习题十三
13-1 衍射的本质是什么？衍射和干涉有什么联系和区别 ？
答：波的衍射现象是波在传播过程中经过障碍物边缘或孔隙时所发生的展衍现象• 其实质是 由被障碍物或孔隙的边缘限制的波阵面上各点发出的无数子波相互叠加而产生. 而干涉则是 由同频率、同方向及位相差恒定的两列波的叠加形成.
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 ？
答：把单缝沿透镜光轴方向平移时， 衍射图样不会跟着移动. 单缝沿垂直于光轴方向平移时， 衍射图样不会跟着移动.
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
？
λ
答：半波带由单缝 A 、B 首尾两点向'方向发出的衍射线的光程差用
2
来划分•对应于第
3级明纹和第4级暗纹，单缝处波面可分成 7个和8个半波带. a Sin =(2k • 1) “ =(2 3 ■ 1) “ =7
∙.∙由 2
2 2
a Sin -4 ' - 8
—
2
13-4 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 ？ 答：因为衍射角「愈大则
asin
「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.
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
m
λ
asin =
(2k 1) (k =1,2,)
式 2
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？
k ■
解：当全部装置浸入水中时，由于水中波长变短，对应
asin 「= k ∙ = n ,而空气中为
asi n
「= k ∙
,∙. Si n 「=n Si
n ",即「=n :
,水中同级衍射角变小，条纹变密.
λ
如用
asin
(2k ■ I)
2 (k
=
1,2,
…)来测光的波长，则应是光在水中的波长.(因
asin
‘ 只代表光在
水中的波程差)•
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. 解：(1)缝宽变窄，由
asin ' =k'知，衍射角「变大，条纹变稀；
(2) ,
变大，保持a
, k
不变，则衍射角 「亦变大，条纹变稀； (3) 由正入射变为斜入射时， 因正入射时
asin
即=k ∙
；斜入射时，
a(Sin
「-
Sin
^)^k
-,
保持a ,'不变，则应有 ^ k
或k
二：：k •即原来的k 级条纹现为k
级.
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？
λ
答：不矛盾•单缝衍射暗纹条件为.asin
=k' =2k 2 ,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dsin a ,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.
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 ？
答：光栅衍射是多光束干涉和单缝衍射的总效果. 其明条纹主要取决于多光束干涉.
光强与
缝数N 2
成正比，所以明纹很亮；又因为在相邻明纹间有 (N -1)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.
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.
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
"(a +b)si n d =±k ?* (k =0,1,2,…) a sin W = ±k 九 (^ = 1,2∙…)
a +
b * k = k H
可知，当 a 时明纹缺级.
(1)
a
∙
b =2a 时，k = 2,4,6,•…偶数级缺级；
(2) a b =3a 时，
k
=3,6,9,•
…级次缺级；
⑶ a ∙b =4a , k=4,8,1
2,∙∙级次缺级.
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？
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. ⑵可见光中红光的衍射角最大，因为由
(
a
' b) sin :护=k ‘，对同一 k 值，衍射角 -'.
ο
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 6000 A
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. 解：单缝衍射的明纹公式为
a sin = (2 k 1)
2
o
当人=6000 A 时 k = 2
，='X 时，k = 3 重合时'角相同，所以有
5 ■ X
6000 =4286 o
7
A
o
13-12 单缝宽0.10mm,透镜焦距为50Cm 用^ =5000 A 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 ？
A
λ
L X = 2 f
解：中央明纹的宽度为
na
-Sin —
半角宽度为 na
(1)空气中，
n
=1
,所以
A
5000 汇 10 “
J
：x =2 0.5
厂
=5.0 10
0.10 汉 10
m
a sin 即=(2
2 1)-
6000
=(2 3 ■ 1)
10
1
5000 X 10 一 3
V - Sin
厂=5.0 10 一
0.10x10 一
rad
(2)浸入水中，
n
=1
.33 ,所以有
10
5000 x10一
3
：^=2 0.50
- 3.76 10 _
1.33x0.10x10—
m
I
5000 00」° 3
V - Sin 3 : 3.76
10 一 1.33 X 0.1 X10 一 rad
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？
X 1.4 J
3.5 10 tan f 400
2 0.6 3.5 10 2k 1
k = 4 得)-4 = 4700
o
若-3 = 6000 A ,则P 点是第3级明纹;
o
若-4 =4700 A ,贝U P 点是第4级明纹.
a Sin = （2k 亠 1）-
⑶由
2
可知，
当
k
=
3
时，单缝处的波面可分成
2k 1
当
k
=
4
时，单缝处的波面可分成
2k
T
o
13-14用‘氛=
5900
A 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？ 1 a
+b = J
二
o
解：
500 mm =2.0
10 mm = 2.0
10 A
由（a ' b ）sin ' = k '知，最多见到的条纹级数
k
a +
b 2.0 汇10
4
k max =
=
fc
3.39
∣Z
-Q
kmax
^3
所以有
5900
,即实际见到的最高级次为
o 13-15 波长为5000A 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
解：（1）由于P 点是明纹，故有
a sin ' = (2k 1)—
2 , k =1,2,
3 - ■ 2a sin 2k 1
X4.2 X10 °
2k 1
k =3，得 K =6000 mm
o
A
=7个半波带;
=9个半波带.
