[习题解答]
13-2 光源S 1 和S 2 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n 1
和n 2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r 1 和r 2。
(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S 1 和S 2 为相干光源，并且初相位相同，求点P 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n 1和n 2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
.
图13-5
(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。
解 因为第1条暗条纹对应于，所以第2条暗条纹和第5条暗条纹分别对应于和。根据双缝干涉的规律，暗条纹的位置应满足
.
所以，第2条与第5条暗条纹之间的距离为
.
13-7 在空气中垂直入射到折射率为1.40的薄膜上的白光，若使其中的紫光(波长为400 nm)成分被薄膜的两个表面反射而发生干涉相消，问此薄膜厚度的最小值应为多大？
解 光从第一个表面反射要产生半波损失，但从第二个表面反射无半波损失，所以光程差应表示为
,
式中e为薄膜的厚度，此厚度应为最小值，干涉级次k最小应取1，因为当时，薄膜的厚度必须取零，上式才能成立。将k = 1代入上式，并从中解出薄膜厚度的最小值为
.
13-8 在空气中肥皂膜的厚度为0.32 mm，折射率为1.33。若用白光垂直照射，肥皂膜呈什么颜色？
解 反射光的颜色是由反射光干涉加强的光波波长所决定的。干涉加强的条件是
,
由此解得
.
当时，;
当时，;
当时，.
在以上干涉加强的光波中，l1是红外光，λ3是紫外光，只有λ2处于可见光范围内，且为黄光。
13-9 在观察薄膜干涉时常说使用面光源，这是为什么？能否使用点光源呢？
解 在观察薄膜干涉时，可以使用点光源。使用面光源可以增大干涉条纹的衬比度。具体分析见上面的[概念阐释]。
13-10 试分析一下等倾干涉条纹可能是什么形状？
解 因为等倾干涉图样定位于无限远处，使用透镜则呈现于透镜的焦面上。又因为等倾干涉条纹是以相同角度入射和出射的平行光在光屏上会聚点的轨迹。如果屏面与焦面重合，则干涉条纹为同心圆环。若屏面不与透镜光轴相垂直，干涉条纹的形状可能是椭圆、双曲线等圆锥截线。
13-11 两块矩形的平板玻璃叠放于桌面上，将一薄纸条从一边塞入它们之间，使两玻璃板之间形成一个劈形气隙。用钠光(波长为589 nm)垂直照射，将观察到干涉条纹。沿垂直于劈棱的方向上每厘米有10条亮纹(或暗纹)，求劈形气隙的角度。
解 设相邻亮条纹或相邻暗条纹的间距为l，劈角为θ，因为相邻亮条纹或相邻暗条纹所对应的气隙厚度差为半波长，所以下面的关系成立
.
根据已知条件，，代入上式，得
.
13-12 两块矩形的平板玻璃叠放在一起，使其一边相接触，在与此边相距20 cm 处夹一直径为5.0⨯10-2
mm 的细丝，如图13-6所示，于是便形成一劈形气隙。若用波长为589 nm 的钠光垂直照射，
劈形气隙表面出现干涉条纹，求相邻暗条纹之间的间距。
解 设相邻亮条纹或相邻暗条纹的间距为l ，劈角为θ，下面的关系成立
.
所以
.
13-13 若用波长为589 nm 的钠光观察牛顿环，发现k 级暗环的半径为2.0´10-3 m ，而其外侧
第5个暗环的半径为3.0⨯10-3
m 。求透镜凸面的曲率半径和k 的值。
解 第k 个暗环的半径为
, (1)
当时，为中心的暗点，当时，为第1条暗环，等等。第k 个暗环之外的第5个暗环，
对应于
，其半径为
(2)
将以上两式平方后相除，得
,
将数值代入并求出k 值，得
图13-6
,
.
将k值代入式(1)，可求得透镜凸面的曲率半径，为
.
