光子学与光电子学 原荣邱琪 习题题解

硕士1001班信息光电子技术内部资料，仅供参考。

1光子具有极高的信息容量和效率，极快的响应能力，极强的互连能力与并行能力，极大的存储能力。

光子静止质量为零，但是可以传输电磁能和动能，也可以传输偏振特性。

光子在真空中以光速传播，在其他介质中速度会有所减小。

光子没有自旋,电子有自旋.电子是费米子，带基本电荷，具有空间局域性。

它可以是信息的载体，也可以是能量的载体。

作为信息载体时，可以通过金属导线或无线电波在自由空间进行传递。

电载信息的主要储存方式为磁储存。

光子是玻色子，电中性，没有空间局域性而具有时间可逆性。

它可以是信息的载体，也可以是能量的载体。

作为信息载体时，可以通过光纤（光缆）或自由空间进行传递，光载信息的主要存储方式为光储存。

光子具有的优异特性：光子具有极高的信息容量和效率，光子具有极快的响应能力，具有极强的互连能力与并行能力，光子具有极大的存储能力。

2、为什么说光波是理想的信息载体，光纤是理想光信息传输介质？->发送信号的频率越高（波长越短），可载送的信息量就越多.光波范围包括红外线、可见光、紫外线，波长范围为300um~6*10-3um，光波的波长远远比无线电波波长短，所以目前可以认为光波是理想的信息载体。

->光纤是理想的光信息传输介质：1.传输频带宽，通信容量大。

2.信息传输的损耗小，容易实现长中继距离的传输。

3．可用光纤作为传输，介质损耗小（可达到0.2dB/km），传输速率大（50Tbit/s）。

3、描述半导体激光器激光产生的过程。

半导体激光器的材料应如何选择？首先，由外界的泵浦作用使增益介质处于激发态；然后，自发辐射开始发生，产生一系列具有不同波长的光子源；有些光子经过频率选择并获得了反馈，重新进入增益介质；这些被反馈会回来的光子会使处于激发态的增益介质受激跃迁，并发生受激辐射，产生更多与之相同的光子；上述过程反复发生，直到激光器中只有经过选频的频率和增益大于损耗的光频率存在。

1. 一氦氖激光器，发射波长为6.328710-⨯m 的激光束，辐射量为5mW ，光束的发散角为1.0310-⨯rad ，求此激光束的光通量及发光强度。

又此激光器输出光束的截面（即放电毛细管的截面）直径为1mm ，求其亮度。

解：波长632.8nm 的光的视见函数值为=)(λV 0.238，W lm K m /683=则其激光束的光通量为：e m v V K Φ⨯⨯=Φ)(λ=683⨯⨯238.05310-⨯=0.813lm1弧度 = 1单位弧长/1单位半径, 1立体角=以该弧长为直径的圆面积/1单位半径的值的平方，则光束的发散角为1.0310-⨯rad 时的立体角为24απ=Ω=23)100.1(4-⨯⨯π=0.79610-⨯sr发光强度为：cd I vv 610035.1⨯=ΩΦ=亮度为：2cos rIA I L v v v πθ=•==1.318212/10m cd ⨯2．已知氦氖激光器输出的激光束束腰半径为0.5mm ，波长为632.8nm ，在离束腰100mm 处放置一个倒置的伽利略望远系统对激光束进行准直与扩束，伽利略望远系统的目镜焦距mm f e 10-='，物镜焦距mm f o 100='，试求经伽利略望远系统变换后激光束束腰大小、位置、激光束的发散角和准直倍率。

解：已知束腰半径010.5w mm =，632.8nm λ=，束腰到目镜的距离为1100z mm =∴可以求得目镜前主平面上的截面半径210.50.502w w mm === 波阵曲面的曲率半径：2201221161 3.140.5(1())100(+())=-15488.857mm 100632.810w R z z πλ-⨯=+=-⨯-⨯⨯1''11111R R f -= ∴将115488.857mm R =-，'10f mm =-带入得'1R ：''111111115488.85710R R f =+=+-- ∴'19.99R mm =-由于'110.502w w mm ==，所以根据'1w 和'1R 可以求出目镜后射出的光束的束腰位置'1z 和束精品word 完整版-行业资料分享腰半径02w ：'1020.00398w mm ==='2'1'1'6122219.99z 9.99632.810(9.99)1()1()3.140.502R mm R w λπ--===-⨯⨯-++⨯入射光束束腰离物镜距离为mm d z z 99.99)10100(99.912-=---=-'=由2z 和02w 可以求出物镜前主面上的光束截面半径2w 和波面半径2R ：20.00398 5.063w w mm ===2202222262 3.140.00398(1())99.99(+())=-99.99mm 99.99632.810w R z z πλ-⨯=+=-⨯-⨯⨯1 对光束进行物镜变换，求出物镜后主面上的光束截面半径'2w 和波面半径'2R ：'22 5.063w w mm ==''221111199.99100R R f =+=+- '2999900R mm =-由'2w 和'2R 可知：求出最后的束腰位置'2z 和束腰半径03w ：'2'2'2'622222999900z 15923.18632.810(999900)1()1()3.14 5.063R mm R w λπ--===-⨯⨯-++⨯'203 5.023w mm ===扩束后远场发散角：-6''-503632.810=4.01103.14 5.023rad w λθπ⨯==⨯⨯入射时的发散角：-6-40632.810=4.03103.140.5rad w λθπ⨯==⨯⨯所以激光束的准直倍率为：4''54.031010.054.0110T θθ--⨯===⨯ 3. 为使氦氖激光器的相干长度达到1km,它的单色性λλ∆是多少?解: 氦氖激光器的光波长为632.8nm 。