max 对应的 max 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？ 1 a + b = ------ =5.0x10~ 6 解： 200 mm 5.0 10 - m (1)由光栅衍射明纹公式 X Sin Φ = tan W =— (a +b) sin 申=k k ,因 k =1 ,又 f X 1 (a +b) 所以有 f 这就是中央明条纹的位移值• o 13-16 波长九= 6000 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 Sin =0∙ 20与Sin =0∙30处，第四级缺级.求：(1)光栅常数；(2)光栅上狭缝的宽度; ⑶ 在90°> ’ > -90 °范围内，实际呈现的全部级数. 解：(1)由(a b) Sin = k ，式 对应于 Sin ： 1 =0 ∙2 ° 与 Sin ；： 2 =0 ∙30 处满足： -Lo 0.20 (a b) =2 6000 10 I . 10 0.30 (a b) =3 6000 10 得 a ∙ b =6.0 10 * m (2)因第四级缺级，故此须同时满足 (a ■ b) Sin = k ■ a sin = k ， = 1.5 10 "βk 解得 取=1 ,得光栅狭缝的最小宽度为 1.5 10 m ⑶由(a b) Sin = k ■ k 土 (a ■ b) Sin λ π W =— 当 2 ,对应 k = k m a X a + b .6 6.0 10 k 10 λ 6000 10 5000 10 2 10 恥 60 10 一 X l 5.0 10 - ⑵对应中央明纹, 2 = 6.0 10 一 k = 0 =6 Cm 正入射时, (a -b) Sin 斜入射时, (a -b)(sin =0 二 Sin 所以 Sin =0 日)=0 即Sin 申±sin 日=0 Sinl : tan X CP 二 30 =1 60 10 2 2 =30 10 m = 30 Cm 因_4 , _ 8缺级，所以在-9° ：：：「：：： 9°范围内实际呈现的全部级数为 k = 0, 一1 , _2, _3, _5, _6, 一7, _9 共 15 条明条纹（k= 1° 在 k= 9° 处看不到）. o 13-17 一双缝，两缝间距为 0.1mm ,每缝宽为0.02mm ,用波长为4800A 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 ？ 解：（1）中央明纹宽度为 （2）由缺级条件 a sin = k '■ (a - b) sin = k ■ 0.1 k " = 5k ' 0.02 k =1,2, 即 k = 5,10,15 ,…缺级 V -1.22 1 .2 2 5000 = 30.5 10 D 0.2 d 4 f tan v : f v - 500 30 .5 10 一 =1.5 .∙.爱里斑半径2 mm 13-19已知天空中两颗星相对于一望远镜的角距离为 4.84 × 10-6 rad ,它们都发出波长为 o 5500A 的光，试问望远镜的口径至少要多大，才能分辨出这两颗星 ？ 解：由最小分辨角公式 J -1.22 — D 5 λ 5.5j <10 D =1.22 — =1 .22 - = 13.86 4.84 10 Cm o 13-20已知入射的X 射线束含有从0.95〜1.30A 范围内的各种波长，晶体的晶格常数为 o 2.75 A ,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？ 解：由布喇格公式 2d Sin =k ' _ 2d Sin 申 λ = -------- 得 k 时满足干涉相长 Q o 当 k =1 时，& = m 、s in 45 =3.89 A 2 2.75 sin 45 Λ - -1.91 o k =2 时， 2 A I 。 7 K 4800 ×10 一 X 50 X 10 =2— f =2 a 0.02 mm = 2. 4 C m =1 ,所以单缝衍射的中央明纹包迹内有 k 中央明纹的边缘对应 k 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 o 为5000A ,求在透镜焦平面处屏幕上呈现的爱里斑半径. 解：由爱里斑的半角宽度 =0,_1,_2,_3,_4 共 9 条 50cm ,所用单色光波长 4 3.89 1.30 o 3 A 3.89 0.97 o 4 A o o 1.30 A 和 '4 =0 ∙97 A 的X 射线能产生强反射. k =3 时， k = 4 时, 故只有'3 习题十三 13-1 如题图13-1所示，两条平行长直导线和一个矩形导线框共面，且导线框的一个边与长直导线平行，到两长直导线的距离分别为1r ， 2r 。已知两导线中电流都为0sin I I t ω=，其中I 0和ω为常数，t 为 时间。导线框长为a ，宽为b ，求导线框中的感应电动势。 解：无限长直电流激发的磁感应强度为02I B r μ= π。取坐标Ox 垂直于 直导线，坐标原点取在矩形导线框的左边框上，坐标正方向为水平向右。取回路的绕行正方向为顺时针。由场强的叠加原理可得x 处的磁感应强度大小 00122() 2() I I B r x r x μμ= + π+π+ 方向垂直纸面向里。 通过微分面积d d S a x =的磁通量为 00m 12d d d d 2()2()I I B S B S a x r x r x μμΦππ?? =?==+??++?? 通过矩形线圈的磁通量为 00m 01 2d 2()2()b I I a x r x r x μμΦ??=+??π+π+???012012ln ln sin 2a r b r b I t r r μω?? ++=+ ?π?? 感生电动势 0m 12012d ln ln cos d 2i a r b r b I t t r r μωΦεω?? ++=- =-+ ?π?? 012012()()ln cos 2a r b r b I t r r μωω?? ++=- ??π?? 0i ε>时，回路中感应电动势的实际方向为顺时针；0i ε<时，回路中感应电动势的实际方向 为逆时针。 13-2 如题图13-2所示，有一半径为r =10cm 的多匝圆形线圈，匝数N =100，置于均匀磁场B 中（B =0.5T ）。圆形线圈可绕通过圆心的轴O 1O 2转动，转速1 600r min n -=? 。求圆线圈自图示的初始位置转过 题图13-1 题图 13-2 解图13-1 第十三章 振动 13－1 一质点按如下规律沿x 轴作简谐振动：x = 0.1 cos (8πt +2π/3 ) (SI)，求此振动的周期、振幅、初相、速度最大值和加速度最大值。 