13-14 一平凸透镜的凸面曲率半径为1.2 m，将凸面朝下放在平玻璃板上，用波长为650 nm 的红光观察牛顿环。求第三条暗环的直径。
解 第3条暗环对应的k值为3，其半径为
,
所以，第3条暗环的直径为。
13-15 在单缝夫琅禾费衍射中，单缝宽度a = 1.0´10-4 m，透镜焦距f = 50 cm。分别用λ1 = 400 nm和λ2= 760 nm的单色平行光垂直入射，问中央亮条纹的宽度分别为多大？
解 两个第一暗条纹中心的距离，就是中央亮条纹的宽度。而第一暗条纹的衍射角ϕ0，就是中央亮条纹的半角宽度，即角宽度的一半。根据式(13-51)
,
对应于两种波长l1和λ2，中央亮条纹的宽度分别为
;
.
13-16 单缝被氦氖激光器产生的激光(波长为632.8 nm)垂直照射，所得夫琅禾费衍射图样的第一级暗条纹对单缝法线的夹角为5︒，求单缝的宽度。
解 第1级暗条纹对单缝法线的夹角，就是第1级暗条纹的衍射角ϕ0，并且根据衍射的规律有
.
所以，可以求得单缝的宽度为
.
13-17 一束波长为600 nm的平行光垂直照射到透射平面衍射光栅上，在与光栅法线成45︒角的方向上观察到该光的第二级谱线。问该光栅每毫米有多少刻痕？
解 根据光栅方程
,
式中ϕ= 45︒、k = 2，于是可求得光栅常量为
,所以，该光栅每毫米的刻痕数为
.
13-18 可见光的波长范围大约从400 nm到760 nm，将这个范围的可见光垂直入射到每厘米有6000条刻痕的平面光栅上，求第一级可见光谱的角宽度。
解 在光栅方程
中，取k = 1，ϕ就是波长为λ的光的衍射角。分别求出波长为400 nm和760 nm的衍射角ϕ1和ϕ2，两者之差就是第一级可见光谱的角宽度。这从教材第500页的图13-25中可以看得很清楚。
,
;
,
.
所以，第一级可见光谱的角宽度为
.
13-19 有一透射平面光栅每毫米有500条刻痕，并且刻痕间距是刻痕宽度的两倍。若用波长为600 nm的平行光垂直照射该光栅，问最多能观察到几条亮条纹？并求出每一条亮条纹的衍射角。
解 根据已知条件可以求得光栅常量
m .
由光栅方程，得
,
于是求得
,
取整数，为
.
这表示，在无限大的光屏上可能出现k值为0、±1、±2和±3的七条亮条纹。
但是由于缺级现象，有些亮条纹消失了。由于刻痕间距(a )是刻痕宽度(b )的两倍，所以
.
消失的亮条纹的k 值为
,
当
时，
，这表示，在光屏上消失的亮条纹的级次为
。这样，出现在无限大
光屏上的亮条纹只有5条，它们的级次分别是
。
根据光栅方程，可以求得各亮条纹的衍射角：
的亮条纹
, ;
的亮条纹
,ϕ1 = ± 17︒28' ;
的亮条纹
,ϕ2= ± 36︒52' .
13-20 波长为0.296 nm 的X 射线投射到一块晶体上，
产生的第一级衍射线偏离入射线方向为31.7︒
，求相应于此衍射线的晶面间距。
解 晶面、入射方向、衍射方向以及晶面法线之间的关
系，如图13-7所示。由图可见，X 射线的掠射角θ= 31.7︒
/ 2 = 15︒
51¢。根据布拉格公式
,
图13-7
取，则有
.
13-21 有一直径为5.0 cm、焦距为25 cm的会聚透镜，用波长为550 nm的光观察远处的两个物点，刚好能分辨。问这两个物点在透镜焦面上中央亮斑的中心相距多远？
解 既然两个物点刚好能分辨，那么它们对透镜中心的张角，就是最小分辨角θ0，并可以表示为
.
在透镜焦面上这两个物点的中央亮斑的中心间距为
.
