过第3偏振片后，I 3＝I 2cos 245︒＝I 0/ 8通过每一偏振片后的光皆为线偏振光，其光振动方向与刚通过的偏振片的偏振化方向平行． (2) 若抽去第2片，因为第3片与第1片的偏振化方向相互垂直，所以此时I 3 =0. I 1仍不变．4．解：由题可知i 1和i 2应为相应的布儒斯特角，由布儒斯特定律知 tg i 1= n 1＝1.33； tg i 2＝n 2 / n 1＝1.57 / 1.333，由此得 i 1＝53.12°，i 2＝48.69°．由△ABC 可得 θ＋(π / 2＋r )＋(π / 2－i 2)＝π整理得 θ＝i 2－r由布儒斯特定律可知， r ＝π / 2－i 1 将r 代入上式得θ＝i 1＋i 2－π / 2＝53.12°＋48.69°－90°＝11.8°5．解：设I 为自然光强；I 1、I 2分别表示转动前后透射光强．由马吕斯定律得8/330cos 2121I I I =︒=8/60cos 2122I I I =︒=故 3)8//()8/3(/21==I I I I。
大学物理波动光学练习题(二)
1在双缝干涉实验中，若单色光源S到两缝S1、S2距离相等，则观察屏上中央明纹位于O处，现将光源S向下移动到S′位置，则[ ]•A、中央明纹向上移动，且条纹间距增大•B、中央明纹向上移动，且条纹间距不变•C、中央明纹向下移动，且条纹间距增大•D、中央明纹向下移动，且条纹间距不变正确答案：B2在杨氏双缝干涉实验中，设双缝之间的距离为d = 0.2 mm，屏与双缝间的距离D＝1.00 m。
（1）当波长λ = 589.0 nm的单色光垂直入射时，求10 条干涉条纹之间的距离；（2）若以白光入射，将出现彩色条纹，求第二级光谱的宽度。
正确答案：解（1）在杨氏双缝干涉的图样中，其干涉条纹为等距分布的明暗相间的直条纹。
相邻条纹之间的距离为10 条干涉条纹之间有9 个间距，所以10 条干涉条纹之间的距离为（2）第二级彩色条纹光谱宽度是指第二级紫光明纹中心位置到第二级红光明纹中心位置之间的距离。
杨氏双缝干涉明纹的位置为所以第二级光谱的宽度为在双缝干涉实验中，用波长λ=546.1nm的单色光照射，双缝与屏的距离300mm。
测得中央明纹两侧的两个第五级明条纹的间距为12.2mm，求双缝间的距离。
正确答案：解：条纹间距，考虑到中央明纹，两个第五级明条纹间有11条条纹，共有10个条纹间距，因此12.2/10 = 1.22mm，利用公式，代入数据，得双缝间的距离。
4在双缝干涉实验中，两缝间距为0.3mm，用单色光垂直照射双缝，在离缝1.20m的屏上测得中央明纹一侧第5条暗纹与另一侧第5条暗纹间的距离为22.78mm。
问所用光的波长为多少，是什么颜色的光？正确答案：解：双缝干涉暗纹位置，第5条暗纹，k = 4，中央明纹一侧第5条暗纹与另一侧第5条暗纹间的距离为22.78mm，即2x = 22.78mm，得x = 11.39 mm，因此λ=632.8nm，是红光。
5在相同的时间内,一束波长为的单色光在空气中和在玻璃中( )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,走过的光程不相等.正确答案：C在真空中波长为的单色光,在折射率为n的透明介质中从A沿某路径传播到B,若A、B两点相位差为,则此路径AB的光程为( )•A、•B、•C、•D、•正确答案： A•7在相同的时间内,一束波长为的单色光在空气中和在水中，走过的光程相等。
波动光学(二)答案
一. 选择题[ D ]1. 一束白光垂直照射在一光栅上，在形成的同一级光栅光谱中，偏离中央明纹最远的是(A) 紫光． (B) 绿光． (C) 黄光． (D) 红光． 注:λθk d =sin 波长越长,偏离中心越远.[ B ]2. 在单缝夫琅禾费衍射实验中，波长为λ的单色光垂直入射在宽度为a ＝4 λ的单缝上，对应于衍射角为30°的方向，单缝处波阵面可分成的半波带数目为 (A) 2 个． (B) 4 个． (C) 6 个． (D) 8 个．注:24sin λθ⨯=a[ B ]3. 一束平行单色光垂直入射在光栅上，当光栅常数(a + b )为下列哪种情况时(a 代表每条缝的宽度)，k =3、6、9 等级次的主极大均不出现？(A) a ＋b =2 a ． (B) a ＋b =3 a ． (C) a ＋b =4 a ． (A) a ＋b =6 a ．注:,'/k k ad=当此比值为整数时,该整数即为第一个缺级. [ C ]4. 在如图所示的单缝夫琅禾费衍射装置中，将单缝宽度a 稍梢变宽，同时使单缝沿y 轴正方向作微小平移(透镜屏幕位置不动)，则屏幕C 上的中央衍射条纹将(A) 变窄，同时向上移； (B) 变窄，同时向下移； (C) 变窄，不移动；(D) 变宽，同时向上移；(E) 变宽，不移． 注: λθ=sin a[ D ]5. 根据惠更斯－菲涅耳原理，若已知光在某时刻的波阵面为S ，则S 的前方某点P 的光强度决定于波阵面S 上所有面积元发出的子波各自传到P 点的 (A) 振动振幅之和． (B) 光强之和．(C) 振动振幅之和的平方． (D) 振动的相干叠加． 注:惠更寺原理[ D ]6. 某元素的特征光谱中含有波长分别为λ1＝450 nm 和λ2＝750 nm (1 nm ＝10-9m)的光谱线．在光栅光谱中，这两种波长的谱线有重叠现象，重叠处λ2的谱线的级数将是 (A) 2 ，3 ，4 ，5 ．．．．．． (B) 2 ，5 ，8 ，11．．．．．．