解：周期T = 2π/ ω= 0.25 s 振幅A = 0.1m 初相位φ= 2π/ 3 V may = ωA = 0.8πm / s ( = 2.5 m / s ) a may = ω2 A = 6.4π2m / s ( = 63 m / s 2) 13－2 一质量为0.02kg 的质点作谐振动，其运动方程为：x = 0.60 cos( 5 t -π/2) (SI)。 求：（1）质点的初速度；（2）质点在正向最大位移一半处所受的力。 解：（1） )( )2 5sin(0.3 SI t dt dx v π--== 0.3 20x m ma x ω-== （2） 2 x m ma F ω-== 5.13.052.0,2/ 2N F A x -=⨯⨯-==时 13－3 如本题图所示，有一水平弹簧振子，弹簧的倔强系数k = 24N/m ，重物的质量m = 6kg ，重物静止在平衡位置上，设以一水平恒力F = 10 N 向左作用于物体（不计摩擦），使之由平衡位置向左运动了0.05m ，此时撤去力F ，当重物运动到左方最远位置时开始计时，求物体的运动方程。 解：设物体的运动方程为： x = A c o s (ωt +φ) 恒外力所做的功即为弹簧振子的能量： F ⨯ 0.05 = 0.5 J 当物体运动到左方最位置时，弹簧的最大弹性势能为0.5J ， 即： 1 / 2 kA 2 = 0.5 J ∴A = 0.204 m A 即振幅 ω2 = k / m = 4 ( r a d / s )2 ω= 2 r a d / s 按题目所述时刻计时，初相为φ= π ∴ 物体运动方程为 x = 0.204 c o s (2 t +π) ( SI ) 13－4 一水平放置的弹簧系一小球。已知球经平衡位置向右运动时，v =100cm ⋅s -1，周期T =1.0s ，求再经过1/3秒时间，小球的动能是原来的多少倍？弹簧的质量不计。 解：设小球的速度方程为： v = v m c o s (2π/ Tt +φ) 以经平衡位置的时刻为t = 0 根据题意t = o 时 v = v 0 = 100 c m s -1 且 v ＞0 ∴v m = v 0 φ= 0 小球的动能 E k0 = 1 / 2 m v 02 过1 / 3秒后，速度为 v = v 0 c o s ( 2π/T. 1/ 3) = - V 0 / 2 x 习题13－3图 第十三章 波动 一、选择题 1、一平面简谐波的波函数为))(3cos(1.0SI x t y πππ+-=，0=t 时的波形曲线如左下图所示，则：[ C C ] （A ）O 点的振幅为-0.1m ； （B ）波长为3m ； （C ）a 、b 两点间的相位差为2/π； （D ）波速为9m/s 。 2、一简谐波沿Ox 轴传播。若Ox 轴上1P 和2P 两点相距8/λ（其中λ为该波的波长），则在波的传播过程中，这两点振动速度的[ C C ] （A ）方向总是相同 （B ）方向总是相反 （C ）方向有时相同，有时相反 （D ）大小总是不相等。 3、如图所示，一平面简谐波沿x 轴正向传播，已知P 点的振动方程为)cos(0φω+=t A y ，则其波函数为：[ A A ] （A ）}]/)([cos{0φω+--=u l x t A y （B ）})]/([cos{0φω+-=u x t A y （C ）)/(cos u x t A y -=ω （D ）}]/)([cos{0φω+-+=u l x t A y 4、一平面简谐波，沿x 轴负方向传播，圆频率为ω，波速为u ，设4/T 时刻波形如左下图所示，则该波的表达式为：[ D D ] （A ）)](cos[u x t A y - =ω (B) ]2)(cos[πω+-=u x t A y （C ）)](cos[u x t A y +=ω （D ）])(cos[πω++=u x t A y 5、一平面简谐波以波速u 沿x 轴正方向传播，O 为坐标原点。已知P 点的振动方程为 t A y ωcos =，则：[ C C ] （A ）O 点的振动方程为)/cos(u l t A y -=ω （B ）波的表达式为)]/()/([cos u x u l t A y --=ω （C ）波的表达式为)]/()/([cos u x u l t A y -+=ω （D ）C 点的振动方程为)/3(cos u l t A y -=ω 6、如右图所示为一平面简谐波在0=t 时刻的波形图，该波的波速u =200m/s ，则P 处质点的振动曲线为： [ C C ] 第13章 静电场中的导体和电解质 一、选择题 1(D)，2(A)，3(C)，4(C)，5(C)，6(B)，7(C)，8(B)，9(C)，10(B) 二、填空题 (1). 4.55×105 C ； (2). σ (x ，y ，z )/ε 0，与导体表面垂直朝外(σ > 0) 或 与导体表面垂直朝里(σ < 0). (3). εr ，1， εr ； (4). 1/εr ，1/εr ； (5). σ ，σ / ( ε 0ε r )； (6). R q 04επ ； (7). P ，－P ，0； (8) (1- εr )σ / εr ； (9). 452； (10). εr ，εr 三、计算题 1.如图所示，一内半径为a 、外半径为b 的金属球壳，带有电荷Q ，在球壳空腔内距离球心r 处有一点电荷q ．设无限远处为电势零点，试求： (1) 球壳内外表面上的电荷． (2) 球心O 点处，由球壳内表面上电荷产生的电势． (3) 球心O 点处的总电势． 解：(1) 由静电感应，金属球壳的内表面上有感生电荷-q ，外表面上带电荷q +Q ． (2) 不论球壳内表面上的感生电荷是如何分布的，因为任一电荷元离O 点的 距离都是a ，所以由这些电荷在O 点产生的电势为 a dq U q 04επ= ⎰-a q 04επ-= (3) 球心O 点处的总电势为分布在球壳内外表面上的电荷和点电荷q 在O 点 产生的电势的代数和 q Q q q O U U U U +-++= r q 04επ= a q 04επ- b q Q 04επ++ )111(40b a r q +-π=εb Q 04επ+ 2. 一圆柱形电容器，外柱的直径为4 cm ，内柱的直径可以适当选择，若其间充满各向同性的均匀电介质，该介质的击穿电场强度的大小为E 0= 200 KV/cm ．