物理光学与应用光学习题解第九章

《物理光学与应用光学》习题及选解第一章习题1-1. 一个线偏振光在玻璃中传播时，表示为：i E ))65.0(10cos(10152t cz-⨯⨯=π，试求该光的频率、波长，玻璃的折射率。

1-2. 已知单色平面光波的频率为z H 1014=ν，在z = 0 平面上相位线性增加的情况如图所示。

求f x ， f y ， f z 。

1-3. 试确定下列各组光波表示式所代表的偏振态： (1))sin(0kz t E E x -=ω，)cos(0kz t E E y -=ω; (2) )cos(0kz t E E x -=ω，)4cos(0πω+-=kz t E E y ;(3) )sin(0kz t E E x -=ω，)sin(0kz t E E y --=ω。

1-4. 在椭圆偏振光中，设椭圆的长轴与x 轴的夹角为α，椭圆的长、短轴各为2a 1、2a 2，E x 、E y 的相位差为ϕ。

求证：ϕαcos 22tan 220000y x y x E E E E -=。

1-5.已知冕牌玻璃对0.3988μm 波长光的折射率为n = 1.52546，11m 1026.1/--⨯-=μλd dn ，求光在该玻璃中的相速和群速。

1-6. 试计算下面两种色散规律的群速度（表示式中的v 表示是相速度）：(1)电离层中的电磁波，222λb c v +=，其中c 是真空中的光速，λ是介质中的电磁波波长，b 是常数。

(2)充满色散介质（)(ωεε=，)(ωμμ=）的直波导管中的电磁波，222/a c c v p -=εμωω，其中c 真空中的光速，a 是与波导管截面有关的常数。

1-7. 求从折射率n = 1.52的玻璃平板反射和折射的光的偏振度。

入射光是自然光，入射角分别为︒0，︒20，︒45，0456'︒，︒90。

1-8. 若入射光是线偏振的，在全反射的情况下，入射角应为多大方能使在入射面振动和垂直入射面振动的两反射光间的相位差为极大？这个极大值等于多少？1-9. 电矢量振动方向与入射面成45°的线偏振光，入射到两种透明介质的分界面上，若入射角︒=501θ，n 1 = 1，n 2 = 1.5，则反射光的光矢量与入射面成多大的角度？若︒=601θ时，该角度又为多1-2题用图大？1-10. 若要使光经红宝石（n = 1.76）表面反射后成为完全偏振光，入射角应等于多少？求在此入射角的情况下，折射光的偏振度P t 。

习题99-1．杨氏双缝的间距为m m 2.0，距离屏幕为m 1，求：（1）若第一级明纹距离为2.5mm ，求入射光波长。

（2）若入射光的波长为6000A，求相邻两明纹的间距。

解：（1）由Lx k dλ=，有：xd k L λ=，将0.2mm d =，1m L =，1 2.5mm x =，1k =代入，有：3372.5100.210 5.0101m λ---⨯⨯⨯==⨯；即波长为：500nm λ=； （2）若入射光的波长为 A 6000，相邻两明纹的间距：73161030.210D x mm d λ--⨯⨯∆===⨯。

9-2．图示为用双缝干涉来测定空气折射率n 的装置。

实验前，在长度为l 的两个相同密封玻璃管内都充以一大气压的空气。

现将上管中的空气逐渐抽去，（1）则光屏上的干涉条纹将向什么方向移动；（2）当上管中空气完全抽到真空，发现屏上波长为λ的干涉条纹移过N 条。

计算空气的折射率。

解：（1）当上面的空气被抽去，它的光程减小，所以它将 通过增加路程来弥补，条纹向下移动。

（2）当上管中空气完全抽到真空，发现屏上波长为λ的干涉条纹移过N 条，可列出：λN n l =-）（1 得：1+=lN n λ。

9-3．在玻璃板（折射率为50.1）上有一层油膜（折射率为30.1）。

已知对于波长为nm 500和nm 700的垂直入射光都发生反射相消，而这两波长之间没有别的波长光反射相消，求此油膜的厚度。

解：因为油膜（ 1.3n =油）在玻璃（ 1.5n =玻）上，所以不考虑半波损失，由反射相消条件有：2(21)122n e k k λ=-= 油，，， 当12500700nm nmλλ==⎧⎪⎨⎪⎩时，11222(21)22(21)2n e k n e k λλ=⎧-=-⎪⎪⎨⎪⎪⎩油油⇒2121217215k k λλ-==-， 因为12λλ<，所以12k k >，又因为1λ与2λ之间不存在'λ以满足'2(21)2n e k λ=-油式，即不存在21'k k k <<的情形，所以1k 、2k 应为连续整数，可得：14k =，23k =； 油膜的厚度为：17121 6.73104k e m n λ--==⨯油。