微纳光电子学一、课程说明课程编号：140510Z10课程名称：微纳光电子学/ Micro- and Nano- Optoelectronics课程类别：专业核心课程学时/学分：48/3先修课程：固体物理、信息光学、光电子技术适用专业：光电信息科学与工程教材、教学参考书：1．原荣，邱琪编著.光子学与光电子学.北京: 机械工业出版社.2014年;2. 傅竹西编著.固体光电子学.合肥: 中国科学技术大学出版社(第2版).2012年;3. 周治平著.硅基光电子学.北京: 北京大学出版社.2012年;4. 刘旭等编著.光电子学.杭州: 浙江大学出版社.2014年。

二、课程设置的目的意义光子学、光电子学、和光电子技术是目前信息时代不可或缺的关键技术，产生了大量的光与电相结合的新型器件如手机、电脑、激光雷达、导航设备、光电探测器、太阳能电池等等，不一而足，为人们的生活和工作提供了极大的便利。

光子与电子的结合与相互调制是今后信息技术发展的一个重要方向，特别是由于半导体技术和微纳制作技术的兴起，光电子器件朝功能更强、尺寸更小的方向发展。

本课程重点讲述特征尺寸在微米或纳米级别的光与电相结合的新型光电子器件及其原理，结构、和应用等，使光电信息科学与工程等专业的学生能够了解和掌握有关微纳光电子学方面的最新进展和知识，为更好地适应以后相关的学习深造和研发工作打下坚实的专业基础。

三、课程的基本要求知识：本课程从光学原理如光的传播、干涉、衍射、偏振、双折射、光电效应、电光效应、非线性效应等出发，重点讲述所涉及到的当前微纳光电子学领域基本的、主要的、常用的器件，如波导、半导体激光器、滤波器、调制器、探测器、CCD、探测器等的原理、结构、及应用等。

能力：要求学生学习这些器件的基本结构、工作原理、主要特性及应用等知识时，不仅需了解微纳光电子器件的基本知识，还要能够举一反三、触类旁通、和具备进一步深入学习、研究及设计微纳光电子器件的能力，并能将器件知识与实际应用相结合。

2024届辽宁省协作校高三下学期第一次模拟考试全真演练物理试题（基础必刷）学校：_______ 班级：__________姓名：_______ 考号：__________（满分：100分时间：75分钟）总分栏题号一二三四五六七总分得分评卷人得分一、单项选择题（本题包含8小题，每小题4分，共32分。

在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的）(共8题)第(1)题一列简谐横波沿x轴传播，图（a）是t＝1.0s时的波形图，图（b）是x＝3.0m处质点的振动图像，a、b两质点在x轴上平衡位置分别为x a＝0.5m、x b＝2.5m，下列说法正确的是（ ）A．波沿x轴正方向传播B．波的传播速度为0.5m/sC．t＝1.0s时，a、b两质点加速度方向相反D．从t＝1.0s到t＝1.5s，质点a的路程10cm第(2)题图甲是研究光电效应的电路图，逸出功为2.25eV的金属为K极，图乙为氢原子能级图（巴耳末系的四种可见光，是分别从、4、5、6能级跃迁到能级产生的）。

下列说法正确的是（ ）A．仅将P移至C端，电流表示数一定变为0B．氢原子从基态跃迁到激发态，电子的动能增大C．上述的四种可见光只有一种不能让图甲中的K极金属发生光电效应D．处在能级的氢原子不能吸收动能为2.75eV的自由电子而向高能级跃迁第(3)题研究光电效应电路如图所示。

用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板（阴极K），钠极板发射出的光电子被阳极A吸收，在电路中形成光电流。

下列光电流I与A、K之间的电压的关系图象中，正确的是___________。

A．B．C．D．第(4)题声呐是利用声波在水中的传播和反射特性，通过电声转换和信息处理对水下目标进行探测和通讯的电子设备，现代军舰多利用声呐探测水下目标。

图甲是某舰搭载的声呐发出的一列超声波在时刻的波形图，图乙是质点P的振动图像，则下列说法正确的是（ ）A．超声波遇到大尺寸障碍物可以发生明显的衍射现象B．舰艇远离静止的障碍物时，障碍物接收到超声波的频率大于声呐发出的超声波的频率C．超声波沿x轴负方向传播，波速为D ．平衡位置在坐标原点的质点在时的位移为第(5)题在同一直线上的A、B两个高铁实验站台之间的距离为s，某次实验中一列实验高铁沿轨道由静止从A出发驶向B，高铁先以大小为a的加速度匀加速运动一段时间，接着以大小为2a的加速度匀减速运动，到达B时速度恰好为零，该过程中高铁的最大速度为（ ）A．B．C．D．第(6)题一列简谐横波沿x轴正方向传播，某时刻的波形如图所示，则从此刻开始，介质中质点P的加速度a随时间t变化的图像为（ ）A．B．C．D．第(7)题大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电。

第一章1. 设在半径为R c 的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l 0处有一个辐射强度为I e 的点源S ，如图所示。

试计算该点源发射到盘圆的辐射功率。

解：因为ΩΦd d ee I =， 且 ()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=-===Ω⎰22000212cos 12sin c R R l l d d rdSd c πθπϕθθ 所以⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=Ω=Φ220012c e e e R l l I d I π2. 如图所示，设小面源的面积为∆A s ，辐射亮度为L e ，面源法线与l 0的夹角为θs ；被照面的面积为∆A c ，到面源∆A s 的距离为l 0。

若θc 为辐射在被照面∆A c 的入射角，试计算小面源在∆A c 上产生的辐射照度。

解：亮度定义:r r ee A dI L θ∆cos =强度定义:ΩΦ=d d I ee可得辐射通量：Ω∆=Φd A L d s s e e θcos在给定方向上立体角为：20cos l A d c c θ∆=Ω则在小面源在∆A c 上辐射照度为：20cos cos l A L dA d E cs s e e e θθ∆=Φ=3.假如有一个按朗伯余弦定律发射辐射的大扩展源（如红外装置面对的天空背景），其各处的辐亮度L e 均相同，试计算该扩展源在面积为A d 的探测器表面上产生的辐照度。