试求该电容器可能承受的最高电压． (自然对数的底e = 2.7183) 解：设圆柱形电容器单位长度上带有电荷为λ，则电容器两极板之间的场强分布 为 )2/(r E ελπ= 设电容器内外两极板半径分别为r 0，R ，则极板间电压为 ⎰⎰⋅π==R r R r r r r E U d 2d ελ 0ln 2r R ελπ= 电介质中场强最大处在内柱面上，当这里场强达到E 0时电容器击穿，这时应有 第十三章习题解答 1选择题：1B ，2A ，3B ，4A ，5D 2填空题：1，2sin /d πθλ；2，0.45mm ；3，900nm ；4，变密；5，向上；6，向下；7，棱边，保持不变。 3计算题： 1 用λ=500nm 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n 1大于薄膜的折射率n (n =1.5)．求： ⑴ 膜下面媒质的折射率n 2与n 的大小关系； （2） 第10条暗纹处薄膜的厚度； ⑶ 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? 解：⑴ n 2>n 。因为劈尖的棱边是暗纹，对应光程差为：2 ) 12(2 2λ λ +=+=?k ne ， 膜厚e =0处，有k =0，只能是下面媒质的反射光有半波损失 2 λ 才合题意； （2） 3995009 1.5102 22 1.5 n e n λλ-??=? = ==?? mm (因10个条纹只有9个条纹间距) ⑶ 膜的下表面向下平移，各级条纹向棱边方向移动．若0.2=?e μm ，原来第10条暗纹处现对应的膜厚为)100.210 5.1(33 --?+?='?e mm 34 3.5102 1.5212 5.010 n e N λ--'?????===? 现被第21级暗纹占据． 2 ⑴ 若用波长不同的光观察牛顿环，λ1＝600nm ，λ2＝450nm ，观察到用λ1时的第k 个暗环与用λ2时的第k +1个暗环重合，已知透镜的曲率半径是190cm ．求用λ1时第k 个暗环的半径． （2） 又如在牛顿环中用波长为500nm 的第5个明环与用波长为λ2的第6个明环重合，求未知波长λ2． 解： ⑴ 由牛顿环暗环公式：λkR r k = 据题意有 21)1(λλR k kR r +== ，∴ 2 12λλλ-= k ，代入上式得： 2 121λλλλ-=R r =3 1085.1-?=m （2） 用1500λ=nm 照射，51=k 级明环与2λ的62=k 级明环重合，则有： 2)12(2)12(2211λλR k R k r -=-= ∴1 21221251 500409.121261k k λλ-?-==?=-?-nm 3 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d 1＝ 1.40×10-2m 变为d 2＝1.27×10-2m ，求液体的折射率． 解： 由牛顿环明环公式 第13章 光学 一 选择题 * 13-1 在水中的鱼看来，水面上和岸上的所有景物，都出现在一倒立圆锥里， 其顶角为（ ） (A)48.8o (B)41.2o (C)97.6o (D)82.4o 解：选(C)。利用折射定律，当入射角为1=90i o 时，由折射定律1122sin sin n i n i = ，其中空气折射率11n =，水折射率2 1.33n =，代入数据，得折射角2=48.8i o ，因此倒立圆锥顶角为22=97.6i o 。 * 13-2 一远视眼的近点在1 m 处，要看清楚眼前10 cm 处的物体，应配戴的眼 镜是（ ） (A)焦距为10 cm 的凸透镜 (B)焦距为10 cm 的凹透镜 (C)焦距为11 cm 的凸透镜 (D)焦距为11 cm 的凹透镜 解：选(C)。利用公式 111 's s f +=，根据教材上约定的正负号法则，'1m s =-，0.1m s =，代入得焦距0.11m =11cm f =，因为0f >，所以为凸透镜。 13-3 在双缝干涉实验中，若单色光源S 到两缝S 1、S 2距离相等，则观察屏上中央明纹位于图中O 处，现将光源S 向下移动到图13-3中的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 习题13-3图 解：选(B)。光源S 由两缝S 1、S 2到O 处的光程差为零，对应中央明纹；当向下移动至S ′时，S ′到S 1的光程增加，S ′到S 2的光程减少，为了保持光程差为零，S 1到屏的光程要减少，S 2到屏的光程要增加，即中央明纹对应位置要向上移动；条纹间距d D x λ = ?，由于波长λ、双缝间距d 和双缝所在平面到屏幕的距离D 都不变，所以条纹间距不变。 13-4 用平行单色光垂直照射在单缝上时，可观察夫琅禾费衍射。若屏上点 P 处为第二级暗纹，则相应的单缝波阵面可分成的半波带数目为[ ] (A) 3个 (B) 4个 (C) 5个 (D) 6个 解：选(B)。暗纹半波带数目为2k ，第二级2k =，代入数据，得半波带数目为4。 13-5 波长550nm λ=的单色光垂直入射于光栅常数41.010cm d a b -=+=?的光栅上，可能观察到的光谱线的最大级次为[ ] (A) 4 (B) 3 (C) 2 (D) 1 解：选(D)。由光栅方程sin d k θλ=±，当1sin =θ时，得d k λ =，代入数据， 得 1.8k =，k 取整数，最大级次为1。 13-6 三个偏振片1P 、2P 与3P 堆叠在一起，1P 与3P 的偏振化方向相互垂直， 2P 与1P 的偏振化方向间的夹角为30?，强度为0I 的自然光入射于偏振片1P ，并依 次透过偏振片1P 、2P 与3P ，则通过三个偏振片后的光强为[ ] (A) 0316I (B) 08 (C) 0332 I (D) 0 解：选(C)。设自然光光强为0I ，自然光通过偏振片1P ，光强减半，变为0 2 I ；由马吕斯定律α20cos I I =，通过偏振片2P ，光强变为 2003cos 3028 I I ?=，通过偏 习题十三 13-1 衍射的本质是什么？衍射和干涉有什么联系和区别 ？ 答：波的衍射现象是波在传播过程中经过障碍物边缘或孔隙时所发生的展衍现象? 其实质是 由被障碍物或孔隙的边缘限制的波阵面上各点发出的无数子波相互叠加而产生. 而干涉则是 由同频率、同方向及位相差恒定的两列波的叠加形成. 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 ？ 答：把单缝沿透镜光轴方向平移时， 衍射图样不会跟着移动. 单缝沿垂直于光轴方向平移时， 衍射图样不会跟着移动. 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 ？ λ 答：半波带由单缝 A 、B 首尾两点向'方向发出的衍射线的光程差用 2 来划分?对应于第 3级明纹和第4级暗纹，单缝处波面可分成 7个和8个半波带. a Sin =(2k ? 