习题九 几何光学（习题参考解答）[9-1] 将一物置于长柱形玻璃的凸球面前25cm 处，设这个凸球面曲率半径为5cm ，玻璃前的折射率n=1.5，玻璃前的媒质是空气，求：（1） 像的位置，是实像还是虚像？（2） 该折射面的焦距。

已知：5.11525====n n cm r cm u o 求：①?=v ②??21==f f 解：∵ rn n v n u n 1221-=+ ∴ 515151251-=+.v . )(25cm v = 成实像当：时∞=u 2f v =515.112-=f cm f 152=当：1f u v =∞=时55.15.111=∞+f cm f 101=答：像的位置在球面后25cm 外 为实像焦距cm f 101= cm f 152=[9-2] 有一厚度为3cm ，折射率为1.5的共轴球面系统，其第一折射面是半径为2cm 的球面，第二折射面是平面，若在该共轴球面系统前面对第一折射面8cm 处放一物，像在何处？ 已知：cm d 3= 1=o n 5.1=n cm r 21= ∞=2rcm u 81=求：?=v解：∵ rn n v n u n 1221-=+ ∴ 215151811-=+.v . cm v 121=又 ∵ ∞-=+--5.111)312(5.1v ∴ cm v 6=答：像最后成在第二折射面后6cm 处。

[9-3] 一个双凸透镜，放在空气中，两面的曲率半径分别为15cm 和30cm ，如玻璃折射率为1.5，物距为100cm ，求像的位置和大小，并作图验证之。

已知：cm r 151= cm r 302-= 5.1=n cm u 100=求：像的位置?=v 像的大小解：∵ 透镜的焦距f 为：()121111-⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=r r n f ∴ 1)301151)(15.1(-⎥⎦⎤⎢⎣⎡---=f )(20cm =又 ∵ fv u 111=+ ∴20111001=+v )(25cm v =又 ∵ 放大率 uv m = 10025= 41=答：像的位置在透镜后20cm 外，实像且放大率为41[9-4] 一对称的双凸透镜折射率为1.5它在空气中的焦距为12cm ，其曲率半径为多大？另一双凸薄透镜置下列介质中，其左边为折射率为n 1=4/3的水，右边为空气，且右侧球面的半径与上一透镜的相同。

工程光学郁道银第二版第九章课后答案9.1 背景知识在工程光学的第九章中，我们将讨论光学系统中的配焦、色差、球差等问题，并提供相应的课后答案。

这一章的内容将帮助我们更好地理解和掌握光学系统的设计和优化。

9.2 配焦与球差问题 1在一折射球面透镜中，根据配焦公式可以得到：$$ \\frac{n_1}{u} + \\frac{n_2}{v} = \\frac{n_2 - n_1}{R} $$其中，$ n_1 $ 和 $ n_2 $ 分别为入射介质和透镜介质的折射率，$ R $ 为球面的曲率半径，$ u $ 和 $ v $ 分别为物距和像距。

请根据上述配焦公式回答以下问题：a.如果 $ u = \infty $，透镜为凹球面，试推导出透镜的焦距公式。

b.推导出透镜的主焦距公式。

c.如果透镜为凸球面，$ v \gt 0 $，根据配焦公式，物距 $ u $ 的取值范围会有什么限制？答案a.当 $ u = \infty $ 时，代入配焦公式得到：$$ 0 + \\frac{n_2}{v} = \\frac{n_2 - n_1}{R} $$整理得到：$$ v = \\frac{R}{n_2 - n_1}$$b.主焦距定义为当物体距离无限远时透镜成像于焦点上的距离。

当 $ u = \infty $ 时，根据配焦公式得到：$$ \\frac{n_2}{v} = \\frac{n_2 - n_1}{R} $$整理得到：$$ v = \\frac{R}{n_2 - n_1} $$由于 $ v $ 表示物距，代入光学系统中物像关系公式$ \frac{1}{f} = \frac{1}{u} + \frac{1}{v} $，得到主焦距公式：$$ \\frac{1}{f} = \\frac{1}{\\infty} + \\frac{1}{v} =\\frac{1}{v} $$所以主焦距 $ f = \frac{R}{n_2 - n_1} $。