答：由θcos dA d d L e ΩΦ=得θcos dA d L d e Ω=Φ，且()22cos rl A d d +=Ωθ 则辐照度：()e e e L d rlrdrl L E πθπ=+=⎰⎰∞20022224. 霓虹灯发的光是热辐射吗？l 0SR c第1.1题图L e ∆A s ∆A cl 0 θsθc第1.2题图不是热辐射。

霓虹灯发的光是电致发光，在两端放置有电极的真空充入氖或氩等惰性气体，当两极间的电压增加到一定数值时，气体中的原子或离子受到被电场加速的电子的轰击，使原子中的电子受到激发。

第三章习题解答3-1 电子的能量分别为10eV 10eV、、100eV 和1000eV 时，试计算其相应的德布罗意波长。

长。

解：根据公式22kh hc p mc E l ==代入相关数据10eV 10eV、、100eV 100eV、、1 000eV 得6124020.51110keV nmE l=×´´因此有：（1）当1 1.26610,0.3910K E eV nm eV l ===时 （2）当1 1.266100,0.123100K E eV nm eV l ===时 （3）当1 1.2661000,0.0391000K E eV nm eVl ===时3-23-2 设光子和电子的波长均为0.4nm 0.4nm，试问（，试问（，试问（11）光子的动量与电子的动量之比是多少？（比是多少？（22）光子的动能与电子的动能之比是多少？）光子的动能与电子的动能之比是多少？解：由题意知由题意知光子的动量光子的动量h p l= ， 光子的能量cE h h n l==电子的动量电子的动量 h p l= ， 电子的能量2e E m c = \（1） 121pp =（2） 126212400.0610.40.40.40.51110e e E h hc eV nm E m c m c eV nm ×====´´×3-33-3 若一个电子的动能等于它的静止能量，若一个电子的动能等于它的静止能量，试求：试求：（1）该电子的速度为多大？（2）其相应的德布罗意波长是多少？）其相应的德布罗意波长是多少？解：（1）相对论给出运动物体的动能为：）相对论给出运动物体的动能为：20()k E m m c =-，而现在题设条件给出20k E m c =故有故有2200()m c m m c \=-由此推得000222211m m m m vc b===--22330.86644v v c c c\=Þ== （2）03hp m cl ==20 1.240.001433 5.11hcnm nm m c l \===´3-43-4 把热中子窄束射到晶体上，由布喇格衍射图样可以求得热中子的能量。

《激光原理》习题解答第一章习题解答1 为了使氦氖激光器的相干长度达到1KM ，它的单色性0λλ∆应为多少？解答：设相干时间为τ，则相干长度为光速与相干时间的乘积，即c L c ⋅=τ根据相干时间和谱线宽度的关系cL c ==∆τν1又因为γνλλ∆=∆，0λνc=，nm 8.6320=λ由以上各关系及数据可以得到如下形式： 单色性=ννλλ∆=∆=c L 0λ=101210328.61018.632-⨯=⨯nmnm解答完毕。

2 如果激光器和微波激射器分别在10μｍ、500nm 和Z MH 3000=γ输出1瓦连续功率，问每秒钟从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少。

解答：功率是单位时间内输出的能量，因此，我们设在dt 时间内输出的能量为dE ，则 功率=dE/dt激光或微波激射器输出的能量就是电磁波与普朗克常数的乘积，即d νnh E =，其中n 为dt 时间内输出的光子数目，这些光子数就等于腔内处在高能级的激发粒子在dt 时间辐射跃迁到低能级的数目（能级间的频率为ν）。

由以上分析可以得到如下的形式：ννh dth dE n ⨯==功率 每秒钟发射的光子数目为：N=n/dt,带入上式，得到：()()()13410626.61--⨯⋅⨯====s s J h dt n N s J νν功率每秒钟发射的光子数根据题中给出的数据可知：z H mms c13618111031010103⨯=⨯⨯==--λν z H mms c1591822105.110500103⨯=⨯⨯==--λν z H 63103000⨯=ν把三个数据带入，得到如下结果：19110031.5⨯=N ，182105.2⨯=N ，23310031.5⨯=N3 设一对激光能级为E1和E2（f1=f2），相应的频率为ν（波长为λ），能级上的粒子数密度分别为n2和n1，求(a)当ν=3000兆赫兹，T=300K 的时候，n2/n1=? (b)当λ=1μm ，T=300K 的时候，n2/n1=? (c)当λ=1μm ，n2/n1=0.1时，温度T=？解答:在热平衡下，能级的粒子数按波尔兹曼统计分布，即：TK E E T k h f f n n b b )(expexp 121212--=-=ν（统计权重21f f =） 其中1231038062.1--⨯=JK k b为波尔兹曼常数，T 为热力学温度。

专题14光学B.换用红色激光照双缝增大纸板与墙面的距离D.减小光源与纸板的距离C.甲中光线的传播速度大 D.甲临界角大，根据折射定律可知>n n 甲乙，故甲浓度大；根据可知折射率越大临界角越小，故甲临界角小。