13-22 设人眼瞳孔的直径为3.0 mm，对于可见光中波长为6.0 ⨯10-7 m的光，试求：
(1)人眼的最小分辨角；
(2)在明视距离25 cm处人眼能分辨的最小距离。
解
(1)人眼的最小分辨角
.
(2)在明视距离25 cm处人眼能分辨的最小距离为
.
13-25 水的折射率为1.33，玻璃的折射率为1.50。当光由水中射向玻璃而被界面反射时，起偏角为多大？当光由玻璃中射向水而被界面反射时，起偏角又为多大？
解 设水的折射率为n1 (= 1.33 )，玻璃的折射率为n2(= 1.50 )。光由水射向玻璃的起偏角i0 为
, ;
光由玻璃射向水的起偏角i0'为
, .
13-26 两偏振片的透振方向成30°角，透射光强度为I1 。若入射光不变而使两偏振片的透振方向之间的夹角变为45︒角，求透射光的强度。
解 设透过第一个偏振片的光强为I0 ，当两个偏振片的透振方向成α = 30︒角时，透过第二个偏振片的光强为I1 ，并有下面的关系
,
所以
.
当两个偏振片的透振方向夹角变为α2= 45︒时，透射光强I2为
.
13-27 两偏振片A和B放置在使光完全不能透过的相对位置上，现在A、B之间插入第三块偏振片C，光就能部分地通过，并当C旋转时，透射光的强度也随着变化。设透过偏振片A的光强度为I0 ，求当偏振片A和C的透振方向夹角为α时透射光的强度。
解 根据题意，只有当A与B的透振方向互相垂直时，光才完全不能通过。所以，当C与A成α角时，C与B必成(90︒-α )角。由马吕斯定律，透过C的光强为
,
式中I0 为透过A的光强。透过B的光强为
.
13-28 两偏振片A和B的透振方向成45︒角，强度为I0的入射光是线偏振光，且振动方向与偏振片A的透振方向相平行。分别求入射光沿从A至B的方向和沿从B至A的方向透过两个偏振片后的光强。
解
(1)当入射光沿A®B的方向通过A和B时：因为入射光的振动方向与A的透振方向平行，而与B的透振方向成45︒角，所以光通过A后强度不变，通过B后的光强为
;
(2)当入射光沿B ® A的方向通过B和A时：入射光通过B后的光强为
.
强度为I'的光的振动方向与B的透振方向一致，而与A的透振方向成45︒角，所以通过A后的光强为
.
13-29 如何将自然光转变为椭圆偏振光和圆偏振光？椭圆偏振光和圆偏振光各在什么情况下转变为线偏振光？
解 自然光通过起偏器变为线偏振光，线偏振光垂直入射至1/4波片，出射光便是椭圆偏振光；当线偏振光垂直入射至1/4波片时，且使其振动方向与1/4波片的光轴成45°时，出射光便是圆偏振光。
圆偏振光垂直入射至1/4波片后，出射光变为线偏振光；椭圆偏振光垂直入射至1/4波片时，且使椭圆的主轴与波片的光轴相平行，则出射光为线偏振光。
13-30 在一对正交的偏振片之间放一块1/4波片，用自然光入射。
(1)转动1/4波片光轴方向，出射光的强度怎样变化？
(2)如果有强度极大和消光现象，那么1/4波片的光轴应处于什么方向？这时从1/4波片射出的光的偏振状态如何？
解
(1)转动1/4波片光轴方向出射光强度的变化情形：
a)当1/4波片转至其光轴与第一个偏振片的透振方向相平行时，从1/4波片出射的光是振动方向与光轴同方向的线偏振光，不能通过第二个偏振片，故产生消光现象；
b)当1/4波片转至其光轴与第一个偏振片的透振方向有一夹角a时，从1/4波片出射的光是以其光轴为主轴的椭圆偏振光，当α角很小时，通过第二个偏振片的光强也很小；