(C) 2 ，4 ，6 ，8 ．．．．．． (D) 3 ，6 ，9 ，12．．．．．． 注:同一角度对应同一种光栅2211sin λλθk k d ==∴找最小公倍数即可.[ B ]7. 设光栅平面、透镜均与屏幕平行．则当入射的平行单色光从垂直于光栅平面入射变为斜入射时，能观察到的光谱线的最高级次k(A) 变小． (B) 变大． (C) 不变． (D) 的改变无法确定．λ注:公式从λθk d =sin 变成λθk d =sin λθk d =sin[ B ]8. 在单缝夫琅禾费衍射实验中，波长为λ的单色光垂直入射在宽度为a ＝4 λ的单缝上，对应于衍射角为30°的方向，单缝处波阵面可分成的半波带数目为 (A) 2 个． (B) 4 个． (C) 6 个． (D) 8 个． 二. 填空题1. 在单缝的夫琅禾费衍射实验中，屏上第三级暗纹对应于单缝处波面可划分为6 个半波带，若将缝宽缩小一半，原来第三级暗纹处将明_纹．注:,23sin ',2',26sin λθλθ⨯=∴=⨯=a a a a 奇数个半波带对应明纹 2. He －Ne 激光器发出λ=632.8 nm (1nm=10-9m)的平行光束，垂直照射到一单缝上，在距单缝3 m 远的屏上观察夫琅禾费衍射图样，测得两个第二级暗纹间的距离是10 cm ，则单缝的宽度a =__75900nm______．注: 2224,4,2tan x fa afx aff x ∆==∆∴==λλλθ注意单位统一.3. 波长为λ=550 nm(1nm=10-9m)的单色光垂直入射于光栅常数d =2×10-4cm 的平面衍射光栅上，可能观察到光谱线的最高级次为第3级。
大学物理第十四章波动光学课后习题答案及复习内容
第十四章波动光学一、基本要求1. 掌握光程的概念以及光程差和相位差的关系。
2. 理解获得相干光的方法，能分析确定杨氏双缝干涉条纹及薄膜等厚干涉条纹的位置，了解迈克尔逊干涉仪的工作原理。
3. 了解惠更斯-菲涅耳原理; 掌握用半波带法分析单缝夫琅和费衍射条纹的产生及其明暗纹位置的计算，会分析缝宽及波长对衍射条纹分布的影响。
4. 掌握光栅衍射公式。
会确定光栅衍射谱线的位置。
会分析光栅常数及波长对光栅衍射谱线分布的影响。
5. 了解自然光和线偏振光。
理解布儒斯特定律和马吕斯定律。
理解线偏振光的获得方法和检验方法。
6. 了解双折射现象。
二、基本内容1. 相干光及其获得方法只有两列光波的振动频率相同、振动方向相同、振动相位差恒定时才会发生干涉加强或减弱的现象，满足上述三个条件的两束光称为相干光。
相应的光源称为相干光源。
获得相干光的基本方法有两种：（1）分波振面法（如杨氏双缝干涉、洛埃镜、菲涅耳双面镜和菲涅耳双棱镜等）；（2）分振幅法（如薄膜干涉、劈尖干涉、牛顿环干涉和迈克耳逊干涉仪等）。
2. 光程和光程差（1）光程把光在折射率为n的媒质中通过的几何路程r折合成光在真空x中传播的几何路程x，称x为光程。
nr（2）光程差在处处采用了光程概念以后就可以把由相位差决定的干涉加强，减弱等情况用光程差来表示，为计算带来方便。
即当两光源的振动相位相同时，两列光波在相遇点引起的振动的位相差πλδϕ2⨯=∆ （其中λ为真空中波长，δ为两列光波光程差） 3. 半波损失光由光疏媒质（即折射率相对小的媒质）射到光密媒质发生反射时，反射光的相位较之入射光的相位发生了π的突变，这一变化导致了反射光的光程在反射过程中附加了半个波长，通常称为“半波损失”。
4. 杨氏双缝干涉经杨氏双缝的两束相干光在某点产生干涉时有两种极端情况：（1）位相差为0或2π的整数倍，合成振动最强；（2）位相差π的奇数倍，合成振动最弱或为0。
其对应的光程差()⎪⎩⎪⎨⎧-±±=212λλδk k ()()最弱最强 ,2,1,2,1,0==k k 杨氏的双缝干涉明、暗条纹中心位置：dD k x λ±= ),2,1,0( =k 亮条纹 d D k x 2)12(λ-±= ),2,1( =k 暗条纹 相邻明纹或相邻暗纹间距:λd D x =∆ （D 是双缝到屏的距离，d 为双缝间距） 5. 薄膜干涉以21n n <为例，此时反射光要计“半波损失”， 透射光不计“半波损失”。
光的波动性课后习题解答与提示
学科：物理教学内容：光的波动性课后习题解答与提示一、光的干涉[练习一](课本第26页)(1)答：在双缝干涉实验中，两个狭缝到中间亮条位置的距离相等，因此两列光波在这里相互加强，这对于任何颜色的光都是一样的，各种色光叠加后仍是白色．(2)答：皂液吹成的皂泡的薄壁各处厚薄并不一样，在光照时发生薄膜干涉，不同的色光的干涉条纹间距是不同的，如果用白光照射，液膜上就会出现彩色条纹．(3)答：蓝色花纹处的油层更薄些．从油层上下两个表面反射上来的各种色光中，如果某种色光相互加强，该处看起来就是这种颜色．蓝光的波长比绿光短，与绿光相比，该处的油层应更薄一些．二、光的衍射[练习二](课本第28页)(1)答：光的干涉，光的衍射．(2)答：同种色光在不同的介质中的频率总是相同不变的，而同种色光在不同的介质中的速度不同，所以，同种色光在不同的介质中的波长也不相同．三、光的电磁说[练习三](课本第32页)(1)解：根据波速的公式可得./109.6/104.16.988s m s m T v ⨯=⨯==-λ(2)答：能．夜里物体不再反射可见光，但是还能辐射红外线．