3光学练习题.
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光学考试题光学习题第⼀部分:填空题1. 光波的相⼲条件是:频率相同;;。
2.位相差和光程差的关系为,实现相长⼲涉的位相差条件为。
3.⽤波长λ的单⾊光⼊射迈克⽿孙⼲涉仪,当可动镜M1移动了0.03164mm 时,发现视场中⼼变化了100个条纹,则⼊射光波长λ=。
4. 在空⽓中⽤波长为λ单⾊光进⾏双缝⼲涉实验时,观察到⼲涉条纹相邻条纹的间距为1.33mm ,当把实验装置放在⽔中时(⽔的折射率n=1.33),则相邻条纹的间距变为_____________5.⽤波长为λ单⾊光垂直照射如图所⽰的折射率为n 2的劈尖薄膜(n 1>n 2 , n 3>n 2),观察反射光⼲涉,从劈尖顶开始,第2条明纹对应的膜厚度d =___ __.6.在单缝夫琅和费衍射⽰意图中,所画出的各条正⼊射光线间距相等,那么光线1与3在幕上P点相遇时的位相差为___ _____,P 点应为___ ______点。
7.波长λ=500nm 的单⾊平⾏光,垂直⼊射半径ρ=1mm 的圆孔,圆孔后轴线上P 点到圆孔的距离r =1m ,对于P 点⽽⾔,圆孔露出的半波带数k= ,P 点为点。
8. N 条狭缝的夫琅和费衍射,衍射的总能流是缝宽相同的单缝夫琅和费衍射光能量的倍,衍射光强中央主极⼤将增⼤为倍。
9.⼈眼瞳孔直径为3mm ,对波长为550nm 的光⽽⾔,⼈眼的最⼩分辨⾓为弧度。
13 510.爱⾥光斑的半⾓宽度θ=。
11.设天空中两颗星对于⼀望远镜的张⾓为2.42×10-6rad,它们都发出波长为550nm的光,为了分辨出这两颗星,望远镜物镜的⼝径⾄少要等于cm。
12.汽车两盏前灯相距L,与观察者相距S=10km。
夜间⼈眼瞳孔直径d=5.0mm,⼈眼敏感波长为550nm。
若只考虑⼈眼的圆孔衍射,则⼈眼可分辨出汽车两前灯的最⼩间距L 是。
13.若星光的波长是550nm,孔径为127cm的⼤型望远镜所能分辨的两颗星的最⼩⾓距离(从地上⼀点看两星的视线间夹⾓)是。
13.1 证明反射定律符合费马原理。
证明:证明:设两个均匀介质的分界面是平面,设两个均匀介质的分界面是平面,设两个均匀介质的分界面是平面,它们的折射率为它们的折射率为n 1和n 2。
光线通过第一介质中指定的A 点后到达同一介质中指定的B 点。
为了确定实际光线的路径,通过A,B 两点作平面垂直于界面,'OO 是它们的交线,则实际光线在界面上的反射点C 就可由费马原理来确定,如下图所示。
(1)反证法:如果有一点'C 位于线外,则对应于'C ,必可在'OO 线上找到它的垂足''C .由于''AC 'AC >,''BC 'BC >,故光线B AC'总是大于光程B ''AC 而非极小值,这就违背了费马原理,故入射面和反射面在同一平面内得证。
面内得证。
(2)在图中建立坐XOY 坐标系,则指定点A,B 的坐标分别为(x1,y1)和(x2,y2),未知点C 的坐标为(x ,0)。
C 点是在'A 、'B 之间的,光程必小于C 点在''B A 以外的相应光程,以外的相应光程,即即21vx x <<,于是光程ACB 为 yx x n y x x n CB n AC n ACB n 2211221221111)()(+-++-=+=根据费马原理,它应取极小值,即0)(1=ACB n dx d0)sin (sin )()()()()()(21112222211212111=-=¢-¢=+---+--=i i n CB B C AC C A n y x x x x n y x x x x n ACB n dx d 所以当11'i i =,取的是极值,符合费马原理。
,取的是极值,符合费马原理。
3.2 根据费马原理可以导出在近轴条件下,从物点发出并会聚倒像点的所有光线的光程都相等。
测定玻璃的折射率用双缝干涉测量光的波长1.从两只相同的手电筒射出的光,当它们在某一区域叠加后,看不到干涉图样,这是因为()A.手电筒射出的光是单色光B.干涉图样太细小看不清楚C.周围环境的光太强D.这两束光为非相干光2.在杨氏双缝干涉实验中,如果()A.用白光作为光源,屏上将呈现黑白相间的条纹B.用红光作为光源,屏上将呈现红黑相间的条纹C.若仅将入射光由红光改为蓝光,则条纹间距一定变大D.用红光照射一条狭缝,用紫光照射另一条狭缝,屏上将呈现彩色条纹3.用红光做光的双缝干涉实验,如果将其中一缝改用蓝光,下列说法正确的是()A.在光屏上出现红蓝相间的干涉条纹B.只有相干光源发出的光才能在叠加时产生干涉现象,此时不产生干涉现象C.频率不同的两列光也能发生干涉现象,此时出现彩色条纹D.尽管亮暗条纹都是光波相互叠加的结果,但此时红光与蓝光只叠加不产生干涉现象4.一束白光通过双缝后在屏上观察到干涉条纹,除中央白色条纹外,两侧还有彩色条纹,其原因是() A.各色光的波长不同,因而各色光分别产生的干涉条纹间距不同B.各色光的速度不同,造成条纹的间距不同C.各色光的强度不同,造成条纹的间距不同D.各色光通过双缝到达一确定点的距离不同5.如图所示,在双缝干涉实验中,若单缝S从双缝S1、S2的中央对称轴位置处稍微向上移动,则() A.