c)随着α的增大，通过第二个偏振片的光强增加，当α= 45︒时，从1/4波片出射的光是圆偏振光，通过第二个偏振片的光强达到最大值；
d)随着α的继续增大，通过第二个偏振片的光强又逐渐减小；
e)当1/4波片转至其光轴与第二个偏振片的透振方向相平行时，从1/4波片出射的光为垂直于光轴的线偏振光，则不能通过第二个偏振片，所以再次出现消光现象。
f)以后继续转动1/4波片所出现的现象，重复上面的过程。
(2)光强极大对应于1/4波片的光轴与两个偏振片的透振方向都成45︒的位置，这时从1/4波片射出的光是圆偏振光。
出现消光现象时，1/4波片的光轴应处在两个位置上，即分别平行于两个偏振片的透振方向。当1/4波片的光轴与第一个偏振片的透振方向相平行时，从1/4波片射出的光是线偏振光，其振动方向平行于1/4波片的光轴，而与第二个偏振片的透振方向相垂直；当1/4波片的光轴与第二个偏振片的透振方向相平行时，即1/4波片的光轴与第一个偏振片的透振方向相垂直，从1/4波片射出的光是线偏振光，
其振动方向垂直于1/4波片的光轴，也与第二个偏振片的透振方向相垂直。
13-31 椭圆偏振光通过1/4波片，在一般情况下仍然为椭圆偏振光，对此应如何解释？
解 椭圆偏振光可以看成是两个互相垂直的线偏振光的合成，这两个互相垂直的线偏振光可以表示为
,
式中φ是不为0和±π的任意角。当椭圆偏振光通过1/4波片后，这两个互相垂直的线偏振光都要分解为平行于光轴和垂直于光轴的两个线偏振光，并且这两个线偏振光存在π /2的相位差。于是就得到了四个线偏振光，其中两个平行于光轴方向振动，它们之间存在φ的相位差，另外两光垂直于光轴方向振动，它们之间也存在f的相位差。无论平行于光轴方向的两个振动的合成，还是垂直于光轴方向的两个振动的合成，都属于同一直线上的两个同频率振动的合成。最后仍然得到振动方向分别平行于光轴和垂直于光轴的两个线偏振光，不过它们之间的相位差一般不再是π /2，还与每个方向的合成结果有关，一般情况下是不为0和±π的任意角，故仍为椭圆偏振光。
若光轴平行于椭圆偏振光
的主轴，则两个互相垂直的线偏振光相位差变为π /2，通过1/4波片后成为线偏振光。
13-32 将石英晶片放置在透振方向互相平行的两偏振片之间，波长为435.8 nm的蓝光正好不能通过。已知石英对此波长蓝光的旋光率为41.5︒mm-1 ，求石英片的厚度。
解 根据题意，石英晶片使光的偏振面旋转了θ = 90︒，代入公式
,
即可求得石英片的厚度，为
.
13-33 某种物质的吸收系数为α = 3.1´10-3 m-1 ，求透射光强分别为入射光强的0.2、0.4、0.6和0.8时物质的厚度。
解 根据朗伯定律
,
可以推得
,
.
当透射光强之比为0.2时，代入上式可求得物质的厚度为
.
同样可以求得
;
;
.
13-34 某光学玻璃在可见光范围内为正常色散，对波长为435.8 nm的蓝光和波长为546.1 nm 的绿光的折射率分别为1.65250和1.62450。试确定科希公式中的常数A和B，并计算此光学玻璃对波长为589.3 nm的钠黄光的折射率和色散率。
解 科希公式可以表示为
,
将蓝光和绿光的波长及相应的折射率代入上式，可得到两个方程式
;
.
两式联立可以解得
,
.
将A、B和钠黄光的波长代入科希公式，可求得此光学玻璃对钠黄光的折射率，为
;
色散率为
.