响尾蛇能够感受红外线，所以它能在夜里“看”见东西．五、激光[练习四](课本第36页)(1)光纤通信、利用是相干光的特点；激光测距，利用激光平行度非常好的特点；“光刀”，利用激光亮度高的特点．(2)可以从报刊、杂志、网上查找相关资料．[习题](课本第37页)(1)答：a ．光的干涉和衍射现象都说明光是一种波．b ．光的偏振现象说明光是横波．c ．要看到显著的光的衍射现象很不容易，而水波的衍射却是经常可以遇见的．在做水波的衍射实验时，通常的障碍物或小孔已足够小的了，但对光波来说仍然太大，以致看不出明显的衍射现象．d ．在光的干涉实验中，若保持双缝间距离、缝与屏间距离都不变，用红光和绿光分别做实验得出干涉条纹来，可以见到红光的条纹间隔比绿光的条纹间隔大．而定量研究知道：在上述条件下，条纹间距离跟光波的波长成正比．所以可以得出：红光的波长较长，绿光的波长较短．(2)答：如图20—1(图中透镜的弯曲程度作了夸张)所示，凸透镜的弯曲表面向上反射的光和下面的玻璃平面向上反射的光相互叠加，由于来自这两个面的反射光的路程差不同，在有些位置相互加强，在有些位置相互削弱，因此出现了同心圆状的明暗相间的条纹．*(3)答：如果某目标发出的光正好在胶片上成像，这个物体发出的红外线所成的“红外像”则不会正好落在胶片上，而是落在距透镜更远的位置，原因是红外线的波长比可见光长．玻璃对于波长较长的光的折射率较小．用普通照相机进行红外摄影时，可以把距离标尺调得比实际距离稍近一些，这样就能够得到比较清晰的像．*(4)答：由于太阳在波长为370nm～750nm之间的辐射最强，在生物进化的历史上，视觉范围在这个区间的动物比视觉范围在其他波长间隔的动物能够看得更多、更清楚，因而具有更大的生存优势，直至进化为人．解题方法指导这一章的计算题不难．通过计算注意理解概念和规律．。
波动光学习题(二)给学生
2 a sin （2k 1） 2
( k 1,2) 减弱 ( k 1,2) 加强
条纹位置
x f tan f sin
( k 1,2) 暗纹 ( k 1,2) 明纹
x
kf a f （2k 1） 2a
条纹间距 中央明纹宽度
f x xk 1 xk a
2 f 2x a
（三）光栅衍射
光栅衍射是每一狭缝衍射的同一方向 的子波间相互干涉的结果，因而光栅 衍射是单缝衍射与缝间干涉的总效果。 与单缝衍射相比，在黑暗的背景上显 现窄细明亮的谱线，且缝数越多，谱 线越细越亮。
b a d
k
o x
f
P
•光栅方程
解：由单缝衍射的明纹公式
3 2 3 （ 1 ）取k 1, a sin 1 (2k 1) 1，a sin 2 (2k 1) 2 2 2 2 2 3 3 sin x / f x1 1 f / a , x2 2 f / a 2 2 3 x x2 x1 f / a 0.27cm 2
( a b) sin k ( k 0,1,2) 主极大明纹
•明纹位置 kf x a b
( k 0,1,2) 明纹
•缺级条件
I单
d k a k
-2
-1
0 I
1
单缝衍射 轮廓线
2
(k 1， 2， 3)
d -8 在 k k 处出现缺级。 a
•自然光 •线偏振光
•部分偏振光
2.马吕斯定律
I0
P1
I1
I2
I 2 I1 cos
2
波动光学课后习题答案(第二章)
d=N
λ
2n
ΔL =
λ
2n sin α
由题目可知，相邻两亮条纹对应的在劈尖表面的长度为
ΔL =
带入参数 n=1.0，λ=0.5893μm，则得到
λ
2n sin α
= 0.5mm
sin α = 5.893 ×10−4 ≈ α ≈ tan α
则计算得到铝箔的厚度为
D = L′ tan α = 70 × 5.893 × 10−4 = 41.251μ m
其中，L ( S1 P ) L ( S2 P ) 分别是 s1 点和 s2 点到 P 点的光程， t 为玻璃片厚度， n 为其折射率。 根据 2‐4 题（1）的分析可知，
yd = ( n − 1) t D
带入参数可最终计算得到
t = 1.67 ×10−2 mm
2‐6 解：由前面的分析很容易求出入射光波长为 0.588μm，当用白光照射时，不同波长在接 收屏上获得的干涉条纹间距不同， 因此除了中心点， 在其它区域不同级次的干涉条纹都发生 了平移，导致干涉条纹出现“混叠现象” ，其表现类似于“彩虹”分布。 2‐7、2‐8 及 2‐9 题略 2‐10 解：根据光束在平行平板上发生的双光束干涉可知，在反射光的方向上发生干涉加强 的条件是：
k 5 λ0 = λ ( k = 1, 2,3,K) 4 2
很容易计算得到在可见光波段内，有两个波长 0.458μm 和 0.687μm 的光具有最大的反射， 分别对应绿光和红光，而人眼看到是这两种颜色的混合，是什么颜色呢？ 2‐30 具体参考教材 74 页。 2‐31 参考教材 75 和 76 页， 目前有成熟的商业软件来计算这个问题， 请大家去网络上搜索。 2‐35 解：根据空间相干性的基本条件（参考教材 102 和 103 页） ，使双缝发生干涉的最大横 向宽度满足，
15大学物理波动光学2(劈尖、牛顿环、干涉仪)
干涉条件为：
2nd 2nd
2
k (k 1,2,) (2k 1)
相长
2
2
(k 0,1,2,) 相消
2．等厚干涉 厚度相同的地方光程差相同，形成同一 条纹。 劈尖的干涉条纹是一系列平行于劈尖棱 边的明暗相间的直条纹。