1) “ =(2 3 ■ 1) “ =7 ?.?由 2 2 2 a Sin -4 ' - 8 — 2 13-4 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 ？ 答：因为衍射角「愈大则 asin 「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. 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 m λ asin = (2k 1) (k =1,2,) 式 2 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？ k ■ 解：当全部装置浸入水中时，由于水中波长变短，对应 asin 「= k ? = n ,而空气中为 asi n 「= k ? ,?. Si n 「=n Si n ",即「=n : ,水中同级衍射角变小，条纹变密. λ 如用 asin (2k ■ I) 2 (k = 1,2, …)来测光的波长，则应是光在水中的波长.(因 asin ‘ 只代表光在 水中的波程差)? 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. 解：(1)缝宽变窄，由 asin ' =k'知，衍射角「变大，条纹变稀； (2) , 变大，保持a , k 不变，则衍射角 「亦变大，条纹变稀； (3) 由正入射变为斜入射时， 因正入射时 asin 即=k ? ；斜入射时， a(Sin 「- Sin ^)^k -, 保持a ,'不变，则应有 ^ k 或k 二：：k ?即原来的k 级条纹现为k 级. 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？ λ 答：不矛盾?单缝衍射暗纹条件为.asin =k' =2k 2 ,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， (黑体辐射、光电效应、康普顿效应、玻尔理论、波粒二象性、波函数、不确定关系) 一. 选择题 [ D]1. 当照射光的波长从4000 Å变到3000 Å时，对同一金属，在光电效应实验中测得的遏止电压将： (A) 减小0.56 V．(B) 减小0.34 V． (C) 增大0.165 V．(D) 增大1.035 V．［］ (普朗克常量h =6.63×10-34 J·s，基本电荷e =1.60×10-19 C) 解题要点: ) ( ) ( 1 2 1 2λ λ c c e h v v e h U a - = - = ∆ ∴ [ C]2. 下面四个图中，哪一个正确反映黑体单 色辐出度M Bλ(T)随λ 和T的变化关系，已知T2 > T1． 解题要点: 斯特藩-玻耳兹曼定律：黑体的辐射出射度M0(T)与黑体 温度T的四次方成正比，即 . M0 (T)随温度的增高而迅速增加 维恩位移律：随着黑体温度的升高，其单色辐出度最大值所对应的波长 m λ向短波方向移动。 [ D]3. 在康普顿散射中，如果设反冲电子的速度为光速的60％，则因散射使电子获得的能量是其静止能量的 (A) 2倍．(B) 1.5倍． (C) 0.5倍．(D) 0.25倍． 解题要点: (B) 因散射使电子获得的能量：202c m mc K -=ε 静止能量：20c m [ C ]4. 根据玻尔的理论，氢原子在n =5轨道上的动量矩与在第一激发态的轨道动量矩之比为 (A) 5/4． (B) 5/3． (C) 5/2． (D) 5． 解题要点: L = m e v r = n 第一激发态n ＝2 [ B ]5. 氢原子光谱的巴耳末线系中谱线最小波长与最大波长之比为 (A) 7/9． (B) 5/9． (C) 4/9． (D) 2/9． 解题要点: 从较高能级回到n=2的能级的跃迁发出的光形成巴耳末系 l h E E h -=ν c =λν 23max E E ch -=λ 2 min E E ch -= ∞λ [ B ]6. 具有下列哪一能量的光子，能被处在n = 2的能级的氢原子吸收？ (A) 1.51 eV ． (B) 1.89 eV ． (C) 2.16 eV ． (D) 2.40 eV ． 解题要点: 2 6.13n eV E n -= l h E E h -=ν=⎪⎭ ⎫ ⎝⎛--- 2 226.136.13eV n eV [ D ]7. 将波函数在空间各点的振幅同时增大D 倍，则粒子在空间的分布概率将 (A) 增大D 2倍． (B) 增大2D 倍． (C) 增大D 倍． . (D) 不变． 解题要点: 注意与各点的概率密度区分开来. 二. 填空题 习题十三 13-1 衍射的本质是什么?衍射和干涉有什么联系和区别? 答：波的衍射现象是波在传播过程中经过障碍物边缘或孔隙时所发生的展衍现象．其实质是由被障碍物或孔隙的边缘限制的波阵面上各点发出的无数子波相互叠加而产生．而干涉则是由同频率、同方向及位相差恒定的两列波的叠加形成． 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? 答：把单缝沿透镜光轴方向平移时，衍射图样不会跟着移动．单缝沿垂直于光轴方向平移时，衍射图样不会跟着移动． 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? 答：半波带由单缝A 、B 首尾两点向?方向发出的衍射线的光程差用2 λ 来划分．对应于第3 级明纹和第4级暗纹，单缝处波面可分成7个和8个半波带． ∵由2 72 )132(2 )12(sin λ λλ??=+?=+=k a 2 84sin λ λ?? ==a 13-4 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? 答：因为衍射角?愈大则?sin a 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． 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(s i n =+±=k k a λ ?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= '='λ?k a s i n n k λ，而空气中为 λ?k a =s i n ，∴??'=s i n s i n n ，即??'=n ，水中同级衍射角变小，条纹变密． 如用) 12(s i n +±=k a ?2 λ ),2,1(???=k 来测光的波长，则应是光在水中的波长．(因? s i n a 只代表光在水中的波程差)． 