不再产生干涉条纹B.仍可产生干涉条纹,其中央亮条纹P的位置不变C.仍可产生干涉条纹,其中央亮条纹P的位置略向上移D.仍可产生干涉条纹,其中央亮条纹P的位置略向下移6.关于光的干涉及双缝干涉实验的认识,下列说法正确的是()A.只有频率相同的两列光波才能产生干涉B.频率不同的两列光波也能产生干涉现象C.单色光从两个狭缝到达屏上某点的路程差是光波长的奇数倍时出现暗条纹D.单色光从两个狭缝到达屏上某点的路程差是光波长的整数倍时出现亮条纹E.用同一单色光做双缝干涉实验,能观察到明暗相间的不等间距的单色条纹7.如图所示的双缝干涉实验,用绿光照射单缝S时,在光屏P上观察到干涉条纹,要得到相邻条纹间距更大的干涉图样,可以()A.增大S1与S2的间距B.减小双缝屏到光屏的距离C.将绿光换为红光D.将绿光换为紫光8.如图所示为双缝干涉实验中产生的条纹图样:图甲为用绿光进行实验的图样,a为中央亮条纹;图乙为换用另一种单色光进行实验的图样,a′为中央亮条纹.则以下说法正确的是(λ绿>λ红)()A.图乙可能是用红光进行实验产生的条纹,表明红光波长较长B.图乙可能是用紫光进行实验产生的条纹,表明紫光波长较长C.图乙可能是用紫光进行实验产生的条纹,表明紫光波长较短D.图乙可能是用红光进行实验产生的条纹,表明红光波长较短9.用波长为λ的单色光照射单缝O,经过双缝M、N在屏上产生明暗相间的干涉条纹,如图所示,图中a、b、c、d、e为相邻亮条纹的位置,c为中央亮条纹,则()A.O到达a、b的路程差为零B.M、N到达b的路程差为λC.O到达a、c的路程差为4λD.M、N到达e的路程差为2λ11.某同学在做双缝干涉实验时,按装置图安装好实验装置,在光屏上却观察不到干涉图样,这可能是由于()A.光束的中央轴线与遮光筒的轴线不一致,相差较大B.没有安装滤光片C.单缝与双缝不平行D.光源发出的光束太强12.某同学按双缝干涉实验装置安装好仪器后,观察光的干涉现象,获得成功.若他在此基础上对仪器的安装做如下改动,仍能使实验成功的是()A.将遮光筒内的光屏向靠近双缝的方向移动少许,其他不动B.将滤光片移至单缝和双缝之间,其他不动C.将单缝向双缝移动少许,其他不动D.将单缝与双缝的位置互换,其他不动14.在“用双缝干涉测量光的波长”的实验中,装置如图所示.双缝间的距离d=3 mm.(1)若测量红光的波长,应选用________色的滤光片.实验时需要测定的物理量有________和________.(2)若测得双缝与屏之间的距离为0.70 m,通过测量头(与螺旋测微器原理相似,手轮转动一周,分划板前进或后退0.500 mm)观察第1条亮条纹的位置如图甲所示,观察第5条亮条纹的位置如图乙所示.则可求出红光的波长λ=________m.15.用某种单色光做双缝干涉实验时,已知双缝间距离d=0.20mm,双缝到毛玻璃屏间的距离为l=75.0 cm,如图甲所示,实验时先转动如图乙所示的测量头上的手轮,使与游标卡尺相连的分划线对准如图丙所示的第1条亮条纹,此时卡尺的主尺和游标尺的位置如图戊所示,则游标卡尺的读数x1=________ mm,然后再转动手轮,使与游标卡尺相连的分划线向右边移动,直到对准第5条亮条纹,如图丁所示,此时卡尺的主尺和游标尺的位置如图己所示,则游标卡尺的读数x2=________ mm,由以上已知数据和测量数据,可得该单色光的波长是________ mm.(保留2位有效数字)16.在用插针法测定玻璃砖折射率的实验中,甲、乙两位同学在纸上画出的界面aa′、bb′与玻璃砖位置的关系分别如图①、②所示,其中甲同学用的是矩形玻璃砖,乙同学用的是梯形玻璃砖.他们的其他操作均正确,且均以aa′、bb′为界面画光路图,则:甲同学测得的折射率与真实值相比________(填“偏大”“偏小”或“不变”).乙同学测得的折射率与真实值相比________(填“偏大”“偏小”或“不变”).17.在用插针法测定玻璃折射率的实验中,某同学由于没有量角器,他在完成了光路图后,以O点为圆心,10 cm为半径画圆,分别交线段OA于A点,交线段OO′的延长线于C点,过A点作法线NN′的垂线AB交NN′于B点,过C点作法线NN′的垂线CD交NN′于D点,如图所示.用刻度尺量得OB=8 cm,CD=4 cm,由此可得出玻璃砖的折射率n=________.1.D 2.B 3.BD 4.A 5.D 6.AD 7.C 8.A9.BD11. AC 12.ABC14.解析 (1)要测量红光的波长,应用红色滤光片.由Δx =l dλ可知要想测λ必须测定双缝到屏的距离l 和条纹间距Δx .(2)由测量头的数据可知a 1=0,a 2=0.640 mm ,所以Δx =a 2-a 1n -1=0.6404 mm =1.60×10-4 m , λ=d Δx l =3×10-3×1.60×10-40.70m ≈6.86×10-7 m.15.答案 0.3 9.5 6.1×10-4解析 由游标卡尺读数规则读出x 1=0.3 mm ,x 2=9.5 mmΔx =x 2-x 1n -1=9.24 mm =2.3 mm λ=Δx ·d l=2.3×0.20750 mm ≈6.1×10-4 mm.16.答案 偏小 不变解析 用题图①测定折射率时,玻璃砖中折射光线偏折变大了,所以折射角增大,所测折射率减小;用图②测定折射率时,只要操作正确,折射率的测定值与玻璃砖的形状无关.17.答案 1.5解析 由题图可知sin ∠AOB =AB OA ,sin ∠DOC =CD OC ,OA =OC =R ,根据n =sin θ1sin θ2知,n =sin ∠AOB sin ∠DOC =AB CD =102-824=1.5.。
