《光的衍射》答案.docx

第 7章光的衍射一、选择题1(D) ，2(B) ，3(D) ，4(B) ，5(D) ，6(B) ，7(D) ，8(B) ，9(D) ，10(B)二、填空题(1) 1.2mm ， 3.6mm(2)2，4(3) N2，N(4) 0 ， 1， 3， .(5) 5(6) 更窄更亮(7) 0.025(8) 照射光波长，圆孔的直径(9) 2.24 10-4(10) 13.9三、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1 和 2，垂直入射于单缝上假如1 的第一级衍射极小与2 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，是否还有其他极小相重合？解： (1)由单缝衍射暗纹公式得由题意可知12 ,sin1sin2代入上式可得122(2)a sin1k112k1 2( k1 = 1, 2,)a sin2k22(k2 = 1, 2,)若 k2= 2 k1 ，则 1 =2，即 1 的任一 k1 级极小都有2 的 2k1 级极小与之重合-9m) 的单色光垂直入射到宽度为a的单缝上，观察夫2. 波长为 600 nm (1 nm=10f=0.10 mm琅禾费衍射图样，透镜焦距=1.0 m ，屏在透镜的焦平面处求：(1) 中央衍射明条纹的宽度 x0；(2) 第二级暗纹离透镜焦点的距离 x2 解： (1) 对于第一级暗纹，有 a sin1a因1 很小，故tg1sin1 =/故中央明纹宽度x0 = 2 ftg1=2f/ a = 1.2 cm(2) 对于第二级暗纹，有a sin22x2 =ftg2 fsin2 =2f/a = 1.2 cm3. 如图所示，设波长为 的平面波沿与单缝平面法线成 角的方向入射，单缝 AB的宽度为a，观察夫琅禾费衍射试求出各极小值( 即各暗条纹 ) 的衍射角解： 1、2 两光线的光程差，在如图情况下为由单缝衍射极小值条件kkasin) = 1,2,得(sina+ (k= sin1(k/)k= 1,2,0)sin4. (1) 在单缝夫琅禾费衍射实验中，垂直入射的光有两种波长，1 =400 nm，=760 nm(1 nm=10-9m) 已知单缝宽度 a=1.0 10-2 cm，透镜焦距 f =50 cm求两种光第一级衍射明纹中心之间的距离(2) 若用光栅常数 d=1.0 10-3 cm 的光栅替换单缝，其他条件和上一问相同，求两种光第一级主极大之间的距离解： (1) 由单缝衍射明纹公式可知13asin122k112 1(取 k1 )tg 1x1 / f,tg 2x2 / f由于sin 1tg1,sin2tg 2所以x13 f 1 / a ， x23 f 2 / a22则两个第一级明纹之间距为xx2x13 f/ a =0.27 cm2(2) 由光栅衍射主极大的公式且有sintgx / f所以xx2x1f/ d =1.8 cm5. 一衍射光栅，每厘米 200 条透光缝，每条透光缝宽为 a=210-3 cm，在光栅后放一焦距 f= 1 m 的凸透镜，现以 =600 nm (1 nm =10-9 m) 的单色平行光垂直照射光栅，求：(1) 透光缝 a 的单缝衍射中央明条纹宽度为多少？(2) 在该宽度内，有几个光栅衍射主极大？解： (1)a sin= ktg=x /f当x<< f 时， tgsin,a x /f= k ,取 k= 1有xf la=/= 0.03 m中央明纹宽度为x= 2x= 0.06 m(2)(a+bk) sin取 kk(ab)x/ (f)= 2.5= 2 ，共有 k= 0 ，1，2等 5个主极大 .1=600 nm， 2=400 nm (1nm=109m)，6. 用一束具有两种波长的平行光垂直入射在光栅上，发现距中央明纹 5 cm 处栅与屏之间的透镜的焦距(1) 上述 k=？(2) 光栅常数 d=？1 光的第 k 级主极大和 2 光的第 ( k+1) 级主极大相重合，放置在光 f =50 cm，试问：解： (1)由题意 ,1 的 k 级与 2 的( k+1) 级谱线相重合所以kdsin1 k1，dsin1=(k+1)2,或 k 1= (+1)2因 x=f分(2)/f 很小，tg1sin1x/2d k 1 f/x=-3cm=1.2107. 氦放电管发出的光垂直照射到某光栅上，测得波长 =0.668m的谱线的衍射角为 =20。如果D，则如果在同样角处出现波长2 =0.447m的更高级次的谱线，那么光栅常数最小是多少？解：由光栅公式得sin=k11/ (a bk2 2/ (a b+ ) =+ )k11 = k22k2k 1 =1/2=0.668 / 0.447将 k2 k 1 约化为整数比k2k 1 =3 / 2=6 / 4=12 / 8 .k1 和 k2，取最小的k1，k2，a=2b=3则对应的光栅常数(+) =k11/ sin=3.92m8. 