(1)棱边处 ，为 2 k=0级暗条纹（与实 际一致）
2nD
k 7
2
(2k 1)
2
k 0 k 7
k D 2065 nm 2.07 m 2n
细丝膨胀，条纹向左移动
练习1.如图所示，利用空气劈尖测细丝直径， L 已知 589 .3nm ， 2.888102 m,测得30条 4.295103 m，求细丝直径d。 条纹的总宽度为
I min 0
I
Imax Imin
I min 0
I
4I1
对比度差 (V < 1)
对比度好 (V = 1)
二、时间相干性 1．光的非单色性 理想的单色光
实际光束：波列、准单色光 I I
0
I0 2
波列长L= c
0
0
2．光源的非单色性对干涉条纹的影响 通常单色光源包含一定的波长范围 ， 在这一范围内每一波长的光各自形成一组 干涉条纹。各组干涉条纹只有零级条纹完 全重合，其他各级不再重合，其非相干叠 加会降低条纹的可见度。
n 1.22
例2．如图所示为测量油膜折射率的实验装臵, 在平面玻璃片G上放一油滴，并展开成球冠状
油膜。在波长 600 nm的单色光垂直照射 下，从反射光中可观察到油膜所形成的干 涉条纹。已知玻璃的折射率为 n1 1.5 ，油 膜的折射率为 n2 1.2 ，问：当油膜中心最 高点与玻璃片的上表面 相距h 800 nm 时，干 L 涉条纹是如何分布的？ S 可看到几条明纹？明 纹所在处的油膜厚度 n2 h 为多少？ n1 G
大学物理第十四章波动光学习题+答案省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件
(C)
2
(D)
2n
2ne k k 1, 2, 3
2
要使e最小，令k =1
e
4n
4-3 若把由平凸玻璃和平玻璃（折射率1.50）制成旳 牛顿环装置由空气搬入水中（折射率1.33），则干涉 条纹
(A) 中心暗环变成明环
✓(C) 间距变密
(B) 间距变疏 (D) 间距不变
4-4 在单缝衍射试验中，缝宽a = 0.2mm，透镜焦距
（1）求透过每块偏振片后旳光束强度； （2）若将原入射光束换为强度相同旳自然光，求 透过每块偏振片后旳光束强度。
解：（1）根据马吕斯定律，线偏振光透过第一 个
偏振片后光强度为
I1
I0
cos2
30
3 4
I0
再透过第二个偏振片后光强度为
I2
I1
cos2
60
3 16
I0
（2）自然光透过第一种偏振片后光强度为
； 该光栅旳光栅常
数(a+b) =
。
(a b) sin k1
(k 1)2 k1
(a b) sin (k 1)2
k 2 2 1 2
(a b) sin 21
tan x 0.1 sin
f
(a b) 201 1.2103cm
4-8 一束自然光经过两个偏振片，若两偏振片旳偏
振化方向间夹角由1转到2，且不考虑吸收，则转动
d
3、薄膜等厚干涉 劈尖干涉
垂直入射： 2ne
2
相邻明纹(暗纹)间旳厚度差： e
2n
C
相邻明纹(暗纹)中心间距离: l 2n
R
牛顿环
r 2Re
明环和暗环旳半径分别为：
波动光学课后习题
波动光学篇习题十二·光的干涉12-1 某单色光从空气射入水中，其频率、波速、波长是否变化?怎样变化?12-2 在杨氏双缝实验中，作如下调节时，屏幕上的干涉条纹将如何变化?试说明理由． (1)使两缝之间的距离变小；(2)保持双缝间距不变，使双缝与屏幕间的距离变小； (3)整个装置的结构不变，全部浸入水中； (4)光源作平行于1S ，2S 联线方向上下微小移动；(5)用一块透明的薄云母片盖住下面的一条缝．12-3 什么是光程? 在不同的均匀媒质中，若单色光通过的光程相等时，其几何路程是否相同?其所需时间是否相同?在光程差与位相差的关系式∆λπϕ∆2=中,光波的波长要用真空中波长,为什么?12-4 如题12-4图所示，A ，B 两块平板玻璃构成空气劈尖，分析在下列情况中劈尖干涉条纹将如何变化?(1) A 沿垂直于B 的方向向上平移［见图(a)］； (2) A 绕棱边逆时针转动［见图(b)］．题12-4图12-5 用劈尖干涉来检测工件表面的平整度，当波长为λ的单色光垂直入射时,观察到的干涉条纹如题12-5图所示，每一条纹的弯曲部分的顶点恰与左邻的直线部分的连线相切．试说明工件缺陷是凸还是凹?并估算该缺陷的程度．题12-5图题12-6图12-6 如题12-6图，牛顿环的平凸透镜可以上下移动，若以单色光垂直照射，看见条纹向中心收缩，问透镜是向上还是向下移动?12-7 在杨氏双缝实验中，双缝间距d=0.20mm，缝屏间距D＝1.0m，试求：(1)若第二级明条纹离屏中心的距离为6.0mm，计算此单色光的波长；(2)相邻两明条纹间的距离．12-8 在双缝装置中，用一很薄的云母片(n=1.58)覆盖其中的一条缝，结果使屏幕上的第七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5500oA，求此云母片的厚度．12-9 洛埃镜干涉装置如题12-9图所示，镜长30cm，狭缝光源S在离镜左边20cm的平面内，与镜面的垂直距离为2.0mm，光源波长=λ7.2×10-7m，试求位于镜右边缘的屏幕上第一条明条纹到镜边缘的距离．题12-9图12-10 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．油的折射率为1.30，玻璃的折射率为1.50，若单色光的波长可由光源连续可调，可观察到5000 o A 与7000 oA 这两个波长的单色光在反射中消失．