1、(2011全国卷1第16题)雨后太阳光入射到水滴中发生色散而形成彩虹。
设水滴是球形的,图中的圆代表水滴过球心的截面,入射光线在过此截面的平面内,a、b、c、d代表四条不同颜色的出射光线,则它们可能依次是A.紫光、黄光、蓝光和红光B.紫光、蓝光、黄光和红光C.红光、蓝光、黄光和紫光D.红光、黄光、蓝光和紫光2、一半圆柱形透明物体横截面如图所示,地面AOB镀银,O表示半圆截面的圆心,一束光线在横截面内从M点入射,经过AB面反射后从N点射出。
已知光线在M点的入射角为30︒,∠MOA=60︒,∠NOB=30︒。
求(1)光线在M点的折射角(2)透明物体的折射率3、(2011天津第6题)甲、乙两单色光分别通过同一双缝干涉装置得到各自的干涉图样,设相邻两个亮条纹的中心距离为x∆,若x x∆>∆甲乙,则下列说法正确的是A.甲光能发生偏振现象,则乙光不能B.真空中甲光的波长一定大于乙光的波长C.甲光的频率一定大于乙光的频率D.在同一种均匀介质中甲光的传播速度大于乙光4、如图所示,扇形AOB为透明柱状介质的横截面,圆心角∠AOB=60°。
一束平行于角平分线OM的单色光由OA射入介质,经OA折射的光线恰平行于OB。
①求介质的折射率。
②折射光线中恰好射到M点的光线是否发生全反射,并求透光部分对应的弧长5、如图所示的双缝干涉实验,用绿光照射单缝S时,在光屏P上观察到干涉条纹。
要得到相邻条纹间距更大的干涉图样,可以A.增大S1与S2的间距B.减小双缝屏到光屏的距离C.将绿光换为红光D.将绿光换为紫光6、(重庆第18题).在一次讨论中,老师问道:“假如水中相同深度处有a、b、c三种不同颜色的单色点光源,有人在水面上方同等条件下观测发现,b 在水下的像最深,c照亮水面的面积比a的大。
关于这三种光在水中的性质,同学们能做出什么判断?”有同学回答如下:○1c光的频率最大○2a光的传播速度最小○3b光的折射率最大○4a光的波长比b光的短,以上回答正确的是A. ○1○2B. ○1○3C. ○2○4D. ○3○47.下列有关光现象的说法正确的是()A.红光和紫光从真空垂直射入某介质均不偏折,说明此时该介质对二者折射率相同B.以相同入射角从某介质射向空气,若紫光能发生全反射,红光也一定能发生全发射C.在某种透明介质中红光的波长一定大于真空中紫光的波长D.在光的双缝干涉实验中,若仅将入射光由紫光改为红光,则条纹间距一定变大8.把某一直角玻璃棱镜AOB平放在坐标纸上,如图所示,用一细束红光掠过纸面从C点入射,经AO面反射和折射后,反射光线和折射光线与x轴交于D、E两点.已知C、D、E三点的坐标分别为(0,12)、(-9,0)、(16,0)。
光学练习题一、填空题1. 在用钠光(λ = 589.3 nm )照亮的缝S 和双棱镜获得干涉条纹时,将一折射率为1.33的平行平面透明膜插入双棱镜上半棱镜的光路中,如图所示.发现干涉条纹的中心极大(零级)移到原来不放膜时的第五级极大处,则膜厚为________.(1 nm = 10-9 m)8.9 μm参考解: λ5)1(=-d n =-=)1/(5n d λ8.9 μm2. 采用窄带钨丝作为双缝干涉实验的光源.已知与双缝平行的发光钨丝的宽度b = 0.24 mm ,双缝间距d = 0.4 mm .钨丝发的光经滤光片后,得到中心波长为690 nm (1 nm = 10-9m)准单色光.钨丝逐渐向双缝移近,当干涉条纹刚消失时,钨丝到双缝的距离l 是_________. 1.4×102 mm3. 以钠黄光(λ = 589.3 nm )照亮的一条缝作为双缝干涉实验的光源,光源缝到双缝的距离为20 cm ,双缝间距为0.5 mm .使光源的宽度逐渐变大,当干涉条纹刚刚消矢时,光源缝的宽度是_____________.(1nm = 10-9m)0.24 mm参考计算:光源的极限宽度为:mm 24.0(mm)10103.5895.0102039=⨯⨯⨯⨯==-λωd L4. 检验滚珠大小的干涉装置示意如图(a).S 为单色光源,波长为λ,L 为会聚透镜,M 为半透半反镜.在平晶T 1、T 2之间放置A 、B 、C 三个滚珠,其中A 为标准件,直径为d 0.在M 上方观察时,观察到等厚条纹如图(b)所示.若轻压C 端,条纹间距变小,则可算出B 珠的直径d 1=________________;C 珠的直径d 2=________________. d 0, d 0-λ5. 用迈克耳孙干涉仪产生等厚干涉条纹,设入射光的波长为λ ,在反射镜M 2转动过程中,在总的观测区域宽度L 内,观测到总的干涉条纹数从N 1条增加到N 2条.