13-36 在一根长为32 cm的玻璃管内盛有含烟雾的气体，某波长的光通过后强度为入射光的56%，若将烟雾除去，透射光的强度为入射光的88%。如果烟雾对该波长的光只散射无吸收，而气体却只吸收无散射，试计算含烟雾气体的吸收系数和散射系数。
解 设入射光的强度为I0，该光通过含烟雾的气体后的光强为I，该光通过无烟雾气体后的光强为I¢。根据散射和吸收的规律可以列出下面的两个方程式
; (1)
.(2)
两式联立可解得气体的吸收系数，为
;气体的散射系数为
.
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 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，
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 )
大学物理练习题十三 一、选择题 1. 下列函数f (x, t)可表示弹性介质中的一维波动，式中A 、a 和b 是正的常数。其中哪个函数表示沿X 轴负方向传播的行波？ [ A ] （A ）()()bt ax A t x f +=cos , （B ）)cos(),(bt ax A t x f -= （C ）bt ax A t x f cos cos ),(?= （D ）bt ax A t x f sin sin ),(?= 2. 如图所示为一平面简谐波在t=2s 时刻的波形图，质点P 的振动方程是 [ C ] （A ）[]3/)2(cos 01.0ππ+-=t y p (SI) （B ）[]3/)2(cos 01.0ππ++=t y p (SI) （C ）[]3/)2(2cos 01.0ππ+-=t y p (SI) （D ）[]3)2(2cos 01.0ππ--=t y p (SI) 解:m A 01.0=，m 200=λ，s m u /200=， πλ π πνω222===u 设P 点振动方程为)cos(φω+=t A y p ，t=2s 时 ?????<+?-==+?=0)22cos(sin 005.0)22cos(01.0φπωφπA v y p p ，???>+?=+?0)22sin(5 .0)22cos(φπφπ 3 22π φπ= +? ， 34π πφ+-= =+-=)3 42cos(01.0π ππt y p )3)2(2cos[01.0π π+-t 3. 一平面简谐波在弹性媒质中传播，在某一瞬时，波传播到的媒质中某质元正处于平衡位置，此时它的能量是 [ C ] （A ）动能为零，势能最大。 （B ）动能为零，势能为零。 （C ）动能最大，势能最大。
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
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 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 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。
第13章习题答案 13—7 在双缝干涉实验中，两缝的间距为mm 5.0，照亮狭缝S 的光源是汞弧灯加上绿色滤光片。在m 5.2远处的屏幕上出现干涉条纹，测得相邻两明条纹中心的距离为mm 2。试计算入射光的波长。 解：已知条纹间距32210-==⨯x mm m ∆，缝宽405510-==⨯d .mm m ，缝离屏的距离25=D .m =D x d ∆λ ∴ 43751021041025 ---⨯==⨯⨯=⨯d x m D .λ∆ 13—8用很薄的云母片（58.1=n ）覆盖在双缝实验中的一条缝上，这时屏幕上的零级明条纹移到原来的第七级明条纹的位置上，如果入射光波长为nm 550，试问此云母片的厚度为多少 解: 设云母片厚度为e ，则由云母片引起的光程差为 e n e ne )1(-=-=δ 按题意 λδ7= ∴ 610 106.61 58.1105500717--⨯=-⨯⨯=-=n e λm 6.6=m μ 13—9 用包含两种波长成分的复色光做双缝实验，其中一种波长nm 5501=λ。已知双缝间距为mm 6.0，屏和缝的距离为m 2.1，求屏上1λ的第三级明条纹中心位置。已知在屏上1λ的第六级明条纹和未知波长光的第五级明条纹重合，求未知光的波长。 