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． 解：(1)缝宽变窄，由λ?k a =s i n 知，衍射角?变大，条纹变稀； (2)λ变大，保持a ，k 不变，则衍射角?亦变大，条纹变稀； (3)由正入射变为斜入射时，因正入射时λ?k a =s i n ；斜入射时，λθ?k a '=-)s i n (s i n ，保持a ，λ不变，则应有k k >'或k k <'．即原来的k 级条纹现为k '级． 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 第13章 光的干涉与衍射训练题（含答案） 一、选择题 1. 如图所示，折射率为n 2、厚度为e 的透明介质薄膜的上方和下方的透明介质的折射率分别为n 1和n 3，已知n 1< n 2> n 3。若用波长为λ的单色平行光垂直入射到该薄膜上，则从薄膜上、下两表面反射的光束(用①与②示意)的光程差是 [ ] (A ) e n 22 (B) 2 22λ -e n (C) λ-e n 22 (D) 2 222n e n λ - 2.真空波长为λ的单色光，在折射率为n 的均匀透明介质中从A 点沿某一路径传播到B 点，路径的长度为l 。若l 等于下列各选项给出的值，A 、B 两点光振动位相差记为ϕ∆，则 [ ] (A) 3, 32 l λϕπ=∆= (B) πϕλ n n l 3,23=∆= (C) πϕλ3,23=∆=n l (D) πϕλn n l 3,23=∆= 3. 在双缝干涉实验中，两缝隙间距离为d ，双缝与屏幕之间的距离为)(d D D >>。波长为λ的平行单色光垂直照射到双缝上。屏幕上干涉条纹中相邻暗纹之间的距离是 [ ] (A) d D λ2 (B) D d λ (C) λdD (D) d D λ 4. 如图所示，用波长为λ的单色光照射双缝干涉实验装置，若将一折射率为n 、劈角为α的透明劈尖b 插入光线2中，则当劈尖b 缓慢向上移动时(只遮住S 2)，屏C 上的干涉条纹 [ ] (A) 间隔变大，向下移动。 (B) 间隔变小，向上移动。 (C) 间隔不变，向下移动。 (D) 间隔不变，向上移动。 5. 把一平凸透镜放在平玻璃上，构成牛顿环装置。当平凸透镜慢慢地向上平移时，由反射光形成的牛顿环 [ ] (A) 向中心收缩，条纹间隔变小。 S λ3 第十三 波动 参考答案 一、选择题参考答案： 1．(C)；2．(C)；3．(A)；4．(D)；5．(C)；6．(B)；7．(C)；8．(D)；；9．(B)；10．(C)；11．(B)；12．(B)；13．(D)；14．(B)；15．(A)；16．(C)； 二、填空题参考答案： 1、0.02 m ，2.5 m ，100 Hz ，250 m/s 2、0.8m ，0.2m ，125 Hz 3、y 轴负向，y 轴正向，y 轴正向 4、m ])330(165cos[1.0ππ+-=x t y 或 m ])330 (165cos[1.0ππ--=x t y 5、 2 3π 6、m )2 2 cos(2.0π π- =t y P 7、（1）222π πϕ+ =k ， ,2,1,0±±=k （2）2322π πϕ+=k ， ,2,1,0±±=k 8、)](22cos[212L L v A y +-+=λ π ϕπ 1L k x -=λ， ,2,1±±=k 9、 10、)14(5+n ......2,1,0=n , )10 2 ,4(- 11、θcos IS 12、2/π （SI ） 13、（1）m )200cos(01.0t y π= （2）m )200cos(02.0t y π= ) 14、（1）0ϕ-（x 处质点比原点落后的相位） （2）3y 15、 16、)2 2cos()2 2cos( 2π ππ λπ + + =vt x A y （m ） 2)21(λ -=k x ， ,3,2,1=k 17、H E S ⨯=, 单位时间通过垂直于传播方向单位面积的辐射能（或能流密度） 三、计算题参考答案： 1. 已知一平面简谐波波函数为y =0.2cos π( 2.5t-x),式中x ,y 以m 为单位，t 以s 为单位，试求；(1)该 简谐波的波长、周期、波速；（2）在x =1m 处质点的振动方程；（3）在t =0.4s 时，该处质点的位移和速度。 解：（1）对照波函数的标准形式：]2cos[λ π ωx t A y -=， T 2.52π πω==，得)(8.0T s =， )(2m =λ，)/(5.2s m T u == λ 波速。 （2）x =1代入波函数得x =1m 处质点的振动方程 y =0.2cos π(2.5t -1)= 0.2cos(2.5πt -π)=0.2cos (2.5πt )（m ）。 （3）对x =1m 处的振动方程对时间t 求一阶和二阶导数得速度和加速度分别为： v =-0.5sin （2.5πt ），a =-0.75cos （2.5πt ），将t =0.4s 代入得v =0， a =-0.75（m/s 2） 2. 已知波长为的平面简谐波沿x 轴负方向传播，x =0处质点的振动方程为 )(2cos SI ut A y λ π = 其中λ为波长，u 为波速， （1） 写出该平面简谐波的表达式； （2） 画出t =T 时刻的波形图。 解：（1）由题意，u T λ π πω22== ， 因此x =0处质点的振动方程为)(cos SI t A y ω=， y y ) 习 题 十 三 13-1 求各图中点P 处磁感应强度的大小和方向。 [解] (a) 因为长直导线对空间任一点产生的磁感应强度为： ()210cos cos 4θθπμ-= a I B 对于导线1：01=θ，2 2π θ=，因此a I B πμ401= 对于导线2：πθθ==21，因此02=B a I B B B πμ4021p = += 方向垂直纸面向外。 (b) 因为长直导线对空间任一点产生的磁感应强度为： ()210cos cos 4θθπμ-= a I B 对于导线1：01=θ，22π θ=，因此r I a I B πμπμ44001==，方向垂直纸面向内。 对于导线2：21π θ=，πθ=2，因此r I a I B πμπμ44002==，方向垂直纸面向内。 半圆形导线在P 点产生的磁场方向也是垂直纸面向内，大小为半径相同、电流相同的 圆形导线在圆心处产生的磁感应强度的一半，即 r I r I B 4221003μμ= =，方向垂直纸面向内。 