在此过程中M 2转过的角度∆θ 是____________________)(212N N L-λ6. 测量未知单缝宽度a 的一种方法是:用已知波长λ的平行光垂直入射在单缝上,在距单缝的距离为D 处测出衍射花样的中央亮纹宽度为l (实验上应保证D ≈103a ,或D 为几米),则由单缝衍射的原理可标出a 与λ,D ,l 的关系为a =______________________.2λD / l参考解:由sin ϕ = λ / a 和几何图, 有 sin ϕ = l / 2D∴ l / 2D = λ / a =2λD / l7. 在单缝夫琅禾费衍射实验中,用单色光垂直照射,若衍射图样的中央明纹极大光强为I 0,a 为单缝宽度,λ 为入射光波长,则在衍射角θ 方向上的光强度I = __________________.图(b)12λ222220sin )sin (sin λθλθa a I ππ 或写成 220sin u u I I =, λθsin a u π=8. 在双缝衍射实验中,若缝宽a 和两缝中心间距d 满足 d / a = 5,则中心一侧第三级明条纹强度与中央明条纹强度之比I 3﹕I 0 = _____________.0.255[或2)5/35/3sin (ππ]参考解: 5==αβa d , ∴ β = 0,π,2 π,3 π,4 π当 β = 3 π α = 3 π /5 而由光强公式 I 3﹕220)sin (cos ααβ=I =ππ⋅π=22)5/35/3sin ()3(cos 0.2559. 一平面衍射光栅,透光缝宽为a ,光栅常数为d ,且d / a = 5,在单色光垂直入射光栅平面的情况下,若衍射条纹中央零级亮纹的最大强度为I 0,则第一级明纹的最大光强为_______.20)5/5/sin (ππI 或 0.875I 010. 一会聚透镜,直径为 3 cm ,焦距为20 cm .照射光波长550 nm .为了可以分辨,两个远处的点状物体对透镜中心的张角必须不小于_________rad .这时在透镜焦平面上两个衍射图样的中心间的距离不小于_________________ μm . (1 nm = 10-9 m)2.24×10-5,4.4711. 如图所示,一束自然光入射到折射率分别为n 1和n 2的两种介质的交界面上,发生反射和折射.已知反射光是完全偏振光,那么折射角r 的值为_______________________. π / 2-arctg(n 2 / n 1)12. 应用布儒斯特定律可以测介质的折射率.今测得此介质的起偏振角i 0=56.0,这种物质的折射率为_________________. 1.48 二、计算题1. 在双缝干涉实验中,单色光源S 0到两缝S 1和S 2的距离分别为l 1和l 2,并且l 1-l 2=3λ,λ为入射光的波长,双缝之间的距离为d ,双缝到屏幕的距离为D (D >>d ),如图.求: (1) 零级明纹到屏幕中央O 点的距离. (2) 相邻明条纹间的距离.解:(1) 如图,设P 0为零级明纹中心屏则 D O P d r r /012≈- (l 2 +r 2) - (l 1 +r 1) = 0∴ r 2 – r 1 = l 1 – l 2 = 3λ ∴()d D d r r D O P /3/120λ=-=(2) 在屏上距O 点为x 处, 光程差λδ3)/(-≈D dx 明纹条件λδk ±= (k =1,2,....) ()d D k x k /3λλ+±=在此处令k =0,即为(1)的结果.相邻明条纹间距 d D x x x k k /1λ=-=+∆2. 如图所示,把一凸透镜L 切成两半,并稍微拉开一个距离h ,用一小遮光板把其间的缝挡住.将一波长为λ 的单色点光源S 放在轴线O ′O 上,且f O S 2=',f 是透镜的焦距.在透镜后面放一观察屏C ,已知f O O 10='.设x 轴的原点O 点处的光强为I 0.求x 轴上任一点P 点的光强I 随x 而变化的函数关系(即把I 表示成I 0,λ,h ,f 和x 的函数).解:根据几何光学作图法可知点光源S 发出的光束经过上半个透镜L 1和下半个透镜L 2分别折射后所形成的两光束和两个同相位的相干光源S 1和S 2的位置,如图所示.由透镜成像公式 fu 111=+v 和 f u 2= 得 f2=v又因SS 1和SS 2分别通过上下两个半透镜的中心,由图可得1:2:)(:21=+=u u h S S v∴ h S S 221=,且S 1S 2平面与屏的距离= 8f .根据类似双缝干涉的计算可知P 点的光强)21(cos 4)cos 1(22121φφ∆∆=+=I A I其中 θλδλφsin )2(22h π=π=∆f hx f x h λλ428)2(2π≈π≈ ∴ f hx I I λ4cos 421π=.当x = 0时,104I I =. fhx I I λ4cos 20π=.3. 如图所示,用波长为λ= 632.8 nm (1 nm = 10-9m)的单色点光源S 照射厚度为e = 1.00×10-5 m 、折射率为n 2 = 1.50、半径为R = 10.0 cm 的圆形薄膜F ,点光源S 与薄膜F 的垂直距离为d = 10.0 cm ,薄膜放在空气(折射率n 1 = 1.00)中,观察透射光的等倾干涉条纹.