试求油膜层的厚度．12-11 白光垂直照射到空气中一厚度为3800 oA 的肥皂膜上，设肥皂膜的折射率为1.33，试问该膜的正面呈现什么颜色?背面呈现什么颜色?12-12 在折射率1n =1.52的镜头表面涂有一层折射率2n =1.38的Mg 2F 增透膜，如果此膜适用于波长λ=5500 oA 的光，问膜的厚度应取何值?12-13 如题12-13图，波长为6800oA 的平行光垂直照射到L ＝0.12m 长的两块玻璃片上，两玻璃片一边相互接触，另一边被直径d =0.048mm 的细钢丝隔开．求： (1)两玻璃片间的夹角=θ?(2)相邻两明条纹间空气膜的厚度差是多少? (3)相邻两暗条纹的间距是多少? (4)在这0.12 m 内呈现多少条明条纹?题12-13图12-14 用=λ5000oA 的平行光垂直入射劈形薄膜的上表面，从反射光中观察，劈尖的棱边是暗纹．若劈尖上面媒质的折射率1n 大于薄膜的折射率n (n =1.5)．求： (1)膜下面媒质的折射率2n 与n 的大小关系； (2)第10条暗纹处薄膜的厚度；(3)使膜的下表面向下平移一微小距离e ∆，干涉条纹有什么变化?若e ∆=2.0 μm ，原来的第10条暗纹处将被哪级暗纹占据?12-15 (1)若用波长不同的光观察牛顿环，1λ＝6000oA ，2λ＝4500oA ，观察到用1λ时的第k 个暗环与用2λ时的第k+1个暗环重合，已知透镜的曲率半径是190cm ．求用1λ时第k 个暗环的半径．(2)又如在牛顿环中用波长为5000oA 的第5个明环与用波长为2λ的第6个明环重合，求未知波长2λ．12-16 当牛顿环装置中的透镜与玻璃之间的空间充以液体时，第十个亮环的直径由1d ＝1.40×10-2m 变为2d ＝1.27×10-2m ，求液体的折射率．12-17 利用迈克耳逊干涉仪可测量单色光的波长．当1M 移动距离为0.322mm 时，观察到干涉条纹移动数为1024条，求所用单色光的波长．12-18 把折射率为n =1.632的玻璃片放入迈克耳逊干涉仪的一条光路中，观察到有150条干涉条纹向一方移过．若所用单色光的波长为λ=5000oA ，求此玻璃片的厚度．习题十三·光的衍射13-1 衍射的本质是什么?衍射和干涉有什么联系和区别?13-2 在夫琅禾费单缝衍射实验中，如果把单缝沿透镜光轴方向平移时，衍射图样是否会 跟着移动?若把单缝沿垂直于光轴方向平移时，衍射图样是否会跟着移动?13-3 什么叫半波带?单缝衍射中怎样划分半波带?对应于单缝衍射第3级明条纹和第4级暗 条纹，单缝处波面各可分成几个半波带?13-4 在单缝衍射中，为什么衍射角ϕ愈大（级数愈大）的那些明条纹的亮度愈小?13-5 若把单缝衍射实验装置全部浸入水中时，衍射图样将发生怎样的变化?如果此时用公式),2,1(2)12(sin =+±=k k a λϕ来测定光的波长，问测出的波长是光在空气中的还是在水中的波长?13-6 在单缝夫琅禾费衍射中，改变下列条件，衍射条纹有何变化?(1)缝宽变窄；(2)入 射光波长变长；(3)入射平行光由正入射变为斜入射．13-7 单缝衍射暗条纹条件与双缝干涉明条纹的条件在形式上类似，两者是否矛盾?怎样 说明?13-8 光栅衍射与单缝衍射有何区别?为何光栅衍射的明条纹特别明亮而暗区很宽?13-9 试指出当衍射光栅的光栅常数为下述三种情况时，哪些级次的衍射明条纹缺级?(1) a+b=2a;(2)a+b=3a;(3)a+b=4a.13-10 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?13-11 一单色平行光垂直照射一单缝，若其第三级明条纹位置正好与6000οA 的单色平行光的第二级明条纹位置重合，求前一种单色光的波长．13-12 单缝宽0.10mm ，透镜焦距为50cm ，用5000=λoA 的绿光垂直照射单缝．求：(1)位于透镜焦平面处的屏幕上中央明条纹的宽度和半角宽度各为多少?(2)若把此装置浸入水中(n=1.33)，中央明条纹的半角宽度又为多少?13-13 用橙黄色的平行光垂直照射一宽为a=0.60mm 的单缝，缝后凸透镜的焦距f=40.0cm ，观察屏幕上形成的衍射条纹．若屏上离中央明条纹中心1.40mm 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?13-14 用5900=λoA 的钠黄光垂直入射到每毫米有500条刻痕的光栅上，问最多能看到第几级明条纹?13-15 波长为5000o A 的平行单色光垂直照射到每毫米有200条刻痕的光栅上，光栅后的透镜焦距为60cm ．求：(1)屏幕上中央明条纹与第一级明条纹的间距；(2)当光线与光栅法线成 30°斜入射时，中央明条纹的位移为多少?13-16 波长6000=λo A 的单色光垂直入射到一光栅上，第二、第三级明条纹分别出现在20.0sin =ϕ与30.0sin =ϕ处，第四级缺级．求：(1)光栅常数；(2)光栅上狭缝的宽度；(3)在90°＞ϕ＞-90°范围内，实际呈现的全部级数．13-17 一双缝，两缝间距为0.1mm ，每缝宽为0.02mm ，用波长为4800oA 的平行单色光垂直入射双缝，双缝后放一焦距为50cm 的透镜．