红外物理与技术(第2版)杨风暴课后习题解答

红外物理与技术（第2版）杨风暴课后习题解答

第1章绪论

1-1名词解释

（1）红外辐射：红外辐射也称为红外线；在电磁波谱中，红外线区域从可见光的红光边界开始，一直扩展到电子学中的微波区边界，其波长范围是0.76～1000μm。

（2）红外故障诊断：输电线路和设备的不良接触点或故障部位的电阻值往往会变大，从而形成不正常线路的部分温度高的热点，利用红外热成像方法可以很容易地检测到这些热点，进而确定故障位置，根据热点形状也能得到故障的类型信息。

（3）红外物理：红外物理是现代物理的一个分支，它以电磁波谱中的红外辐射为特定研究对象，是研究红外辐射与物质之间相互作用的学科。红外物理运用物理学的理论和方法，研究分析红外辐射的产生、传输及探测过程中的现象、机理、特征和规律，从而为红外辐射的技术应用，以及探索新的原理、新的材料、新型器件和开拓新的波谱区提供了理论基础与实验依据。红外物理的主要研究内容包括红外辐射的基本规律、红外光谱学、红外辐射源、目标和背景的红外辐射特性（包括空间分布特性、光谱辐射特性、时间变化特性）、红外辐射的大气传输特性、红外波段光学材料等。

1-2 填空题

（1）红外线是1800年由英国天文学家威廉·赫谢尔在研究太阳七色光的热效应时发现的。一切温度高于热力学零度的有生命和无生命的物体都在不停地辐射红外线。

（2）由于电磁波的频率是很大的数值，不便直接测量并且测得的频率数值精度通常比测得的波长数值精度低，因此多用波长来描述紫外线、可见光和红外线等。

（3）电磁波谱中红外线的波长范围是0.75~1000μm，跨越大致3~5μm个倍频程。

（4）工程实践中，一般长波红外探测器的工作波段为8~12或8~14μm，中波红外探测器的工作波段为3~5μm。

（5）在红外医疗诊断时，急性炎症由于皮肤局部充血，皮温上升，因此容易用红外热像仪将发炎部位显示出来。

（6）输电线路和设备的不良接触点或故障部位的电阻值往往会变大，从而形成热点，利用红外热成像方法可以很容易地确定故障位置。

（7）多波段（多色化）、非制冷、低成本和偏振型是当前红外热成像技术发展的显著特征。

1-3红外辐射光谱区内的波段是如何划分的？

答：红外辐射的波长范围是0.76~1000μm，跨过大约10个倍频程，根据红外辐射在地球大气层中的传输特性，把整个红外辐射光谱区按波长分为四个波段：近红外波段（波长0.75~3μm）；中红外波段（波长3~6μm）；远红外波段（波长6~15μm）；极远红外波段（波长15~1000μm）。如下图：

1-4与可见光相比，红外辐射有哪些特点?

答：红外辐射具有与可见光相似的特性，如反射、折射、干涉、衍射和偏振，又具有粒子性，即它可以以光量子的形式被发射和吸收。另外，红外辐射具有与可见光不同的独有特性：（1）必须用对红外辐射敏感的红外探测器才能探测到；（2）红外辐射的光量子能量比可见光的小；（3）红外辐射的热效应比可见光要强得多；（4）红外光谱区比可见光谱区含有更丰富的内容；（5）红外辐射更容易被物质所吸收。

1-5请说明红外物理与红外技术的关系。

答：红外物理和红外技术是相互联系、相互依存、相互融合的，二者之间既紧密联系又相互区别。红外物理不仅能预言各种技术应用方案的可行性，而且可以通过对各种物质、不同目标和背景红外辐射特性进行研究，从而为地球大气层红外光学性质的研究、不同材料红外吸收特性及由此引起的各种物理效应的研究，以及红外系统工程的设计和新型元器件的研制提供了可靠依据；随着红外技术在各领域的推广和应用，出现了不少新的物理技术问题，这也需用红外物理的理论方法，结合使用对象具体加以解决，为红外物理的研究提供需求驱动。

红外物理与红外技术的主要内容及其相互关系如图1-5所示，这也是本书章节安排的依据。除此之外，红外物理还包括红外材料的研究，其主要属于材料学科的范畴；红外技术还包括红外光谱分析，其主要属于化工学科的范畴。考虑专业差异，本书没有包含这两个方面的内容，请读者注意。

图1-1 红外物理与红外技术的主要内容及其相互关系

1-6红外技术在军事领域有哪些应用？

答：红外制导；红外夜视；红外通信；红外预警；隐身藏匿武器探测；红外对抗等（见1.3.2节）。

1-7红外技术在国民经济领域有哪些应用？

答：红外测温；红外遥控；红外医疗；红外遥感；红外辐射加热；红外光谱技术；红外故障诊断；红外灾害观测；建筑物检测等(见1.3.3节) 。

1-8 略。

第2章辐射度量基础

2-1名词解释：

（1）辐射能：辐射能是以电磁波的形式发射、传输或接收的能量，用Q表示，单位是J。

（2）辐射强度：辐射强度描述的是点源的辐射功率在空间不同方向上的分布特性，点源在某一方向上的辐射强度是指点源在包含该方向的单位立体角内所发射的辐射功率，用I表示。

（3）辐射照度：简称辐照度，表征物体表面接收辐照的程度的物理量，指单位面积的被照表面接收到的辐射功率，用E表示。

（4）光子辐射强度：辐射源在给定方向上的单位立体角内所发射的光子通量，用

I表示。

p

（5）光子辐射照度：光子辐射照度是指在被照表面的某一点附近，单位面积的被照表面接收到的光子通量，用

E表示。

p

2-2填空

（1）辐射出射度是描述扩展源辐射特性的量。辐射源单位表面积向半球空间（2π立体角）内发射的辐射功率称为辐射出射度，用 M 表示。

（2）辐射出射度是扩展源所发射的辐射功率在源表面分布特性的描述,它是辐射功率在某一点附近的面密度的度量。

（3）辐射亮度是描述扩展源辐射特的量，其描述如下：辐射源在某一方向上的辐射亮度是指在该方向上的单位投影面积向单位立体角中发射的辐射功率，用 L 表示。

（4）辐射源一般分为____点辐射源____源和____扩展辐射源____源，其中___点___源是其物理尺寸可以忽略不计，理想上可将其抽象为一个点的辐射源。

（5）辐射照度和__辐射出射度__具有相同的物理量，它们之间的定义式相似，但二者的物理意义不同。

（6）大量统计实验表明，在光照足够的条件下，标准人眼对波长为555 nm 的光最灵敏，一般平均光谱光视效能的最大值为__683__lm W。

（7）人眼视网膜上分布着两种感光细胞___锥体细胞___和__杆体细胞__，其中__杆体__细胞不能分辨颜色。

（8）发光效率的单位是lm/W，1kW的电炉没有1kW的灯泡亮，是因为后者的发光效率比前者__高__。