问最多能看到几个亮纹?(注:亮斑和亮环都是亮纹).解:对于透射光等倾条纹的第k 级明纹有:λk r e n =cos 22 中心亮斑的干涉级最高,为k ma x ,其r = 0,有: =⨯⨯⨯⨯==--752max 10328.61000.150.122λen k 47.4应取较小的整数,k ma x = 47(能看到的最高干涉级为第47级亮斑).最外面的亮纹干涉级最低,为k min ,相应的入射角为 i m = 45︒(因R =d ),相应的折射S角为r m ,据折射定律有 m m r n i n s i n s i n21= ∴ 50.145sin 00.1sin )sin (sin 1211︒==--m m i n n r = 28.13° 由 λm i n 2c o s 2k r e n m = 得:752m i n10328.613.28cos 1000.150.12cos 2--⨯︒⨯⨯⨯==λmr e n k = 41.8 应取较大的整数,k min = 42(能看到的最低干涉级为第42级亮斑). 3分∴最多能看到6个亮斑(第42,43,44,45,46,47级亮斑).4. 用迈克耳孙干涉仪精密测量长度,光源为Kr 86灯,谱线波长为605.7 nm (橙红色),谱线宽度为0.001 nm ,若仪器可测出十分之一个条纹的变化,求能测出的最小长度和测量量程.(1 nm = 10-9 m)解:每变化一个条纹,干涉仪的动镜移动半个波长,故能测出十分之一个条纹,则能测出长度的最小值为 =⨯λ21)10/1(30.3 nm ,用迈克耳孙干涉仪动镜可以测量的量程为光的相干长度之半==∆λλ/21212c l 18 cm 。
光的干涉1. 在双缝干涉实验中,屏幕E 上的P 点处是明条纹,若将缝 2S 盖住,并在1S 、2S 连线的垂直平分面处放一反射镜M ,如图所示,则此时 (A )P 点处仍为明条纹, (B )P 点处为暗条纹,(C )不能确定P 点处是明条纹还是暗条纹, (D )无干涉条纹。
2. 在双缝干涉实验中,若初级单色光源S 到两缝1S 、2S 距离相等,则观察屏上中央明条纹位于图中O 处,现将光源S 向下微移到图中的S ’位置,则(A )中央明条纹也向下移动,且条纹间距不变, (B )中央明条纹向上移动,且条纹间距不变, (C )中央明条纹向下移动,且条纹间距增大, (D )中央明条纹向上移动,且条纹间距增大。
3.在一双缝装置的两个缝分别被折射率为1n 和2n 的两块厚度均为e 的透明介质所遮盖,此时由双缝分别到屏上原中央极大所在处的两束光的光程差δ= 。
4.在双缝干涉实验中S 1S =S 2S ,用波长为λ的光照射双缝1S 和2S ,通过空气后在屏幕E 上形成干涉条纹,已知屏幕上P 点处为第三级明条纹,则1S 和2S 到P 点的光程差为 ,若将整个装置放于某种透明液体中,P 点为第四级明条纹,则该液体的折射率n = 。
5.杨氏双缝间距d =0.5mm ,缝与屏相距D =50cm ,若以白光入射,(1)分别求白光中A 40001=λ和A 60002=λ的两种光各自的条纹间距。
(2)这两种波长的干涉明纹在1λ的第几级明纹处发生第一次重叠? (3)重叠处距中央明纹多远?6.白色平行光垂直入射到间距为a=0.25mm的双缝上,距缝50cm处放置屏幕,分别求第一级和第五级明纹彩色带的宽度。
(设白光的波长范围是从4000埃到7600埃。
这里说的“彩色带宽度”指两个极端波长的同级明纹中心的距离)7.用cm 5106-⨯=λ的光入射杨氏双缝,光屏上P 点为第五级明纹位置,现将n =1.5的玻璃片垂直插入从1S 发出的光束的途中,则P 点变为中央明纹位置,求玻璃片的厚度。
2023年中考物理二轮专题复习:《光学》实验题姓名:___________班级:___________考号:___________1.小华所在小组先后完成了以下两个光学实验,如图甲用其中一面镀膜的茶色玻璃板和两个完全相同的棋子A和棋子B,在水平桌面上探究平面镜成像的特点;如图乙在水平放置的平面镜上方竖直放一光屏,光屏由可以绕ON折转的E、F两块白板组成,探究光的反射规律:(1)在探究平面镜成像特点过程中:①实验环境有:A.几乎无光的实验室;B.有光的实验室,小华完成第一个实验,应选择______(选填“A”或“B”)中进行实验效果较好;②实验中,她在玻璃板前放置棋子A,将棋子B放在玻璃板后并移动,直到B和A的像完全重合,这说明____ __;若在水平桌面上无论怎样移动B,也不能使B与A的像完全重合,原因可能是____ __;(2)在探究光的反射规律过程中:如图乙中,E、F在同一平面上,让光线沿纸板E上的AO射向镜面,则在纸板F上得到沿OB的反射光线,在纸板前的不同位置都能看到光线,是因为光在纸板上发生了______,在实验过程中,若将纸板倾斜(即纸板与平面镜不垂直),如图丙所示,让光线仍贴着纸板沿AO方向射向镜面,此时纸板F上______(选填“能”或“不能”)看到反射光线,反射光线与入射光线______(选填“在”或“不在”)同一平面内。