解：屏上1λ的三级明纹中心的位置 m 103.31055010 6.02.133933---⨯=⨯⨯⨯⨯==λd D k x 依题意屏上1λ的第六级明条纹和波长为λ的第五级明条纹重合于x 处 则有 λλd D k d D k x 516== 即 λλ516k k = m 106.6105505 679156--⨯=⨯⨯==λλk k 13—10平板玻璃（5.1=n ）表面上的一层水（33.1=n ）薄膜被垂直入射的光束照射，光束中的光波波长可变。当波长连续变化时，反射强度从nm 500=λ时的最小变到nm 750=λ时的同级最大，求膜的厚度。 习题13-10图
热力学基础 一 选择题 01功、热量、内能，热力学第一定律及其对典型的热力学过程的应用，绝热过程 1. 对于理想气体系统来说,在下列过程中的哪个过程，所吸收的热量、内能的增量和对外作 功三者均为负值： [ ] （A ）等体降压过程（B ）等温膨胀过程（C ）绝热膨胀过程 （D ）等压压缩过程 答案：D 2.一定量的理想气体，经历某过程后，温度升高了．则根据热力学定律可以断定： (1) 该理想气体系统在此过程中吸了热． (2) 在此过程中外界对该理想气体系统作了正功． (3) 该理想气体系统的内能增加了． (4) 在此过程中理想气体系统既从外界吸了热，又对外作了正功． 以上正确的断言是： (A) (1)、(3)． (B) (2)、(3)． (C) (3)． (D) (3)、(4)． (E) (4)． ［ ］ 答案：C (060101104) 3. 如图所示，一定量理想气体从体积V 1，膨胀到体积V 2分别经历的过程是：A →B 等压过程，A →C 等温过程；A →D 绝热过程，其中 吸热量最多的过程 (A) 是A →B. (B)是A →C. (C)是A →D. (D)既是A →B 也是A →C , 两过程吸热一样多。 [ ] 答案：C (060101106) 4. 如图所示，一个绝热容器，用质量可忽略的绝热板分成体积相等的两部分,两边分别 装入质量相等、温度相同的2H 和2O 。开始时绝热板P 固定。然后释放之，板P 将发生移 动(绝热板与容器壁之间不漏气，且摩擦可以忽略不计)，在达到新的平衡位置后，若比较两 边温度的高低，则结果是：[ ] （A ） 2H 比2O 温度高； （B ） 2O 比2H 温度高； （C ） 两边温度相等且等于原来的温度； （D ） 两边温度相等但比原来的温度降低了。 答案：D V
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
习题13 13-3．如习题13-3图所示，把一块原来不带电的金属板B 移近一块已带有正电荷Q 的金属板A ，平行放置。设两板面积都是S ，板间距为d ，忽略边缘效应，求：(1)板B 不接地时，两板间的电势差。(2)板B 接地时，两板间的电势差。 [解] (1)两带电平板导体相向面上电量大小相等符号相反，而相背面上电量大小相等符号相同，因此当板B 不接地，电荷分布为 因而板间电场强度为 S Q E 02ε= 电势差为 S Qd Ed U 0AB 2ε= = (2) 板B 接地时，在B 板上感应出负电荷，电荷分布为 故板间电场强度为 S Q E 0ε= 电势差为 S Qd Ed U 0AB ε= = B A -Q/2Q/2Q/2Q/2A B -Q Q
13-4 两块靠近的平行金属板间原为真空。使两板分别带上面电荷密度为σ0的等量异号电荷，这时两板间电压为U 0=300V 。保持两板上电量不变，将板间空间一半如图习题13-4图所示充以相对电容率为εr =5的电介质，试求 （1） 金属板间有电介质部分和无电介质部分的E,D 和板上的自由电荷密度σ； （2） 金属板间电压变为多少？电介质上下表面束缚电荷面密度多大？ 13-5．如习题13-5图所示，三个无限长的同轴导体圆柱面A 、B 和C ，半径分别为R A 、R B 、R C 。圆柱面B 上带电荷，A 和C 都接地。求B 的内表面上线电荷密度λ1和外表面上线电荷密度λ2之比值λ1/λ2。 [解] 由A 、C 接地 BC BA U U = 由高斯定理知 r E 01I 2πελ-= r E 02 II 2πελ= A B 0101I BA ln 2d 2d A B A B R R r r U R R R R πελπελ=-==⎰ ⎰r E II I