故选B.滚珠b、c均不合格D.滚珠b不合格，滚珠c合格单色平行光垂直照射平板玻璃，上、下玻璃上表面的反射光在上玻璃上表面发生干涉，点B.θ逐渐增大时，红光的全反射现象先消失面发生全反射D.θ逐渐减小时，两束光在【解析】红光的频率比绿光的频率小，则红光的折射率小于绿光的折射率，在A．光屏上相邻两条亮条纹的中心间距为2l aλB．光屏上相邻两条暗条纹的中心间距为l aλn 的蔗糖溶液中此时单色光的波长变为D．若将整套装置完全浸入某种透明溶液中，光屏上相邻两条亮条纹的中心间距为θ=︒，光线c消失B．若45D．若入射光a变为紫光，光线【解析】根据几何关系可知从材料内发生折射时光线的折射角为6011<H光的中央明条纹宽度宽照射同一单缝衍射装置，δH光的侧移量小以相同的入射角斜射入同一平行玻璃砖，δ向左略微平移平面镜，干涉条纹不移动向右略微平移平面镜，干涉条纹间距减小向右略微平移平面镜，干涉条纹间距不变向左略微平移平面镜，干涉条纹向A处移动发出的光与通过平面镜反射光（可以等效成虚像S′发出的光）是同一列光分成的，满足相干光条件。

所以实验中的相干光源之一是通过平面镜反射的光，且该干涉可看成双缝干涉，设，代入双缝干涉公式lxdλ∆=，可得2lxλ∆=向左）略微平移平面镜，对l和d均没有影响，则干涉条纹间距不变，也不错误；同理再次画出光路图有向右略微平移平面镜，即图中从①位置→②位置，由图可看出双缝的间距增大，则干涉条纹间距减小，向左略微平移平面镜，即图中从②位置→①位置，由图可看出干涉条纹向上移动，故某同学通过双缝干涉实验测量单色光的波长，包括毛玻璃、游标尺、分划板、手轮、目镜等。

该同学调整好实验装置后，分别用红色、绿色滤光片，对干涉条纹进行测量，并记录第一条和第六条亮纹中心位置对应的游标尺读数，如表所示：单色光类别1/mm x 6/mm x 单色光110.6018.64①平铺白纸，用铅笔画两条互相垂直的直线AA'和BB'，交点为O。

光电子学与光子学的原理及应用第二章-课后答案1. 选择题1.1 题目一答案：C解析：光电效应是指物质受到光的照射后，吸收光能，将光能转化为电能的一种现象。

光电效应首先是由爱因斯坦在1905年提出的，他在描述光电效应时，引入了光子概念，假设光是由一组个别粒子组成的（即光量子），这些粒子就是后来被称为光子的电磁辐射量子。

1.2 题目二答案：A解析：光电倍增管是指通过光电效应，在光电面上光电发射物质外壳的钨丝和灯管之间加一个高达2000-3000伏的电压使其产生光电流，再对光电流进行电子倍增，最后输出检测的一种光电探测器。

光电倍增管的结构与普通的电子管相似，但是在各个电极和玻璃壳之间加入了紧密和高度真空的保护，同时在阳极和阳极网之间还添加了一个用直流电压加电的光电体。

当阳极对外加正电压使阳极电流开始增大时，就成为光电倍增管。

1.3 题目三答案：D解析：光电二极管是一种能够将光信号转化为电信号的器件。

光电二极管的基本原理是利用半导体材料的PN结在光照射下产生光电效应，使得PN结两端产生电荷，从而产生电压信号。

光电二极管的结构和普通二极管类似，主要由P型和N型的半导体材料组成，当光照射到光电二极管上时，光子能量被半导体材料所吸收，产生的热力激发电子，从而引起半导体PN结的载流子的复合和流动，产生感光电流。

光电二极管应用广泛，如光通信、光电测量、光谱分析等领域。

1.4 题目四答案：B解析：光导纤维是一种能够传输光信号的特殊纤维材料。

光导纤维的核心部分是由高折射率的材料构成，而外部由低折射率的材料构成。

当光线传输到光导纤维中时，会发生全反射现象，使得光线能够沿着光导纤维进行传输，最终到达目标地点。

光导纤维具有传输距离远、损耗小、带宽大、抗电磁干扰等优点，在通信、医疗、传感等领域得到广泛应用。

2. 填空题2.1 题目一答案：钠解析：钠具有低电离电势，激发电子的能量比较低，是光电电子极容易脱离的材料之一。

2.2 题目二答案：光电效应解析：光电效应是指物质受到光的照射后，吸收光能，将光能转化为电能的一种现象。

光电子技术基础复习题1、某单色光频率为31014Hz，该单色光在水中（n1.33）的速度和波长。

答vc/n3*108/1.332.26*108m/s λv/f2.26*108/3*1014 0.75*10-6m 2、某星球的辐射出射度的峰值波长为400nm，试估算该星球表明的温度。

答由维恩位移律λmTb 得Tb/λm2.898*10-3/400*10-97.245*103k 3、简述光子简并和能级简并答光子简并光子的运动状态简称为光子态。

光子态是按光子所具有的不同能量（或动量数值），光子行进的方向以及偏振方向相互区分的。

处于同一光子态的光子彼此之间是不可区分的，又因为光子是玻色子，在光子集合中，光子数按其运动状态的分布不受泡利不相容原理的限制。

可以有多个光子处于同一种光子态上，这种现象称为简并。

处于同一光子态的平均光子数目称为光场的简并度δ。

δ1/（ehυ/kT-1）4、什么是亚稳态能级。

答若某一激发能级与较低能级之间没有或只有微弱的辐射跃迁，则该态的平均寿命会很长τs10-3s,称为亚稳态能级，相应的态为亚稳态。

5、设二能级系统，发生受激辐射时，对入射光场的要求是什么6、产生激光的重要机理是答受激辐射7、爱因斯坦关系是8、以二能级为例推导粒子数反转的条件是什么答能级上的粒子数分布满足条件N2/g2N1/g1 反转分布图对物质的要求在物质能级中存在亚稳态能级对外界的考验需要有泵浦源9、从能级理论出发，解释NdYAG激光器工作原理（p44-45）10、解释增益饱和效应答当入射光强度足够弱时，增益系数与光强无关，是一个常量，而当入射光强增加到一定程度时，增益系数将随光强的增大而减小，这种增益系数随光强的增大而减小的现象称为增益饱和效应。