试求：(1)透镜焦平面上单缝衍射中央明条纹的宽度；(2)单缝衍射的中央明条纹包迹内有多少条双缝衍射明条纹?13-18 在夫琅禾费圆孔衍射中，设圆孔半径为0.10mm ，透镜焦距为50cm ，所用单色光波长为5000oA ，求在透镜焦平面处屏幕上呈现的爱里斑半径．13-20 已知入射的X 射线束含有从0.95～1.30oA 范围内的各种波长，晶体的晶格常数为2.75oA ，当X 射线以45°角入射到晶体时，问对哪些波长的X 射线能产生强反射?习题十四·光的偏振14-1 自然光是否一定不是单色光?线偏振光是否一定是单色光?14-2 用哪些方法可以获得线偏振光?怎样用实验来检验线偏振光、部分偏振光和自然光?14-3 一束光入射到两种透明介质的分界面上时，发现只有透射光而无反射光，试说明这束光是怎样入射的?其偏振状态如何?14-4 什么是光轴、主截面和主平面?什么是寻常光线和非常光线?它们的振动方向和各自的主平面有何关系?14-5 在单轴晶体中，e 光是否总是以e n c /的速率传播?哪个方向以0/n c 的速率传播?14-6是否只有自然光入射晶体时才能产生O 光和e 光?14-7投射到起偏器的自然光强度为0I ，开始时，起偏器和检偏器的透光轴方向平行．然后使检偏器绕入射光的传播方向转过130°，45°，60°，试分别求出在上述三种情况下，透过检偏器后光的强度是0I 的几倍?14-8 使自然光通过两个偏振化方向夹角为60°的偏振片时，透射光强为1I ，今在这两个偏振片之间再插入一偏振片，它的偏振化方向与前两个偏振片均成30°，问此时透射光I 与1I 之比为多少?14-9 自然光入射到两个重叠的偏振片上．如果透射光强为，(1)透射光最大强度的三分之一，(2)入射光强的三分之一，则这两个偏振片透光轴方向间的夹角为多少?14-10 一束自然光从空气入射到折射率为1.40的液体表面上，其反射光是完全偏振光．试求：(1)入射角等于多少?(2)折射角为多少?14-11 利用布儒斯特定律怎样测定不透明介质的折射率?若测得釉质在空气中的起偏振角为58°，求釉质的折射率．14-12 光由空气射入折射率为n 的玻璃．在题14-12图所示的各种情况中，用黑点和短线把反射光和折射光的振动方向表示出来，并标明是线偏振光还是部分偏振光．图中.arctan ,00n i i i =≠题图14-12*14-13如果一个二分之一波片或四分之一波片的光轴与起偏器的偏振化方向成30°角，试问从二分之一波片还是从四分之一波片透射出来的光将是：(1)线偏振光?(2)圆偏振光?(3)椭圆偏振光?为什么?题14-13图*14-14 将厚度为1mm且垂直于光轴切出的石英晶片，放在两平行的偏振片之间，对某一波长的光波，经过晶片后振动面旋转了20°．问石英晶片的厚度变为多少时，该波长的光将完全不能通过?。
大学物理下册波动光学习题解答 杨体强
波动光学习题解答1-1 在杨氏实验装置中，两孔间的距离等于通过光孔的光波长的100倍，接收屏与双孔屏相距50cm 。
求第1 级和第3级亮纹在屏上的位置以及它们之间的距离。
解： 设两孔间距为d ，小孔至屏幕的距离为D ，光波波长为λ，则有=100d λ. (1)第1级和第3级亮条纹在屏上的位置分别为 (2)两干涉条纹的间距为 1-2 在杨氏双缝干涉实验中，用06328A =λ的氦氖激光束垂直照射两小孔，两小孔的间距为1.14mm ，小孔至屏幕的垂直距离为1.5m 。
求在下列两种情况下屏幕上干涉条纹的间距。
（1）整个装置放在空气中； （2）整个装置放在n=1.33的水中。
解： 设两孔间距为d ，小孔至屏幕的距离为D ，装置所处介质的折射率为n ，则两小孔出射的光到屏幕的光程差为 所以相邻干涉条纹的间距为（1）在空气中时，n ＝1。
于是条纹间距为 （2）在水中时，n ＝1.33。
条纹间距为 1-3 如图所示，1S 、2S 是两个相干光源，它们到P 点的距离分别为1r 和2r 。
路径1S P 垂直穿过一块厚度为1t 、折射率为1n 的介质板，路径2S P 垂直穿过厚度为2t ，折射率为2n 的另一块介质板，其余部分可看做真空。
这两条路径的光程差是多少？解：光程差为 222111[r (n 1)t ][r (n 1)t ]+--+-1-4 如图所示为一种利用干涉现象测定气体折射率的原理性结构，在1S 孔后面放置一长度为l 的透明容器，当待测气体注入容器而将空气排出的过程中幕上的干涉条纹就会移动。
由移过条纹的根数即可推知气体的折射率。
（1）设待测气体的折射率大于空气折射率，干涉条纹如何移动？（2）设 2.0l cm =，条纹移过20根，光波长为589.3nm ，空气折射率为1.000276，求待测气体（氯气）的折射率。
解：（1）条纹向上移动。
（2）设氯气折射率为n,空气折射率为n 0=1.002760，则有：所以0k n =n + 1.00027600.0005893 1.0008653lλ=+=1-5 用波长为500 nm 的单色光垂直照射到由两块光学平玻璃构成的空气劈尖上。
大学物理课后习题附答案波动光学习题附答案
d
dk
k
2n2
k0,1,2,
油膜边缘 k0,d00明纹
k 1 , d 125 n0 m
k2 , d 2 50 n0 m
波动光学习题课选讲例题
物理学教程 （第二版）
h
r
oR
第十四章 波动光学
k3 , d375 n0 m
d k4 , d4 10n0m
由于h8.010 2nm
故可观察到四条明纹 . 当 油滴展开时，条纹间距变 大，条纹数减少.