第九章一、填空题1、用一定波长的单色光进行杨氏双缝干涉实验时，欲使屏上的干涉条纹间距变大，可采用的方法是： ； 。

2、杨氏双缝干涉实验现象中，入射光的波长为 ，双缝的间距为d ，缝到屏幕的距离为Z ，则相邻两暗条纹的间距离为 。

3、光波在媒质中通过的几何路程与该媒质的折射率的乘积定义为 。

4、获得相干光波有两种方法，牛顿环使用的是 法。

5、 当自然光从空气射到折射率为1.732的玻璃片上时，得到的反射光为线偏振光，则此时的入射角为 。

6、光强为I 0自然光通过两偏振化方向成300角的两偏振片后，出射光光强为 。

二、选择题1、在杨氏双缝实验中，如果用白光做实验，则在屏上( )A 、不能产生干涉B 、能产生明暗交错排列的条纹C 、能产生比单色光所引起的条纹数目较少的彩色条纹D 、能产生比单色光所引起的条纹数目较多的彩色条纹。

2、牛顿环装置如图所示，共有四个反射面（图中1、2、3和4），牛顿环是由以下两个面反射的光相干而成（ ）A 、1与3B 、1与4C 、2与3D 、2与3、在相同的时间内，一束波长为λ的单色光在空气中和在玻璃中( )A 、传播的路程相等，走过的光程相等；B 、传播的路程相等，走过的光程不相等；C 、传播的路程不相等，走过的光程相等；D 、传播的路程不相等，走过的光程不相等。

4、在照相机镜头表面涂一层氟化镁薄膜，其作用是( )A 、加强反射光B 、加强透射光C 、干涉滤光D 、保护镜头5、当狭宽b 变小时，夫朗和费单狭衍射中的中央明条纹（ ）A 、 变宽B 、 变窄C 、 不变D 、无法判断6、如图所示，a 、b 两束光波在p 点相遇，它们之间的的光程差为（ A 、（2n-1）d B 、ndC 、（n-1）dD 、（n-1）d-λ/2 三、判断题 1、光程就是光在介质中走的距离。

（ ）2、如果一物点所成衍射图样的爱里斑中心恰在另一物点衍射图样的爱里斑的边缘，则两物点恰能分辨。

（ ）四、简答题1、两束光能够相干的条件是什么?2、请说出检验线偏振光的实验方法。

第九章光的电磁实际根底zc141.一个立体电磁波能够表现为E0,E2cos[2 10( t)],E0,求(1)该 z2x y电磁波的频率、波长、振幅跟原点的初相位？〔２〕拨的传达偏向跟电矢量的振动偏向？ 〔３〕响应的磁场Ｂ的表白式？ z 解：〔1〕立体电磁波EAcos[2(t) , ] c146310m 。

对应有A2,10Hz,2〔2〕波传达偏向沿z 轴，电矢量振动偏向为 y 轴。

B 与E 垂直，传达偏向一样，∴ByBz0〔3〕 8EyCEy610[21014(zcBxt) ] 2z E y 0,E0,E10cos1015( 2t)，２.在玻璃中传达的一个线偏振光能够表现z x0.65c试求〔1〕光的频率跟波长；〔2〕玻璃的折射率。

z z 2 15解：〔1〕EAcos[2(t) ]10cos[10( t)]c 0.65c1514∴210v510Hz72/k2/0.65c3.910mncv31081.54c〔2〕n3.910751014n3.在与一平行光束垂直的偏向上拔出一片通明薄片， 薄片的厚度h0.01mm ,折射率n=1.5,假定光波的波长为500nm ,试盘算通明薄片拔出前后所惹起的光程跟相位的变更。

解：光程变更为(n1)h0.005mm0.0051062 500相位变更为2 20(rad)4.地球外表每平方米接纳到来自太阳光的功率为 1.33kw,试盘算投射到地球外表的太阳光的电场强度的巨细。

假定太阳光收回波长为 600nm 的单色光。

1 21 2 IA 2cA 2 0解：∵1 22I 3∴A()10v/mc 085.写出立体波E100exp{i[(2x3y4z)1610t]}的传达偏向上的单元矢量 k。

解：∵EAexp[i(kr t)]krkxkykz xyzk x 2,k y 3,k4zkkxkykz2x3y4z 0 x 0 y 0 z 0 0 02 3 4 k 0x 0y 0z 02929296.一束线偏振光以45度角从氛围入射到玻璃的界面， 线偏振光的电矢量垂直于入射面，试求反射系数跟透射系数。