11、两种介质A、B的折射率分别为nA1，nB1.2，当光从B传播到A时，计算1）发生全反射的零界角2）布鲁斯特角答1.θcarcsin（n2/n1）（n1n2）arcsin（1/1.2）56.44° 2. tanθn2/n1 θarctan（n2/n1）arctan（1/1.2）39.8° 12、人体辐射出射度的峰值波长为（）答由维恩位移律λmTb 得λm b/ T 2.898*10-3/（37273）9.35*10-6m 13、红宝石激光器利用（氙灯）作为泵浦源。

光电⼦学与光⼦学讲义-作业答案（第1、2章）13版.doc 第⼀章1.10 Refractive index(a) Consider light of free-space wavelength 1300 nm traveling in pure silica medium. Calculate the phase velocity and group velocity of light in this medium. Is the group velocity ever greater than the phase velocity?(b) What is the Brewster angle(the polarization angle qp) and the critical angle(qc) for total internal reflection when the light wave traveling in this silica medium is incident on a silica/air interface. What happens at the polarization angle?(c) What is the reflection coefficient and reflectance at normal incidence when the light beam traveling in the silica medium is incident on a silica/air interface?(d) What is the reflection coefficient and reflectance at normal incidence when a light beam traveling in air is incident on an air/silica interface? How do these compare with part (c) and what is your conclusion?1.18 Reflection at glass-glass and air-glass interfaceA ray of light that is traveling in a glass medium of refractive index n1=1.460 becomes incident on a less dense glassmedium of refractive index n2=1.430. Suppose that the free space wavelength of the light ray is 850 nm.(a) What should the minimum incidence angle for TIR be?(b) What is the phase change in the reflected wave when the angle of incidence qi =85 ° and when qi =90° ?(c) What is the penetration depth of the evanescent wave into medium 2 when qi =85 ° and when qi =90° ?(d) What is the reflection coefficient and reflection at normal incidence (qi =0 ° )when thelight beam traveling in the glass medium (n=1.460) is incident on a glass-air interface?(e) What is the reflection coefficient and reflectance at normal incidence when a light beam traveling in air is incident on an air/-glass interface (n=1.460)? How do these compare with part (d) and what is your conclusion?1.20 TIR and polarization at water-air interface(1) Given that the refractive index of water is about 1.33, what is the polarization angle for light traveling in air and reflected from the surface of the water?(2) consider a diver in sea pointing a flashlight towards the surface of the water. What is the critical angle for the light beam to be reflected from the water surface?1.22 phase changes on TIRConsider a lightwave of wavelength 870nm traveling in a semiconductor medium (GaAs) of refractive index 3.6. It is incident on a different semiconductor medium (AIGaAs) of°. Will this result in total internal refractive index 3.4, and the angle of incidence is 80reflection? Calculate the phase change in the parallel and perpendicular components of the reflected electric field?1.25 Goos-Haenchen phase shiftAray of light that is traveling in a glass medium(1) of refractive index n1 =1.460 becomes incident on a less dense glass medium(2) of refractive index n2=1.430. Suppose that the free space wavelength of the light ray is 850nm.the angle of incidence(9=85 . Estimate the lateral Goos-Haenchen shift in the reflected wave for the perpendicular field component. Recalculate the Goos-Haenchen shift in the secondmedium has n2=1 (air). What is your conclusion?Assume that the virtual reflection occurs from a virtual plane in medium B at a distance d that is roughly the same as the penetration depth.Note that d actually depends on the polarization ,the direction of the field,but we will ignore this dependence.第⼆章作业习题：2.7Dielectric slab waveguide Consider a dielectric slab waveguide that has a thin GaAs layer of thickness 0.25 /w between two AIGaAs layers. The refractive index of GaAs is3.6 and that of the AIGaAs layers is 3.40. What is the cut-off wavelength beyond which only a single mode can propagate in the waveguide, assuming that the refractive index does not vary greatly with thewavelength? If a radiation of wavelength 860 nm (corresponding to bandgap radiation) is propagating in the GaAs layer, what is the penetration of the evanescent wave into the AIGaAs layer? What is the mode field width (MFW) of this radiation? Point out the effect of change of radiation wavelength (为on the MFW.2.9 Dielectric slab waveguide Consider a planar dielectric waveguide with a core thickness 10/m,ni=1.4446, n2=1.4440. Calculate the V -number, the mode angle 劣for m=0 (use a graphical solution, if necessary), penetration depth, and mode field distance (MFW=2 c(^2 9, for light wavelengths of 1.0 /xn and 5 /jn. What is your conclusion? Compare your MFW calculationwith 2?o =2a (V +1 )/V .The model angle 3is given as &=88.85?for ^=1 /m and ^=88.72 ?for ^=1.5 仰for the fundamental mode m=0.2.10 A multimode fibe r Consider a multimode fiber with a core diameter of 60 /m, core refractive index of 1.47, and a cladding refractive index of 1.45 both at 870 nm. Consider operating this fiber at ^=870nm.(e) Calculate the numerical aperture.(f) Find out the normalized core-cladding index difference.(g) Calculate the V-number for the fiber and estimate the number of guided modes.(h) Calculate the wavelength beyond which the fiber becomes single-mode.(i) Calculate the modal dispersion △ T and hence the bit rate x distance product.2.12 Single mode fiber Consider a fiber with a S1O2-13.5% GeOz core of diameter of 6 Wi and refractive index of 1.47 and a cladding refractive index of 1.46 both refractive indices at 1300 nm where the fiber is to be operated using a laser source with a half maximum width (FWHM) of 2 nm.. (j) Calculate the V -number for the fiver.(k) what is the maximum allowed diameter of the core that maintains oprations in single-mode?(l) Calculate the wavelength below which the fiber becomes multimode.(m) C alculate the numerical aperture.(n) Calculate the maximum acceptance angle.(o) Obtain the material dispersion and wavelength dispersion and hence estimate the bit rate x distance product ( B x L) of the fiber.。