6n 0,m 02 30
解： k 2 ,( b b )s3 i n 0 2 6n 0m 0
b b 24 n0 m 2 0.400
（2）透光缝可能的最小宽度 b 等于多大？
bbk 3 b k k
b kb 3 k
当 k1 时
bm in 0.5b
透光缝可能的最小宽度 b = 0.800 um = 800 nm
长为 的光，A 是连线中垂线上的一点，S 1 与A 间插
e 入厚度为 的薄片，求 1）两光源发出的光在 A 点的
相位差；2）已知 50n0m, n1.5, A为第四级 明纹中心, 求薄片厚度 e 的大小.
S1 *
e
n
2(n1)e
S2*
* A (n1)e4
e4450 n0 m 4 130 nm
n1 1.51
则他将观察到油层呈什么颜色?
(2) 如果一潜水员潜入该区域水下,又将看到油
层呈什么颜色?
解 (1) Δ r2 d1n k
2n1d, k1,2,
k
k 1 , 2 n 1 d 11 n0 m 4
k 2 , n 1 d 5n 5m 2 绿色
k3, 3 2n1d36n8m
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强度为I0的偏振光通过检偏器后的强度为
I I0ห้องสมุดไป่ตู้cos2
：入射线偏振光的振动方向与出射偏振光振动方向 之间的夹角。
3、产生偏振光的方法
（1）利用光的反射和折射
布儒斯特定律
（2）利用各向异性晶体的双折射现象
尼科耳棱镜
（3）利用某些晶体的二向色性
偏振片
问题
17-1、如本题图所示，有两盏钠光灯，发出波长相
相邻两缝衍射光的光程差为 b bsin
相位差为 2 b bsin
当 2k k 0,1,2... 时，合振幅最大，为原来振幅
的N倍。所以点P为明纹的条件为
2 b bsin 2k
即 b bsin k, k 0,1,2,...
光栅方程
当 2k N k kN 时，合振幅为零。
17-5、为什么白光引起的双缝干涉条纹比单色光引起
的干涉条纹少？
答：双缝干涉条纹间距为
x
xk 1
xk
d d
当d与d’的值一定时，x与入射光波长成正比。
白光是由各种单色光组成的复色光，用白光做双缝干
涉实验时，各种波长的单色光都分别发生干涉，形成
各种条纹宽度不同的干涉条纹，它们叠加在一起形成
白光的干涉条纹——彩色条纹。这就有可能使波长较
（4）光轴 在双折射晶体内有一确定方向，光沿这一方向传播时， 寻常光和非常光的传播速度（或折射率）相同，不产生 双折射现象，这个方向叫做光轴。
2、基本定律
（1）布儒斯特定律
自然光在折射率分别为n1和n2的两种介质的分届面上反射
时，产生线偏振光的条件是
tg
i0
n2 n1
（2）马吕斯定律
i0
起偏角（布儒斯特角）
同的光，照射到点P，问能否产生干涉？为什么？如
果只用一盏钠光灯，并用墨纸盖住钠光灯的中部，
使A、B两部分的光同时照射到点P，问能否产生干
涉？为什么？
S1
PA
P
B
S2
答：都不能产生干涉。
钠光灯属于普通光源，光源中大量原子或分子是各 自相互独立地发出一个个波列，它们的发射是偶然 的，彼此间没有任何联系。因此在同一时刻，各原 子或分子所发出的光，即使波长、频率相同，相位 和振动方向也不一定相同。此外，由于原子或分子 的发光是间歇的，当它们发出一个波列后，要间隔 若干时间才能再发出第二个波列。所以，即使是同 一个原子，它先后所发出的波列的相位和振动方向 也很难相同。所以，两盏独立的钠光灯或一盏钠光 灯上不同部分发出的光一般不会产生干涉。
同时，我们也要看到这两种现象的联系。 从‘光源’干涉的角度看，干涉和衍射的本质是 统一的 ，都是相干波叠加的结果。所以在一般 问题中，干涉和衍射两者的作用同时存在。
17-16、为什么在日常生活中声波的衍射比光波的衍射 更加显著？
答：因为声波的波长较长，可与日常生活中的障碍 物相比，所以能够产生衍射；而光波的波长很短， 实际生活中的障碍物一般都比它大很多，所以日常 生活中光波的衍射不如声波显著。
17-17、在单缝衍射中，若作如下一些情况的变动时， 屏幕上的衍射条纹将如何变化？
（1）用钠黄光代替波长为632.8nm的氦氖激光； （2）将整个装置浸入水中，使缝宽b不变，而将屏幕 右移至新装置的焦平面上；
（3）将单缝向上作小位移； （4）将透镜向上作小位移。
答：由条纹宽度公式
l f
b
,
l0
0
1 D
0 1.22
光栅的分辨本领：
R kN
三、光的偏振
1、基本概念 （1）自然光和偏振光 在与光的传播方向垂直的平面内，E矢量（光矢量或光 振动）的振幅沿各个方向均等的光为自然光；而只在某 一固定方向有E矢量振动的光为线偏振光，简称偏振光； 介于两者之间的为部分偏振光。
（2）起偏和检偏 通过某种装置使自然光成为偏振光，叫做起偏，其装置 叫做起偏器。起偏器也可以用来检查某一光束是否为偏 振光，叫做检偏，即起偏器也可作为检偏器。
A i B
答：A左侧是自然光；AB之间是部分偏振光;经过B 后的反射光是线偏振光。
tgi n n 1
17-23、如本题图所示，Q为起偏器，G为检偏器。今以 单色自然光垂直入射。若保持Q不动，将G绕轴OO’转 动3600，问转动过程中，通过G的光的光强怎样变化？ 若保持G不动，将Q绕OO’轴转动3600，在转动过程中 通过G后的光强又怎样变化？