氢放电管发出的光垂直照射在某光栅上，在衍射角=41的方向上看到 =656.2 nm和 =410.1 nm(1nm=) 的谱线相重合，求光栅常数最小是多少？a bk解： ( + ) sin在 =41处， k1 = k2k2k 1，k=656.2 / 410.1=8 / 5=16 / 10=24 / 15= .取k，即让的第5级与 的第8级相重合=5=8 ab= k1 sin =510-4 cm四 研讨题1. 假设可见光波段不是在 400nm 700nm ，而是在毫米波段，而人眼睛瞳孔仍保持在 3mm 左右，设想人们看到的外部世界是什么景象？参考解答：将人的瞳孔看作圆孔。圆孔衍射中央极大的半角宽度0 与入射波长和衍射孔径线度D 的关系是 01.22 。D当衍射孔径 D 与波长 的量级差不多时衍射最显着， 入射光经衍射后完全偏离原来直线传播的方向，广能几乎分布在衍射后的整个空间。由于衍射，使一个物点发出的光经圆孔后，在观察屏上不再是一个清晰的像点，而是一个相当大的衍射斑。00 ，每个物点经圆孔后就是一个清晰的像点。在我们的生活的世界， 可见光波长的大小和人眼瞳孔的孔径配合得是非常巧妙的，“天然地”满足 D 的条件，物体在视网膜上成像时就可以不考虑瞳孔的衍射，而认为光线是直线传播，那么物体上的任一物点通过眼睛的水晶体成像到视网膜上的像也是一个点，我们就可以清楚地分辨眼前的景物了。而如果可见光的波长也变成毫米量级，则波长与瞳孔孔径大小可比，每个物点在视网膜上的像将不是一个点，而是一个很大的衍射斑，以至于无法把它们分辨出来，人们看不到目前所看到的物体形状了，而是一片模糊的景象。2. 某光学显微镜的数值孔径 N.A. =1.5 ，试估算它的有效放大率 Vmin. 参考解答：分析：显微镜是助视光学仪器 , 应该针对人眼进行设计 . 人眼的最小分辨角 e 2.9 10 4 rad ,一般人眼能分辨 10m 远处相隔 3mm 的两条刻线，或者说，在明视距离( 相隔人眼 25cm ) 处相隔 dye0.075mm 的两条刻线 . 人眼敏感的波长是0.55 m .合理的设计方案是把显微镜的最小分辨距离放大到明视距离的能充分利用镜头的分辨本领.解题：本题条件下的光学显微镜的最小分辨距离为按合理设计将其放大到明视距离可分辨的dye=0.075mm.dye0.075mm, 这样才dye0.075 10所以Vmindymin2.24 1037 335倍,实际放大率还可设计得比这数值更高些，譬如500 倍，以使人眼看得更舒服些.3. 在地面进行的天文观测中，光学望远镜所成星体的像会受到大气密度涨落的影响（所以要发射太空望远镜以排除这种影响） ，而无线电天文望远镜则不会受到这种影响。为什么？参考解答：星体辐射的光在进入望远镜的路径中必然通过大气层，所以必须考虑大气分子的衍射对图像质量的影响。教材中的理论已经指出，衍射物的线度与入射波波长愈相近，衍射现象愈明显；衍射物线度远远大于入射波波长时可不考虑衍射。大气粒子的平均线度在纳米量级上下，光波的波长是百纳米量级，大气微粒的线度与光波的波长可比， 所以对光波的衍射作用显着， 直接影响观测图像。 随着大气密度的涨落，图样也将随着变化，所以用光学望远镜就无法准确地获得星体的图像。无线电波长在微米到米的量级，大气粒子的平均线度远远小于无线电波的波长，观测中可忽略衍射的影响。所以在天文观测中无线电天文望远镜就可不受大气密度涨落的影响，从而可精确获得星体的图像。4. 近年来出现了一种新的光测应变方法衍射光栅法，请查阅金属材料应变测量衍射光栅法的相关资料，说明其基本原理。参考解答：对大多数实用金属而言 , 在弹性加载下其变形非常小 . 这样 , 细观变形测量的诸多光测方法在一定程度上受到限制.近年来出现了一种新的光测应变方法衍射光栅法.其基本思想是在试件表面欲测处贴上低频正交光栅,通过测取试件变形前后正交光栅变形来获取试件测点处的应变量 . 具体测量方式是通过光学中的衍射效应 , 用细激光束垂直照射光栅 , 产生衍射点阵 , 通过对衍射点阵的测量 , 就可以获得应变的信息 . 衍射光栅法测量应变的基本原理：如图所示 ,在试件表面欲测处贴上正交光栅应变片,当一束细激光束垂直照射测点时,光栅将使反射光发生衍射,衍射光线在接收屏上形成点阵.衍射点的位置与光栅栅距的关系可由光栅方程导出式中 :m为衍射级次 , m为 m级衍射光线与光栅法线方向的夹角,d为栅距 , 为激光波长 .当试件受力变形后 , 光栅栅距发生变化 , d 变为 d, 则变形前后沿垂直于该组栅线方向的线应变为由衍射光栅法基本光路图可知sin mm( mD ) 将其代入上式可知Dm m ，此即衍射光栅法测量应变的基本公式。m