2024届山东省济南市高三下学期三模物理试题一、单选题 (共6题)第(1)题如图所示，一束单色光入射到极限频率为的金属板K上，发射的光电子可沿垂直于平行板电容器极板的方向从左极板上的小孔进入电场，均不能到达右极板，则（ ）A．该单色光的波长为B．若仅增大该单色光的强度，则将有电子到达右极板C．若仅换用频率更大的单色光，则依然没有电子到达右极板D．若仅将电容器右极板右移一小段距离，电子仍然不能到达右极板第(2)题一列简谐横波沿x轴传播，时刻波的图像如图甲所示，处的质点M的振动图线如图乙所示。

下列说法正确的是（）A．时质点M位于波峰B．在0~11s内质点M通过的路程为2.2mC．在0~8s内波传播的距离为16mD．质点M的振动方程是第(3)题氢原子能级如图甲所示，一群处于能级的氢原子，向低能级跃迁时能发出多种频率的光，分别用这些频率的光照射图乙电路的阴极K，只能得到3条电流随电压变化的图线，如图丙所示，下列说法正确的是（ ）A．阴极K材料的逸出功为B．a光的波长大于b光的波长C．图中M点的数值为D．滑动变阻器的滑片向右滑动时，电流表的示数一定持续增大第(4)题2022年诺贝尔物理学奖授予法国学者阿兰·阿斯佩（AlainAspect），美国学者约翰·克劳泽（JohnClauser）和奥地利学者安东·蔡林格（AntonZeilinger），既是因为他们的先驱研究为量子信息学奠定了基础，也是对量子力学和量子纠缠理论的承认，下列关于量子力学发展史说法正确的是（ ）A．普朗克通过对黑体辐射的研究，第一次提出了光子的概念，提出“光由光子构成”B．丹麦物理学家玻尔提出了自己的原子结构假说，该理论的成功之处是它保留了经典粒子的概念C．爱因斯坦的光电效应理论揭示了光的粒子性D．卢瑟福的原子核式结构模型说明核外电子的轨道是量子化的第(5)题在东北严寒的冬天，有一项“泼水成冰”的游戏，具体操作是把一杯滚烫的开水按一定的弧线均匀快速地泼向空中，泼洒出的小水珠和热气被瞬间凝结成冰而形成壮观的场景。