2.如图所示是小明同学探究“光的反射规律”的实验装置。
他把平面镜平放在水平桌面上,白色硬纸板竖直立在平面镜上。
(1)图甲中,入射光线EO的反射角为______度。
(2)白色硬纸板在实验中的作用是____ __(写出一条即可)。
(3)为了完成“探究光的反射规律”的实验,小明的下列做法正确的是______。
A.为了研究“光在反射时可逆”,应进行的操作是改变光线OB与法线ON的夹角B.为了研究“反射角与入射角的关系”,应进行的操作是让另一束光从BO入射C.在完成了图甲实验后,如果沿ON向后转动纸板FON,此时反射光线不存在D.为了便于测量和探究,需及时地在纸板上记录入射光AO和反射光OB的径迹(4)图乙为自行车尾灯结构示意图,请在图丙中画出这条光线的反射光线。
光学练习题一、填空题1. 在用钠光(λ = 589.3 nm )照亮的缝S 和双棱镜获得干涉条纹时,将一折射率为1.33的平行平面透明膜插入双棱镜上半棱镜的光路中,如图所示.发现干涉条纹的中心极大(零级)移到原来不放膜时的第五级极大处,则膜厚为________.(1 nm = 10-9 m)8.9 μm参考解: λ5)1(=-d n =-=)1/(5n d λ8.9 μm2. 采用窄带钨丝作为双缝干涉实验的光源.已知与双缝平行的发光钨丝的宽度b = 0.24 mm ,双缝间距d = 0.4 mm .钨丝发的光经滤光片后,得到中心波长为690 nm (1 nm = 10-9m)准单色光.钨丝逐渐向双缝移近,当干涉条纹刚消失时,钨丝到双缝的距离l 是_________. 1.4×102 mm3. 以钠黄光(λ = 589.3 nm )照亮的一条缝作为双缝干涉实验的光源,光源缝到双缝的距离为20 cm ,双缝间距为0.5 mm .使光源的宽度逐渐变大,当干涉条纹刚刚消矢时,光源缝的宽度是_____________.(1nm = 10-9m)0.24 mm参考计算:光源的极限宽度为:mm 24.0(mm)10103.5895.0102039=⨯⨯⨯⨯==-λωd L4. 检验滚珠大小的干涉装置示意如图(a).S 为单色光源,波长为λ,L 为会聚透镜,M 为半透半反镜.在平晶T 1、T 2之间放置A 、B 、C 三个滚珠,其中A 为标准件,直径为d 0.在M 上方观察时,观察到等厚条纹如图(b)所示.若轻压C 端,条纹间距变小,则可算出B 珠的直径d 1=________________;C 珠的直径d 2=________________. d 0, d 0-λ5. 用迈克耳孙干涉仪产生等厚干涉条纹,设入射光的波长为λ ,在反射镜M 2转动过程中,在总的观测区域宽度L 内,观测到总的干涉条纹数从N 1条增加到N 2条.在此过程中M 2转过的角度∆θ 是____________________)(212N N L-λ6. 测量未知单缝宽度a 的一种方法是:用已知波长λ的平行光垂直入射在单缝上,在距单缝的距离为D 处测出衍射花样的中央亮纹宽度为l (实验上应保证D ≈103a ,或D 为几米),则由单缝衍射的原理可标出a 与λ,D ,l 的关系为a =______________________.2λD / l参考解:由sin ϕ = λ / a 和几何图, 有 sin ϕ = l / 2D∴ l / 2D = λ / a =2λD / l图(b)12λ7. 在单缝夫琅禾费衍射实验中,用单色光垂直照射,若衍射图样的中央明纹极大光强为I 0,a 为单缝宽度,λ 为入射光波长,则在衍射角θ 方向上的光强度I = __________________.222220sin )sin (sin λθλθa a I ππ 或写成 220sin u u I I =, λθsin a u π=8. 在双缝衍射实验中,若缝宽a 和两缝中心间距d 满足 d / a = 5,则中心一侧第三级明条纹强度与中央明条纹强度之比I 3﹕I 0 = _____________.0.255[或2)5/35/3sin (ππ]参考解: 5==αβa d , ∴ β = 0,π,2 π,3 π,4 π当 β = 3 π α = 3 π /5 而由光强公式 I 3﹕220)sin (cos ααβ=I =ππ⋅π=22)5/35/3sin ()3(cos 0.2559. 一平面衍射光栅,透光缝宽为a ,光栅常数为d ,且d / a = 5,在单色光垂直入射光栅平面的情况下,若衍射条纹中央零级亮纹的最大强度为I 0,则第一级明纹的最大光强为_______.20)5/5/sin (ππI 或 0.875I 010. 一会聚透镜,直径为 3 cm ,焦距为20 cm .照射光波长550 nm .为了可以分辨,两个远处的点状物体对透镜中心的张角必须不小于_________rad .这时在透镜焦平面上两个衍射图样的中心间的距离不小于_________________ μm . (1 nm = 10-9 m)2.24×10-5,4.4711. 如图所示,一束自然光入射到折射率分别为n 1和n 2的两种介质的交界面上,发生反射和折射.