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大学物理下(毛峰版)光的衍射习题及答案
第15章 光的衍射 习题解答
1.为什么声波的衍射比光波的衍射更加显著?
解:因为声波的波长远远大于光的波长,所以声波衍射比光波显著。、首尾两点向方向发出的衍射线的光程差用来划分.对应于第三级明条纹和第四级暗条纹,单缝处波阵面可分成个和个半波带.
∵由
4.在单缝衍射中,为什么衍射角愈大(级数愈大)的那些明条纹的亮度愈小?
解:因为衍射角愈大则值愈大,分成的半波带数愈多,每个半波带透过的光通量就愈小,而明条纹的亮度是由一个半波带的光能量决定的,所以亮度减小.
5.若把单缝衍射实验装置全部浸入水中,衍射图样将发生怎样的变化?如果此时用公式来测定光的波长,问测出的波长是光在空气中的还是在水中的波长?
解:当全部装置浸入水中时,由于水中波长变短,对应,而空气中为,∴,即,水中同级衍射角变小,条纹变密.
如用来测光的波长,则应是光在水中的波长.(因只代表光在水中的波程差).
6.单缝衍射暗纹条件与双缝干涉明纹的条件在形式上类似,两者是否矛盾?怎样说明?
解:不矛盾.单缝衍射暗纹条件为,是用半波带法分析(子波叠加问题).相邻两半波带上对应点向方向发出的光波在屏上会聚点一一相消,而半波带为偶数,故形成暗纹;而双缝干涉明纹条件为,描述的是两路相干波叠加问题,其波程差为波长的整数倍,相干加强为明纹.
7.光栅衍射与单缝衍射有何区别?为何光栅衍射的明纹特别明亮而暗区很宽?
解:光栅衍射是多缝干涉和单缝衍射的总效果.其明条纹主要取决于多缝干涉.光强与缝数成正比,所以明纹很亮;又因为在相邻明纹间有个暗纹,而一般很大,故实际上在两相邻明纹间形成一片黑暗背景.
8. 试指出当衍射光栅的光栅常数为下述三种情况时,哪些级次的衍射明纹缺级?
(1);(2);(3)
解:由光栅明纹条件和单缝衍射暗纹条件同时满足时,出现缺级.即
可知,当时明纹缺级.
(1)时,偶数级缺级;
(2)时,级次缺级;
(3),级次缺级.
9.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。
(1)零级明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?
(3)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,对同一值,衍射角.
(3)对于同一级明纹,波长相差越大条纹分开程度越大。
10.为什么天文望远镜物镜的孔径做得很大?射电天文望远镜和光学望远镜,哪种分辨率更高?
解:光学仪器的最小分辨角为,它的倒数为分辨率,当D越大或者越小,分辨率就越大,所以用的天文望远镜物镜的孔径很大,提高了分辨率;由于微波的波长比可见光的波长要小,故射电天文望远镜的分辨率更高。
11.单缝宽0.40mm,透镜焦距为1m,用nm的单色平行光垂直照射单缝。求:
(1)屏上中央明纹的角宽度和线宽度;
(2)单缝上、下端光线到屏上的相位差恰为的P点距离中央明纹中心的距离;
(3)屏上第一级明纹的线宽度;
解:(1)第1级暗条纹中心对应的衍射角为
故中央明纹的角宽度为
而中央明纹的线宽度为
(2)相位差为,则对应的光程差为,即
故屏上P点应形成第二级暗纹,它到中央明纹中心的距离为
(3)屏上第一级明纹的线宽度为中央明纹线宽度的1/2,解之得
12.在单缝夫琅禾费衍射实验中,用波长的平行光垂直入射单缝,已知透镜焦距,测得第二级暗纹距明纹中心现用波长为的单色光做实验,测得第三级暗纹距明纹中心.求缝宽a和波长入射时,第二级暗纹对应的衍射角设为
由暗纹公式得:
而第二级暗纹距中中央明纹中心距离
则
(2)当用入射时,第三级暗纹对应的衍射角设为
由暗纹公式得:
而第三级暗纹距中央明纹中心距离
则
13.一单色平行光垂直照射一单缝,若其第三级明纹位置正好与600nm的单色平行光的第二级明纹位置重合,求此单色光的波长。
解:单缝衍射的明纹公式为
当时,
时,
重合时角相同,所以有
得
14.用橙黄色的平行光垂直照射一缝宽为0.60mm的单缝,缝后凸透镜的焦距为40.0cm,观察屏幕上形成的衍射条纹。若屏上离中央明纹中心1.40mm处的点为一明纹。求:
(1)入射光的波长;
(2)点处条纹的级数;
(3)从点看,对该光波而言,狭缝处的波阵面可分成几个半波带?
解:(1)由于点是明纹,故有,
由
故
当 ,得
(2) 点是第级明纹;
(3)由可知,
当时,单缝处的波面可分成个半波带;
15.以白光垂直照射光栅常数d=3.4×10-6m的透射光栅,在衍射角为30°处会出现什么波长的可见光(可见光的波长范围为400~
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