第2节光子基础达标1．(2019年上海名校二模)以下关于光子说的基本内容，不正确的说法是( )A．光子的能量跟它的频率有关B．紫光光子的能量比红光光子的能量大C．光子是具有质量、能量和体积的实物微粒D．在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光子【答案】C【解析】根据E＝hν判断出光子的能量与光子的频率成正比关系，故A正确；在可见光的范围内，紫光的频率最大，而红光的频率最小，根据公式E＝hν可得紫光的能量大，故B正确；光子具有能量，但没有静止质量，也没有具体的体积，它不是实物粒子，故C 错误；光是在空间传播的电磁波，是不连续的，是一份一份的能量，每一份叫做一个光子，故D正确．本题选择不正确的，故选C．2．(2019年宜昌校级期中)下列宏观概念中，是量子化的有( )A．物体的质量B．弹簧振子的能量C．汽车的个数D．卫星绕地球运行的轨道【答案】C【解析】汽车的个数的数值只能取正整数，不能取分数或小数，因而是不连续的，是量子化的．其他三个物理量的数值都可以取小数或分数，甚至取无理数也可以，因而是连续的，非量子化的．3．下表给出了一些金属材料的逸出功.材料铯钙镁铍钛逸出功(10－19 J)(普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，光速c＝3.0×108 m/s)( )A．2种B．3种C．4种D．5种【答案】A【解析】要发生光电效应，则入射光的能量必须大于金属的逸出功，由题可算出波长为400 nm的光的能量为E＝hν＝h cλ＝6.63×10－34×3.0×108400×10－9J＝4.97×10－19J，大于铯和钙的逸出功．所以A选项正确．4．如图所示，a、b两束平行光入射到三棱镜上，已知这两束平行光中一束为红光，另一束为蓝光．经三棱镜折射后这两束光交会于光屏M上的同一点N.对于a、b两束平行光的颜色的判断，以及在这两束平行光照射到某种金属板时能否产生光电效应的下述说法中，正确的有( )A．a为红光束，b为蓝光束；若光束a照射某金属板时能发生光电效应，则不管光束b 的强度如何，用它照射该金属板时必能产生光电效应B．a为红光束，b为蓝光束；若光束a照射某金属板时能发生光电效应，则光束b只要有足够的强度，用它照射该金属板时必能产生光电效应C．a为蓝光束，b为红光束；若光束b照射某金属板时能发生光电效应，则不管光束a 的强度如何，用它照射该金属板时必能产生光电效应D．a为蓝光束，b为红光束；若光束b照射某金属板时能发生光电效应，则光束a只要有足够的强度，用它照射该金属板时必能产生光电效应【答案】C【解析】由光速a、b经三棱镜折射后这两束光能交会于光屏上的同一点N，说明光束a 的折射率大，对应的频率高，因此，a光束为蓝光，b光束为红光；当入射光的频率高于极限频率时，即使入射光的强度不高，也一定能发生光电效应，如果用b光照射能发生光电效应，用a光束照射一定能发生光电效应，由以上所述可知，C项正确，A、B、D均错误．5．(2019年静安二模)根据爱因斯坦的“光子说”可知( )A．“光子说”本质就是牛顿的“微粒说”B．只有光子数很多时，光才具有粒子性C．一束单色光的能量可以连续变化D．光的波长越长，光子的能量越小【答案】D【解析】“光子说”提出光子既有波长又有动量，是波动说和粒子说的统一，不同于牛顿的“微粒说”，故A错误；当光子数很少时，显示粒子性，大量光子显示波动性，故B 错误；爱因斯坦的“光子说”提出在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，每个光子的能量为E＝hν，故光的能量是不连续的，故C错误；光的波长越大，根据ν＝cλ，频率越小，故能量E＝hν越小，故D正确．6．(多选)用两束频率相同、强度不同的紫外线分别照射两同种金属的表面，均能产生光电效应，那么( )A．两束光的光子能量相同B．两种情况下逸出的光电子个数相同C．两种情况下逸出的光电子的最大初动能相同D．两种情况下逸出的光电子的最大初动能不同【答案】AC【解析】由ε＝hν，E km＝hν－W0知两束光的光子能量相同，照射金属得到的光电子的最大初动能相同，故A、C正确．由于两束光强度不同，逸出光电子个数不同，故B错．7．(多选)如图所示为一真空光电管的应用电路，其阴极金属材料的极限频率为4.5×1014 Hz，则以下判断正确的是( )A．发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于入射光的频率B．发生光电效应时，电路中的光电流的饱和值取决于入射光的强度C．用λ＝0.5 μm的光照射光电管时，电路中有光电流产生D．光照射时间越长，电路中的光电流越大【答案】BC【解析】在光电管中若发生了光电效应，单位时间内发射光电子的数目只与入射光的强度有关，光电流的饱和值只与单位时间内发射光电子的数目有关，据此可判断A、D错误；波长λ＝0.5 μm的光子的频率ν＝cλ＝6×1014Hz>4.5×1014 Hz，可发生光电效应，所以选项B、C正确．8．(多选)如图所示是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的变化图线(直线与横轴的交点坐标为4.27，与纵轴交点坐标为0.5)．由图可知( )A．该金属的截止频率为4.27×1014HzB．该金属的截止频率为5.5×1014 HzC．该图线的斜率表示普朗克常量D．该金属的逸出功为0.5 eV【答案】AC【解析】图线在横轴上的截距为截止频率，A 正确，B 错误；由光电效应方程E k ＝hν－W 0可知图线的斜率为普朗克常量，C 正确；金属的逸出功为W 0＝hνc ＝6.63×10－34×4.27×10141.6×10－19eV ＝1.77 eV ，D 错误． 能力提升9．一单色光照到某金属表面时，有光电子从金属表面逸出，下列说法中正确的是________．A ．无论增大入射光的频率还是增加入射光的强度，金属的逸出功都不变B ．只延长入射光照射时间，光电子的最大初动能将增加C ．只增大入射光的频率，光电子的最大初动能将增大D ．只增大入射光的频率，光电子逸出所经历的时间将缩短E ．只增大入射光的强度，单位时间内逸出的光电子数目将增多ACE【解析】即使增大入射光的频率，或增加入射光的强度，金属逸出功仍将不变，它只与极限频率有关，故A 正确；根据光电效应方程E k ＝hν－W 可知，光电子的最大初动能由入射光的频率和逸出功决定，即使只延长入射光照射时间，光电子的最大初动能也将不变，故B 错误；根据光电效应方程可知，光电子的最大初动能由入射光的频率和逸出功决定，只增大入射光的频率，光电子的最大初动能将增大，故C 正确；发生光电效应的条件是入射光的频率大于截止频率，光电子逸出所经历的时间几乎同时，故D 错误；光的强弱不影响光电子的能量，只影响单位时间内发出光电子的数目，只增大入射光的强度，单位时间内逸出的光电子数目将增多，故E 正确．10．频率为ν的光照射到一种金属表面上，有电子从金属表面逸出，当所加反向电压U 的大小增大到3 V 时，光电流刚好减小到零．已知这种金属的极限频率为νc ＝6.00×1014Hz ，因此照射光的频率ν＝________Hz.(电子电荷量e ＝1.60×10－19 C ，普朗克常量h ＝6.63×10－34 J·s)【答案】1.32×1015【解析】光电子的最大初动能E k ＝eU c ，由爱因斯坦光电效应方程E k ＝hν－hνc ，由①②得：ν＝eU c h＋νc ＝1.32×1015 Hz.。

2．2 涅槃凤凰再飞翔1。

通过实验了解光电效应的实验规律．（重点) 2。

知道爱因斯坦光电效应方程及其意义．（重点＋难点）3．了解康普顿效应，了解光子的动量．[学生用书P24］一、光电效应1．定义：在光的照射下物体发射电子的现象叫光电效应,发射出来的电子叫光电子．2．光电效应规律(1)对于各种金属都存在着一个极限频率,当入射光的频率高于这个极限频率时，才能产生光电效应；如果入射光的频率低于这个极限频率，无论光多么强，照射时间多长，都不会产生光电效应．(2）光电子的最大动能随着入射光频率的增加而增加，与入射光的强度无关．（3)当产生光电效应时,单位时间内从金属表面逸出的电子数与入射光的强度有关，光的强度越大,单位时间内逸出的电子数越多．（4)入射光射到金属表面时，光电子的产生几乎是瞬时的，不超过1×10－9 s。