17-2、如本题图所示，由相干光源 S1和S2发出波长为 的单色光，分别通过两种介质（折射率分别为n1和 n2，且n1>n2），射到这两种介质分界面上一点P。已 知两光源到P的距离均为r。问这两条光的几何路程是
否相等？光程是否相等？光程差是多少？
n1
S1
r
P
S2
r
n2
答：几何路程相等，光程不相等。
条反射光或各条折射光互为相干光，又由于白光是复
色光，它含有各个波长的光，各条光线发生干涉，干
涉图样是彩色的，所以我们看到膜泡出现颜色。 当膜即将破裂时，膜的厚度约等于波长的1/4，即使发 生干涉的透射光的光程差为/2，发生干涉相消，所以 从透射方向看膜上出现黑色。当膜厚度远小于波长时， 反射光的光程差约等于/2，所以从反射方向看薄膜程 黑色。
（1）单缝衍射效应 由于单缝位置的变化对衍射图样的位置没有影响，所以 光栅中各条缝的衍射图样是重叠在一起的。若光栅共有 N条缝，则衍射图样中的明纹亮度增加N倍，所以光栅 中狭缝条数越多，明纹就越亮；又因光栅中狭缝很窄， 所以单缝衍射的明纹扩展的很宽。多缝干涉的结果将在 单缝衍射的明纹中产生暗纹。
（2）多缝干涉效应
2f
b
以及 得
n
用钠黄光代替氦氖激光，波长变短，条纹宽度变小；
将整个装置浸入水中，并使缝宽不变，将屏幕右移
至新装置的焦平面上，相当于波长变短，条纹宽度
变小。单缝向上作小位移时，对透镜来说仍然是平
行光入射，所以对条纹没有影响；将透镜向上作小
位移时，将使条纹向上平移。
17-18、光栅衍射和单缝衍射有何区别？为何光栅衍 射的明纹特别明亮？
长的光形成的第k级条纹与波长较短的光形成的第
k+1级条纹重合，使干涉条纹变少。所以用白光引起
的双缝干涉条纹比单色光引起的干涉条纹少。
17-6、在空气中的肥皂膜泡，随着膜泡厚度的变薄， 膜上将出现颜色，当膜进一步变薄并将破裂时，膜上 将出现黑色，试解释之。
答：光照射到薄肥皂膜泡上，会发生反射和折射，各
答：光栅相当于多个单缝的组合，它除了每一狭缝产 生衍射外，缝与缝之间透过的光也发生干涉，所以光 栅衍射的明条纹处汇聚的光线远远多于单缝衍射时， 因此光栅衍射的明纹特别明亮。
17-22、如本题图所示的光路，哪些部分是自然光，哪 些部分是偏振光，哪些部分是部分偏振光？指出偏振 光的偏振方向。若B为折射率为n的玻璃，周围为空气， 则入射角i应遵守怎样的规律？
因为条纹弯曲程度未超过半个条纹宽度，所以隆起 的最大程度不超过/4。
17-15、光的衍射和干涉现象有何不同，如何解释光的 衍射现象？根据为何？
答：衍射现象与干涉现象的区别：
a、参与纯干涉现象的是有限束相干波，而参与衍射 现象的是有同一波阵面上发射的无限多子波。 b、纯干涉现象中，不同级次的光强是一样的；而衍 射条纹不同级次的光强不同，级次越高光强越弱。 c、干涉只是不同光线间的相互作用，而衍射还包含 了光源与障碍物的作用。
k
k
b
b b
k 就是所缺的级次
5、光学仪器的分辨率 两个点光源S1和S2通过光学仪器成像时，若S1像的中央最
亮处刚好与S2像第一最暗处重合，该两点光源恰能分辨。
此时S1和S2对仪器透镜光心的张角0叫做最小分辨角。
s s
1 2
**
D 0
s s
1 2
**
D 0
最小分辨角为： o 1.22 D
最小分辨角的倒数 1 称为光学仪器的分辨率
光程1为 n1r 光程2为 n2r
光程差为 n1 n2 r
17-3、在杨氏双缝干涉中，若作如下一些情况的变动时， 屏幕上干涉条纹将如何变化？
（1）将钠光换成波长为632.8nm的氦氖激光； （2）将整个装置浸入水中； （3）将双缝（S1和S2）的间距d增大； （4）将屏幕向双缝屏靠近； （5）在双缝之一的后面放一折射率为n的透明薄膜时
3、干涉与衍射的区别 （1）干涉是两束光或有限束光的相干叠加，而衍射是 从同一波阵面上各点发出的无数个子波（球面波）的 相干叠加。即衍射本质也是干涉。 （2）在纯干涉情况下，不同级次（k不同）的光强是 一样的；而衍射条纹不同级次的光强是不同的，级次 越高（k越大）光强越弱。 （3）若将双缝干涉条纹与单缝衍射条纹比较，双缝干
17-8、在计算由增透膜产生的光程差时，并没有加上 半波损失，为什么？
答：半波损失项的确定 满足n1<n2>n3(或n1 >n2 <n3) 满足n1>n2>n3(或n1 <n2 <n3)
计入半波损失项； 不计入半波损失项。
我们做增透膜时使其满足n1>n2>n3(或n1 <n2 <n3)的条 件，所以不加半波损失。
玻璃片向上移动太多，使劈尖厚度增大太多，则相干光的
条件得不到满足，干涉条纹消失。
劈尖上表面向右平移， 角不变，条纹间距不变，等厚度
位置向右移动，所以条纹向右移动。
当增大时，条纹间距减小；等厚度的位置向左移动，所 以干涉条纹向左方密集。
x 0 2n2
由于液体的折射率大于空气的折射率，而不变，所以 条纹间距变小。思考：此时有无相位跃变？有的话发生 在劈尖的上表面还是下表面？
17-12、工业上常用光学平面验规（表面经过精密加 工，作为标准的平面玻璃）来检验金属平面的平整 程度。如图所示，将验规放在待检平面上形成一个 空气劈尖，并用单色光照射，如待检平面上有不平 处，干涉条纹将发生弯曲。试判定图中A处，待检平 面是隆起还是凹下，隆起或凹下的最大尺度为多少？