已知反射光是完全偏振光,那么折射角r 的值为_______________________. π / 2-arctg(n 2 / n 1)12. 应用布儒斯特定律可以测介质的折射率.今测得此介质的起偏振角i 0=56.0,这种物质的折射率为_________________. 1.48 二、计算题1. 在双缝干涉实验中,单色光源S 0到两缝S 1和S 2的距离分别为l 1和l 2,并且l 1-l 2=3λ,λ为入射光的波长,双缝之间的距离为d ,双缝到屏幕的距离为D (D >>d ),如图.求: (1) 零级明纹到屏幕中央O 点的距离. (2) 相邻明条纹间的距离.解:(1) 如图,设P 0为零级明纹中心屏则 D O P d r r /012≈- (l 2 +r 2) - (l 1 +r 1) = 0∴ r 2 – r 1 = l 1 – l 2 = 3λ ∴()d D d r r D O P /3/120λ=-=(2) 在屏上距O 点为x 处, 光程差λδ3)/(-≈D dx 明纹条件λδk ±= (k =1,2,....) ()d D k x k /3λλ+±=在此处令k =0,即为(1)的结果.相邻明条纹间距 d D x x x k k /1λ=-=+∆2. 如图所示,把一凸透镜L 切成两半,并稍微拉开一个距离h ,用一小遮光板把其间的缝挡住.将一波长为λ 的单色点光源S 放在轴线O ′O 上,且f O S 2=',f 是透镜的焦距.在透镜后面放一观察屏C ,已知f O O 10='.设x 轴的原点O 点处的光强为I 0.求x 轴上任一点P 点的光强I 随x 而变化的函数关系(即把I 表示成I 0,λ,h ,f 和x 的函数).解:根据几何光学作图法可知点光源S 发出的光束经过上半个透镜L 1和下半个透镜L 2分别折射后所形成的两光束和两个同相位的相干光源S 1和S 2的位置,如图所示.由透镜成像公式 fu 111=+v 和 f u 2= 得 f2=v又因SS 1和SS 2分别通过上下两个半透镜的中心,由图可得1:2:)(:21=+=u u h S S v∴ h S S 221=,且S 1S 2平面与屏的距离= 8f .根据类似双缝干涉的计算可知P 点的光强)21(cos 4)cos 1(22121φφ∆∆=+=I A I其中 θλδλφsin )2(22h π=π=∆f hx f x h λλ428)2(2π≈π≈ ∴ f hx I I λ4cos 421π=.当x = 0时,104I I =. fhx I I λ4cos 20π=.3. 如图所示,用波长为λ= 632.8 nm (1 nm = 10-9m)的单色点光源S 照射厚度为e = 1.00×10-5 m 、折射率为n 2 = 1.50、半径为R = 10.0 cm 的圆形薄膜F ,点光源S 与薄膜F 的垂直距离为d = 10.0 cm ,薄膜放在空气(折射率n 1 = 1.00)中,观察透射光的等倾干涉条纹.问最多能看到几个亮纹?(注:亮斑和亮环都是亮纹).解:对于透射光等倾条纹的第k 级明纹有:λk r e n =cos 22 中心亮斑的干涉级最高,为k ma x ,其r = 0,有:S=⨯⨯⨯⨯==--752max 10328.61000.150.122λen k 47.4应取较小的整数,k ma x = 47(能看到的最高干涉级为第47级亮斑).最外面的亮纹干涉级最低,为k min ,相应的入射角为 i m = 45︒(因R =d ),相应的折射角为r m ,据折射定律有 m m r n i n s i n s i n21= ∴ 50.145sin 00.1sin )sin (sin 1211︒==--m m i n n r = 28.13° 由 λm i n 2c o s 2k r e n m = 得:752m i n10328.613.28cos 1000.150.12cos 2--⨯︒⨯⨯⨯==λmr e n k = 41.8应取较大的整数,k min = 42(能看到的最低干涉级为第42级亮斑). 3分∴最多能看到6个亮斑(第42,43,44,45,46,47级亮斑).4. 用迈克耳孙干涉仪精密测量长度,光源为Kr 86灯,谱线波长为605.7 nm (橙红色),谱线宽度为0.001 nm ,若仪器可测出十分之一个条纹的变化,求能测出的最小长度和测量量程.(1 nm = 10-9 m)解:每变化一个条纹,干涉仪的动镜移动半个波长,故能测出十分之一个条纹,则能测出长度的最小值为 =⨯λ21)10/1(30.3 nm ,用迈克耳孙干涉仪动镜可以测量的量程为光的相干长度之半==∆λλ/21212c l 18 cm 。
