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文档简介
1. 电灯中钨丝直径d=0.05mm。若灯丝发光时温度为T=2700K,问切断电流后多长时间灯丝温度降到600K。假定钨丝可当做绝对黑体,钨丝的密度为1.9104kg/m3,热容为1.55102J=/kgK,灯丝在dt时间内辐射的能量等于其温度下降dT所放出的能量,所以有:其中,c为热容,S=pdL为钨丝表面积,L为钨丝长度,s为斯特潘-玻尔兹曼常数,钨丝质量,r为钨丝密度。所以有:从而有2. 长度l=10cm,直径d=0.03mm的灯消耗功率P=25W,其中有P=2W以热传导形式散失,其余能量以热辐射形式向外发光。将该灯放置在外表面及为S=150cm2的黑色金属容器内,保证热传导能量损失不变。如果灯丝和容器均可视为黑体,问灯放置在容器前后辐射最大波长的变化量为多少? 根据维恩位移定律: 其中T为黑体或灯的温度,lm为辐射最大波长。温度T由斯特潘-玻尔兹曼决定,满足: 所以放入容器前,有:放入容器后,有放之前后辐射最大的波长发生6.2微米的红移。3. 一界面两侧折射率分别为n1和n2。光从n1折射率介质中以q角度入射到界面上,受到界面反射。定义S分量与P分量的振幅反射率之比为。证明下式成立: 有菲涅耳公式可知S及P偏振光的反射率分别为其中,q2为n2介质中光的折射角。上两式相除有: 将上式整理成为n1和n2的多项式有:由折射定律有:将此式带入n1、n2的多项式有:消除项有:整理有:该公式给出了已知n1,q和G后测量n2的方法。对于介电材料而言,如果n1小于n2,我们只需要测量光强比即可,如果反之,则需要测量S和P光的反射光相位差。实际上,利用这种方法也可以测量不透明材料的折射率,例如金属材料的折射率。4. 一束自然光从空气入射到玻璃中,入射角度q为30度,玻璃折射率为1.50。求空气-玻璃界面处反射光的偏振度。偏振度指的是偏振光光强占总光强的比例,可以写为:其中,IP、In和I总分别为偏振光光强、自然光光强及总光强。入射光为自然偏振光,可以看做是等光强(I/2,I为入射光强)、不相干的S光及P光构成。两光振幅反射率非别为:对应的归一化反射光强为所以有:请注意有效数字。正式有效数字原因,不能简单地对归一化光强进行除法。5. 针孔相机是一种非常适合与自制的光学设备。在暗盒上开一个直径为d的小孔,小孔后L处的暗盒壁上放置感光胶片,物体放置于小孔前距离L处,所使用光的波长为l。估算进行清晰成像时小孔的直径。 小孔成像中,某一几何点在胶片上产生的弥散像的直径可以由几何关系确定:根据物理光学可知,如果想清晰成像,在像面上可分辨的最小距离应该为小孔衍射的光斑直径,约为因此,清晰成像时有,可以算出:恰可分辨两物点距离D满足,故可分辨的两物点最近距离为6. 一束正弦光栅G复振幅透射率为,用一束汇聚球面波照射到光栅上,问傍轴条件下衍射场主要特点。如上图所示,取光栅面为xy平面,轴上点为O点。在xyz系统中,入射光聚焦于(0,0,S)处,且为会聚球面光,其在xOy面上的波函数可写为:经过光栅后,透射波的电场可写为: Et含三项,第一项,代表汇聚于(0,0,S)处的透射光,振幅为。后两项仍旧代表汇聚球面波,但其汇聚位置发生偏离。对于汇聚于轴外坐标(x0,y0,S)处的球面波,xOy面上波函数可写为。故而,第二项代表振幅为,汇聚于(fls,0,S)处的汇聚球面波。而第三项代表振幅为,汇聚于(-fls,0,S)处的汇聚球面波。如果光为从(0,0,-S)处发出的发散球面波,xOy面上的复振幅可写为,而如果光为由轴外坐标(x0,y0,-S)出发的发散球面波,xOy面上的复振幅可写为。始终1/2S中的2是由距离进行泰勒展开时产生的。详情见赵书上册151页及下册43页。7. 沿z方向传播的平面光照射到一个振幅透射率为F(x)的一维平面周期性物体上,其透射率周期为x0。证明,存在一系列z值,在这些位置上衍射光光强可再现屏后透过光强,且在处衍射光场与透射光场分布差半个周期。此为泰尔伯特效应。周期性函数可展开为傅里叶级数(1)对于余弦函数,其菲涅耳衍射可写为同理,正弦函数,其菲涅耳衍射可写为F(x)处于z=0处。将余弦和正弦函数计算公式带入公式(1)中可知,在传播z距离后其衍射光场为: (2)每个傅里叶级数与透射光场相比,存在相移。但当为1时,z处的光场与透射光场相同。此时,m=1,2,3,。若,带入公式2可知,相当于移动半个周期x0/2。故此得证。8通过适当方法调整玻璃的折射率可以使等厚玻璃片起到透镜的作用。给你一个半径足够大的厚度为d的圆玻璃片,问:什么样的径向折射率分布n(r)可以使该圆玻璃片等效于焦距为F的透镜。这里,F是一个很大的数,可将透镜视为薄透镜。设玻璃中心折射率为n0,即n(0)=n0。透镜将入射平面波变为球面波,光在透镜中传播造成的相位差应满足:n(r)-n0d=F-(F2+r2)1/2。故有:n(r)=n0+(F2+r2)1/2-F/d。由于F很大,即Fr,可近似有n(r)=n0+r2/2dF9导出宽度不等的两狭缝产生的夫琅和费衍射的光强
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