第十三章电磁感应 一. 选择题 1. 如图，两根无限长平行直导线载有大小相同方向相反的电流I，均以的变化率增长，一矩形线圈位于导线平面内，则 (A) 线圈中无感应电流 (B) 线圈中感应电流方向不确定 (C) 线圈中感应电流为顺时针方向 (D) 线圈中感应电流为逆时针方向 [ ] 2. 将形状完全相同的铜环和木环静止放置，并使通过两环面的磁通量随时间的变化率相等，则不计自感时 (A) 铜环中有感应电动势，木环中无感应电动势 (B) 铜环中感应电动势大，木环中感应电动势小 (C) 铜环中感应电动势小，木环中感应电动势大 (D) 两环中感应电动势相等 [ ] 3. 如图，M、N为水平面内两根平行金属导轨，ab与cd为 相互平行且垂直于导轨并可在其上自由滑动的两根直裸导线，外 磁场均匀垂直于水平面向上，当外力使ab向右平移时，cd应 (A) 不动 (B) 转动 (C) 向左移动 (D) 向右移动 [ ] 4. 如图所示，直角三角形金属框abc放在均匀磁场中，磁场平行于ab 边，bc的长度为l. 当金属框绕ab边以匀角速ω转动时，则回路中的感应电 动势和a、c两点间的电势差为 (A) ， (B)， (C) ，
(D) ， [ ] 5．在一无限长圆柱区域内，存在随时间变化的均匀磁场，图示为磁场空间的一个横截面，下列说法正确的是 (A) 圆柱形区域内有感生电场，区域外无感生电场 (B) 圆柱形区域内无感生电场，区域外有感生电场 (C) 圆柱形区域内有感生电场，区域外也有感生电场 (D) 圆柱形区域内无感生电场，区域外也无感生电场 [ ] 6. 一密绕螺线管的自感为L，若将其锯为相等的两半，则这两个螺线管的自感 (A) 都等于 (B) 一个大于，一个小于 (C) 都大于 (D) 都小于 [ ] 7. 一自感系数为0.1H的线圈中，当电流在(1/10)s内由1A均匀减小到零时，线圈中自感电动势的大小为 (A) 100V (B) 10V (C) -1V (D) 1V [ ] 8. 面积为S和2S的两圆线圈1、2如图放置，通有相同的电流， 线圈1中的电流所产生的通过线圈2的磁通为Φ 21 ，线圈2中的电流所 产生的通过线圈1的磁通为Φ 12，则Φ 21 和Φ 12 的大小关系为 (A) Φ 21 = 2Φ 12 (B) Φ 12 = Φ 21 (C) Φ 12 < Φ 21 (D) Φ 21 = Φ 12 / 2 [ ] 9. 通有电流I的半径为R圆线圈，放在近似真空的空间里，圆心处的磁场能量密度是： (A) (B) (C) (D) [ ] 10. 下列情况位移电流为零的是：
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ϕ方向发出的衍射线的光程差用2λ 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 272)132(2)12(sin λ λλϕ⨯ =+⨯=+=k a 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? 答：因为衍射角ϕ愈大则ϕsin 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(sin =+±=k k a λ ϕ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='='λϕk a sin n k λ ，而空气中为λϕk a =sin ，∴ϕϕ'=sin sin n ，即ϕϕ'=n ，水中同级衍射角变小，条纹变密． 如用)12(sin +±=k a ϕ2λ ),2,1(⋅⋅⋅=k 来测光的波长，则应是光在水中的波长．(因ϕsin 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λϕk a =sin 知，衍射角ϕ变大，条纹变稀； (2)λ变大，保持a ，k 不变，则衍射角ϕ亦变大，条纹变稀； (3)由正入射变为斜入射时，因正入射时λϕk a =sin ；斜入射时，λθϕk a '=-)sin (sin ，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 说明? 答：不矛盾．单缝衍射暗纹条件为k k a 2sin ==λϕ2λ ，是用半波带法分析(子波叠加