1．光电子是光子吗？提示：不是．光子是指光在空间传播时的每一份能量,光子不带电，是微观领域中的一种粒子；而光电子是金属表面受到光照射发射出来的电子，因此其本质就是电子．二、爱因斯坦的光子说1．爱因斯坦的光子说：光在空间传播时是不连续的,而是一份一份的,一份叫做一个光量子，简称光子．频率为ν的光子能量为hν，这就是爱因斯坦的光子说．2．逸出功：在产生光电效应时,电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的逸出功．3．光电效应方程（1）表达式：hν＝E km＋W或E km＝hν－W．(2）物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量一部分用于克服金属的逸出功W，剩下的表现为逸出后电子的动能E k．2．光电子的最大初动能是否与入射光子的能量成正比?提示：不是．由hν＝W＋E km得，E km＝hν－W,所以光电子的最大初动能与入射光子的能量是一次函数关系，而不是正比关系．三、光子说的又一明证-—康普顿效应1．康普顿效应：光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射．美国物理学家康普顿在研究石墨射线的散射时发现，在散射射线中,除了有与入射线波长相同的射线外，还有波长比入射线波长更长的射线．人们把这种波长变化的现象称为康普顿效应．2．光子的动量：表达式：p＝错误!＝错误!．在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子,因此有些光子散射后波长变大．3．太阳光从小孔射入室内时，我们从侧面可以看到这束光；白天的天空各处都是亮的；宇航员在太空中尽管太阳光耀眼刺目，其他方向的天空却是黑的，为什么？提示：在地球上存在着大气，太阳光经微粒散射后传向各个方向,而在太空中的真空环境下光不再散射只向前传播．光电效应的理解及应用[学生用书P24］1．光电效应的实验规律（1)每种金属都有一定的极限频率,当入射光的频率低于极限频率时不管入射光的强度多大、照射时间多长都不会产生光电子,一旦入射光的频率超过极限频率，则不管光有多么弱都会产生光电效应，发出光电子．（2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关,只与入射光的频率有关．（3)光电效应的发生具有瞬时性，从光照到金属表面到产生光电子的时间大约为10－9秒．(4)当入射光的频率大于极限频率时,单位时间内发射出的光电子数与入射光的强度成正比．2．对光电效应的理解（1）入射光的强度：指单位时间内照射到金属表面单位面积上的光子的总能量，是由入射光子数和入射光子的频率决定的．可用P＝nhν表示，其中n为单位时间内的光子数．(2）在入射光频率不变的情况下，光的强度与单位时间内照射到金属表面上单位面积的光子数成正比．（3)对于不同频率的入射光，即使光的强度相等，在单位时间内照射到金属单位面积的光子数也不相同，从金属表面逸出的光电子数不同，形成的光电流不同．（4）饱和光电流：指光电流的最大值(即饱和值)，在光电流未达到最大值之前，因光电子尚未全部形成光电流,所以光电流的大小不仅与入射光的强度有关,还与光电管两极间的电压有关,电压越大，被吸引变成光电流的光电子越多．（5)饱和光电流与入射光的强度成正比：在入射光频率不变的情况下，光电流的最大值与入射光的强度成正比．原因是在高电压下光电子个数决定了光电流大小,而电子个数决定于入射光强度．“频率高,光子能量大，光就强，产生的光电流也强”“光电子的初动能大，电子跑得快，光电流就强”等说法均是错误的．总之，在理解光电效应规律时应特别注意以下几个关系：照射光频率错误!错误!照射光强度错误!单位时间内发射出来的电子数（1）只有入射光的频率大于使该金属发生光电效应的极限频率，才能发生光电效应现象．（2）极限频率只与发生光电效应的金属有关，而遏止电压只与入射光的频率有关，饱和电流只与入射光的强度有关．3．与光电效应有关的图像问题在理解光电效应方程的基础上,把其数学关系式与数学函数图像结合起来,经分析、推导得出图像的斜率及在图像横、纵坐标轴上的截距所对应的物理量，从而理解它们的物理意义，有效提高自身应用数学解决物理问题的能力．（1)最大初动能与入射光频率的关系该图像对应的函数式E k＝hν－W0，图像与横轴的交点坐标为极限频率，图像是平行的是因为图线的斜率就是普朗克常量．（2）光电流与电压的关系图像从图像①③可看出同种光照射同种金属板对应的反向遏止电压相同．而饱和光电流强度随入射光强度增大而增大;从图像①②可知,对于同种金属，入射光的频率越高，反向遏止电压越大．(3)反向遏止电压与入射光频率的关系该图像的对应函数式为U c＝错误!，故从图像可以直接读出金属的极限频率，由极限频率可算出普朗克常量,由纵轴截距可推算出金属的逸出功．命题视角1 对光电效应的理解入射光照到某金属表面发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变,则下列说法中正确的是( )A．从光照射到金属表面上到金属发射出光电子之间的时间间隔将明显增加B．逸出的光电子的最大初动能减小C．单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少D．有可能不发生光电效应[思路点拨] 应用光电效应的规律进行分析．［解析] 发生光电效应几乎是瞬时的，跟入射光的强度无关．故A错误．能否发生光电效应,与入射光的强度无关,只要入射光的频率大于极限频率即可．故D错误．光电子的最大初动能跟入射光的频率有关,跟入射光的强度无关,所以B错误．入射光强度减弱，即入射光子数减少，入射光子与逸出光电子是一对一关系，因而逸出的光电子数亦减少，故C正确．[答案］C命题视角2 光电效应有关图像问题的求解(多选）在做光电效应的实验时,某金属被光照射发生了光电效应，实验测得光电子的最大初动能E k与入射光的频率ν的关系如图所示,由实验图线可求出( )A．该金属的极限频率和极限波长B．普朗克常量C．该金属的逸出功D．单位时间内逸出的光电子数［解析] 依据光电效应方程E k＝hν－W0可知，当E k＝0时,ν＝ν0，即图像中横坐标的截距在数值上等于金属的极限频率．图线的斜率k＝错误!。