所以，r I r I r I r I r I B B B B 4244400000321p μπμμπμπμ+=++=++= (c) P 点到三角形每条边的距离都是 a d 6 3= o 301=θ，o 1502=θ 每条边上的电流在P 点产生的磁感应强度的方向都是垂直纸面向内，大小都是 ()a I d I B πμπμ23150cos 30cos 400000=-= 故P 点总的磁感应强度大小为 a I B B πμ29300= = 方向垂直纸面向内。 13-2 有一螺线管长L ＝20cm ，半径r =2.0cm ，导线中通有强度为I =5.0A 的电流，若在螺线管轴线中点处产生的磁感应强度B ＝3 10166-?.T 的磁场，问该螺线管每单位长度应多少匝? [解] 已知载流螺线管轴线上场强公式为 ()120cos cos 2 θθμ-= nI B 由图知： 104 10cos 2= θ，104 10cos 1-= θ， 所以，??? ? ?? ?= 10410220nI B μ， 所以，匝＝1000101040I B n μ= 13-3 若输电线在地面上空25m 处，通以电流3 1081?.A 。求这电流在正下方地面处产生的磁感应强度。 [解]输电线可看作无限长直导线，直线电流所产生的磁场为： = B r I πμ20 T 1044.125 2108.1104537--?=????=ππ 13-4 在汽船上，指南针装在距载流导线0.80m 处，该导线中电流为20A 。(1)将此导线作无限长直导线处理，它在指南针所在处产生的磁感应强度是多大?(2)地磁场的水平分量(向北)为 41018.0-?T 。由于电流磁场的影响，指南针的N 极指向要偏离正北方向。如果电流的磁场是水平的，而且与地磁场垂直，指南针的指向将偏离多大?求在最坏情况下，上述汽船中的指南针的N 极将偏离北方多少度? [解] (1) 电流在指南针所在处的磁感应强度的大小为 T 100.580 .020********--?=??==T r I B πμ (2) 如果电流的磁场是水平的而且与地磁场的水平分量2B 垂直，指南针偏离正北方向的角度为?，则 28.010 18.0100.5tan 4 6 21=??==--B B ? 13150'=? 设指南针由于电流磁场偏离正北方向的角度为1?， 2112sin sin ??B B = O θ1 θ2 第13章 静电场中的导体和电介质 13.1一带电量为q ，半径为r A 的金属球A ，与一原先不带电、内外半径分别为r B 和r C 的金属球壳B 同心放置，如图所示，则图中P 点的电场强度如何？若用导线将A 和B 连接起来，则A 球的电势为多少？（设无穷远处电势为零） [解答]过P 点作一个同心球面作为高斯面，尽管金属球壳内侧会感应出异种，但是高斯面内只有电荷q ．根据高斯定理可得 E 4πr 2 = q /ε0， 可得P 点的电场强度为 204q E r πε= ． 当金属球壳内侧会感应出异种电荷-q 时，外侧将出现同种电荷q ．用导线将A 和B 连接起来后，正负电荷将中和．A 球是一个等势体，其电势等于球心的电势．A 球的电势是球壳外侧的电荷产生的，这些电荷到球心的距离都是r c ，所以A 球的电势为 04c q U r πε= ． 13.2 同轴电缆是由半径为R 1的导体圆柱和半径为R 2的同轴薄圆筒构成的，其间充满了相对介电常数为εr 的均匀电介质，设沿轴线单位长度上导线的圆筒的带电量分别为+λ和-λ，则通过介质内长为l ，半径为r 的同轴封闭圆柱面的电位移通量为多少？圆柱面上任一点的场强为多少？ [解答]介质中的电场强度和电位移是轴对称分布 的．在内外半径之间作一个半径为r 、长为l 的圆柱形高斯面，根据介质中的高斯定理，通过圆柱面的电位移通过等于该面包含的自由电荷，即 Φd = q = λl ． 设高斯面的侧面为S 0，上下两底面分别为S 1和S 2． 通过高斯面的电位移通量为 ??=ΦS d D d 0 1 2 d d d 2S S S rlD π=?+?+?=???D S D S D S ， 可得电位移为 D = λ/2πr ， 其方向垂直中心轴向外． 电场强度为 E = D/ε0εr = λ/2πε0εr r ， 方向也垂直中心轴向外． 13.3 金属球壳原来带有电量Q ，壳内外半径分别为a 、b ，壳内距球心为r 处有一点电荷q ，求球心o 的电势为多少？ [解答]点电荷q 在内壳上感应出负电荷-q ，不论电荷如何分布，距离球心都为a ．外壳上就有电荷q+Q ，距离图13.3 1、如图13-9所示，薄膜介质的折射率为n 1，薄膜上下介质的折射率分别为n 1和n 3，并且n 2比n 1和n 3都大。单色平行光由介质1垂直照射在薄膜上，经薄膜上下两个表面反射的两束光发生干涉。已知薄膜的厚度为e ， λ1为入射光在折射率为n 1的介质中的波长，则两束反射光的光程差等于多少？ 【答案：2 21 12λn e n S - =∆】 详解：由于入射光在上表面从光疏介质投射到光密介质上存在半波损失，因此反射光一的光程为 2 1λ = S 由于入射光在下表面从光密介质投射到光疏介质上没有半波损失，因此反射光二的光程为 e n S 222= 两束反射光的光程差为 2 2212λ - =-=∆e n S S S 其中λ为光在真空的波长，它与介质1中的波长的关系为λ=n 1λ1，因此 2 21 12λn e n S - =∆ 2、在双缝干涉实验中，两缝分别被折射率为n 1和n 2、厚度均为e 的透明薄膜遮盖。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等于多少？ 【答案：λ ϕe n n )(π212-= ∆】 详解：设从双缝发出的两束光到屏中央处的距离为r ，依题意它们到达屏中央处的光程分别为 )(11e r e n S -+= )(22e r e n S -+= 它们的光程差为 12S S S -=∆e n n )(12-= 因此，在屏中央处两束相干光的相位差为 n 3 图13-9 λ ϕS ∆= ∆π2λ e n n )(π212-= 3、在双缝干涉实验中，为使屏上的干涉条纹间距变大，可以采取哪些办法？ 【答案：增大双缝与屏之间的距离D 、增大入射光波长λ、减小双缝间距d 、减小折射率n 】 详解：双缝干涉条纹间距为 dn D x λ = ∆ 因此，为使屏上的干涉条纹间距变大，可以增大双缝与屏之间的距离D 、改用波长λ较长的光进行实验、将两缝的间距d 变小、将实验装置放在折射率n 较小的透明流体中。 4、如图13-10所示，在双缝干涉实验中，屏幕E 上的P 点处是明条纹。如果将缝S 1 盖住，并在S 1 S 2连线的垂直平分面处放置一个高折射率玻璃反射面M ，则此时P 点处是明条纹还是暗条纹？ 【答案：是暗条纹】 详解：设S 1、S 2到P 点的距离分别为r 1和r 2。