5. 一双缝,缝距d =0.40 mm ,两缝宽度都是a =0.080 mm ,用波长为λ=480 nm (1 nm = 10-9 m) 的平行光垂直照射双缝,在双缝后放一焦距f =2.0 m 的透镜求: (1) 在透镜焦平面处的屏上,双缝干涉条纹的间距l ;(2) 在单缝衍射中央亮纹范围内的双缝干涉亮纹数目N 和相应的级数.解:双缝干涉条纹:(1) 第k 级亮纹条件: d sin θ =k λ第k 级亮条纹位置:x k = f tg θ ≈f sin θ ≈kf λ / d相邻两亮纹的间距:∆x = x k +1-x k =(k +1)f λ / d -kf λ / d =f λ / d =2.4×10-3 m=2.4 mm(2) 单缝衍射第一暗纹: a sin θ1 = λ∆x 0 = f tg θ1≈f sin θ1≈f λ / a =12 mm ∆x 0 / ∆x =5 ∴ 双缝干涉第±5极主级大缺级.∴ 在单缝衍射中央亮纹范围内,双缝干涉亮纹数目N = 9 分别为 k = 0,±1,±2,±3,±4级亮纹或根据d / a = 5指出双缝干涉缺第±5级主大,同样得该结论的3分.6. 一平面透射多缝光栅,当用波长λ1 = 600 nm (1 nm = 10-9 m)的单色平行光垂直入射时,在衍射角θ = 30°的方向上可以看到第2∆λ = 5×10-3nm 的两条谱线.当用波长λ2 =400 nm 的单色平行光垂直入射时,在衍射角θ = 30°的方向上却看不到本应出现的第3级主极大.求光栅常数d 和总缝数N ,再求可能的缝宽a .解:据光栅公式 λψk d =sin得: =︒⨯==30sin 6002sin ψλk d 2.4×103 nm = 2.4 μm 据光栅分辨本领公式 kN R ==∆λλ/得: ==∆λλk N 60000. 在θ = 30°的方向上,波长λ2 = 400 nm 的第3级主极大缺级,因而在此处恰好是波长λ2的单缝衍射的一个极小,因此有:2330sin λ=︒d ,230sin λk a '=︒ ∴ a=k 'd / 3, k ' =1或2缝宽a 有下列两种可能: 当 k ' =1 时, 4.23131⨯==d a μm = 0.8 μm . 当 k ' =2时, a =2×d /3 = 2×2.4 /3 μm = 1.6 μm .7. 钠( Na )蒸汽灯中的黄光垂直入射于一光栅上.此黄光系由波长为589.00 nm 与589.59 nm 的两根靠得很近的谱线(钠双线)所组成.如在第三级光谱中刚能分辨得出这两条谱线,光栅需要有多少条刻线? (1 nm = 10-9 m)解:根据光栅的分辨本领R 与条纹级次k 和光栅刻线总数N 的关系式kN R ==∆λλ得==∆λλk N 1333,上式中取λ = 589.30 nm ,为平均波长.8. 一光源含有氢原子与它的同位素氘原子的混合物,这光源发射的光中有两条红线在波长λ= 656.3 nm (1 nm = 10-9 m)处,两条谱线的波长间隔∆λ = 0.18 nm .今要用一光栅在第一级光谱中把这两条谱线分辨出来,试求此光栅所需要的最小缝数.解:光栅的分辨本领R 与光栅狭缝总数N 和光栅光谱的级数k 有关. 光栅分辨本领公式为 R = λ / ∆λ = kN =⨯==∆18.013.656λλk N 3646条9. 一光束由强度相同的自然光和线偏振光混合而成.此光束垂直入射到几个叠在一起的偏振片上.(1) 欲使最后出射光振动方向垂直于原来入射光中线偏振光的振动方向,并且入射光中两种成分的光的出射光强相等,至少需要几个偏振片?它们的偏振化方向应如何放置? (2) 这种情况下最后出射光强与入射光强的比值是多少?解:设入射光中两种成分的强度都是I 0,总强度为2 I 0.(1) 通过第一个偏振片后,原自然光变为线偏振光,强度为I 0 / 2, 原线偏振光部分强度变为I 0 cos 2θ,其中θ为入射线偏振光振动方向与偏振片偏振化方向P 1的夹角.以上两部分透射光的振动方向都与P 1一致.如果二者相等,则以后不论再穿过几个偏振片,都维持强度相等(如果二者强度不相等,则以后出射强度也不相等).因此,必须有P 1P 245°45°EI 0 / 2=I 0 cos 2 θ,得θ=45︒.为了满足线偏振部分振动方向在出射后“转过”90︒,只要最后一个偏振片 偏振化方向与入射线偏振方向夹角为90︒就行了.综上所述,只要两个偏振片就行了(只有一个偏振片不可能将振动方向“转过”90︒).配置如图,E表示入射光中线偏振部分的振动方向,P 1、P 2分别是第一、第二偏振片的偏振化方向(2) 出射强度I 2=(1/2)I 0 cos 2 45︒+I 0 cos 4 45︒ =I 0 [(1 / 4)+(1 / 4)]=I 0/2 比值 I 2/(2I 0)=1 / 410. 有一平面玻璃板放在水中,板面与水面夹角为θ (见图).设水和玻璃的折射率分别为1.333和1.517.已知图中水面的反射光是完全偏振光,欲使玻璃板面的反射光也是完全偏振光,θ 角应是多大?解:由题可知i 1和i 2应为相应的布儒斯特角,由布儒斯特定律知 tg i 1= n 1=1.33; tg i 2=n 2 / n 1=1.57 / 1.333, 由此得 i 1=53.12°, i 2=48.69°. 由△ABC 可得 θ+(π / 2+r )+(π / 2-i 2)=π 整理得 θ=i 2-r由布儒斯特定律可知,r =π / 2-i 1 将r 代入上式得θ=i 1+i 2-π / 2=53.12°+48.69°-90°=11.8°。