由于P 点处原来是明条纹，因此 λk r r =-21 如果在S 1 S 2连线的垂直平分面处放置一个高折射率玻璃反射面M ，由于从S 2发出的光经M 反射时存在半波损失，因此到达P 点的反射光与直射光的光程差为 212 r r S -+ =∆λ 2 λ λ+ =k 2 ) 12(λ +=k 即这两束光在P 点处干涉相消，形成暗条纹。 5、如图13-11所示，在双缝干涉实验中，如果单色光源S 到两缝S 1、S 2距离相等，则中央明条纹位于观察屏E 上O 点处。现在将光源S 向上移动到图中的S ' 位置，中央明条纹将向什么方向移动？此时条纹间距是否发生改变？ 图13-11 S S 图13-10 P S 图13-11 S S P 第十三章 热力学基础 13 －1 如图所示，bca 为理想气体绝热过程，b1a 和b2a 是任意过程，则上述两过程中气体作功与吸收热量的情况是( ) (A) b1a 过程放热，作负功；b2a 过程放热，作负功 (B) b1a 过程吸热，作负功；b2a 过程放热，作负功 (C) b1a 过程吸热，作正功；b2a 过程吸热，作负功 (D) b1a 过程放热，作正功；b2a 过程吸热，作正功 分析与解 bca ，b1a 和b2a 均是外界压缩系统，由⎰=V p W d 知系统经这三个过程均作负功，因而(C)、(D)不对.理想气体的内能是温度的单值函数，因此三个过程初末态内能变化相等，设为ΔE .对绝热过程bca ，由热力学第一定律知ΔE ＝－W bca .另外，由图可知：｜W b2a ｜＞｜W bca ｜＞｜W b1a ｜，则W b2a ＜W bca ＜W b1a .对b1a 过程：Q ＝ΔE ＋W b1a ＞ΔE ＋W bca ＝0 是吸热过程.而对b2a 过程：Q ＝ΔE ＋W b2a ＜ΔE ＋W bca ＝0 是放热过程.可见(A)不对，正确的是(B). 13 －2 如图，一定量的理想气体，由平衡态A 变到平衡态B ，且它们的压强相等，即p A ＝p B ,请问在状态A 和状态B 之间，气体无论经过的是什么过程，气体必然( ) (A) 对外作正功 (B) 内能增加 (C) 从外界吸热 (D) 向外界放热 分析与解 由p －V 图可知，p A V A ＜p B V B ，即知T A ＜T B ，则对一定量理想气体必有E B ＞E A .即气体由状态A 变化到状态B,内能必增加.而作功、热传递是过程量，将与具体过程有关.所以(A)、(C)、(D)不是必然结果，只有(B)正确. 13 －3 两个相同的刚性容器，一个盛有氢气，一个盛氦气(均视为刚性分子理想气体).开始时它们的压强和温度都相同，现将3J 热量传给氦气，使之升高到一定的温度.若使氢气也升高同样的温度，则应向氢气传递热量为 ( ) (A) 6J (B) 3 J (C) 5 J (D) 10 J 分析与解 当容器体积不变，即为等体过程时系统不作功，根据热力学第一定律Q ＝ΔE ＋W ，有Q ＝ΔE .而由理想气体内能公式T R i M m E Δ2 Δ= ，可知欲使氢气和氦气升高相同温度，须传递的热量 ⎪ ⎪⎭ ⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=e e e 222e 2H H H H H H H H /:i M m i M m Q Q .再由理想气体物态方程pV ＝mM RT ，初始时，氢气和氦气是具有相同的温度、压强和体积，因而物质的量相同，则3/5/:e 2e 2H H H H ==i i Q Q .因此正确答案为(C). 13 －4 有人想像了四个理想气体的循环过程，则在理论上可以实现的为 ( ) 第十三章 静电场中的导体和电介质习题解答（仅作参考） 13．3 金属球壳原来带有电量Q ，壳内外半径分别为a 、b ，壳内距球心为r 处有一点电荷q ，求球心o 的电势为多少？ [解答]点电荷q 在内壳上感应出负电荷-q ，不论电荷如何分布，距离球心都为a ．外壳上就有电荷q+Q ，距离球为b ．球心的电势是所有电荷产生的电势叠加，大小为 0001 11444o q q Q q U r a b πεπεπε-+=++ 13．8 球形电容器的内、外半径分别为R 1和R 2，其间一半充满相对介电常量为εr 的均匀电介质，求电容C 为多少？ [解答]球形电容器的电容为 120 01221 1 441/1/R R C R R R R πεπε==--． 对于半球来说，由于相对面积减少了一半，所以电容也减少一半： 012 121 2R R C R R πε= -． 当电容器中充满介质时，电容为： 012 221 2r R R C R R πεε= -． 由于内球是一极，外球是一极，所以两个电容器并联： 012 1221 2(1)r R R C C C R R πεε+=+= -． 13．9 设板面积为S 的平板电容器析板间有两层介质，介电常量分别为ε1和ε2，厚度分别为d 1和d 2，求电容器的电容． [解答]假设在两介质的介面插入一薄导体，可知两个电容器串联，电容分别为 C 1 = ε1S/d 1和C 2 = ε2S/d 2． 总电容的倒数为 122112********* d d d d C C C S S S εεεεεε+=+=+=， 总电容为 122112 S C d d εεεε= +． 图13.3 [习题解答] 13-2光源S1 和S2 在真空中发出的光都是波长为l的单色光，现将它们分别放于折射率为n1 和n2的介质中，如图13-5所示。界面上一点P到两光源的距离分别为r1 和r2。 (1)两束光的波长各为多大？ (2)两束光到达点P的相位变化各为多大？ (3)假如S1 和S2 为相干光源，并且初相位相同，求点P 图13-5 干涉加强和干涉减弱的条件。 解 (1)已知光在真空中的波长为λ，那么它在折射率为n的介质中的波长λ'可以表示为 , 所以，在折射率为n1和n2的介质中的波长可分别表示为 和. (2)光传播r的距离，所引起的相位的变化为 , 所以，第一束光到达点P相位的变化为 , 第二束光到达点P相位的变化为 . (3)由于两光源的初相位相同，则两光相遇时的相位差是由光程差决定的，所以，点P干涉加强的条件是 , ; 点P干涉减弱的条件是 , . 13-3若用两根细灯丝代替杨氏实验中的两个狭缝，能否观察到干涉条纹？为什么？ 解观察不到干涉条纹，因为它们不是相干光源。 13-4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 . 13-5在杨氏干涉实验中，双缝的间距为0.30 mm，以波长为6.0 102nm的单色光照射狭缝，求在离双缝50 cm远的光屏上，从中央向一侧数第2条与第5条暗条纹之间的距离。大学物理课本答案习题 第十三章习题解答
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