习题集《工程光学物理光学》测控专业.docx
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习题集《工程光学物理光学》测控专业
《工程光学-物理光学》
习题集_测控专业
【教程章节】
第十一章光的电磁理论基础
第十二章光的干涉和干涉系统
第十三章光的衍射
第十五章光的偏振和晶体光学
【核心教材】
郁道银,谈恒英,《工程光学》,2011年出版了国家“十一五”规划教材(第3版)。
【参考教材】
1.蔡怀宇,《工程光学复习指导与习题解答》,机械工业出版社。
2.梁铨廷,《物理光学》,电子工业出版社(第3版)。
配套教材《物理光学·学习指导与题解》,
3.石顺祥等编著,《物理光学与应用光学》,(第2版)。
4.韩军等著,《物理光学学习指导》,西北工业大学出版社。
5.赵建林(西北工业),《高等光学》,国防工业出版社,2002年第一版,
6.波恩,沃尔夫,《光学原理》(中英文版),电子工业出版社。
7.EugeneHecht,CunlinZhang,《Optics》,Highereducationpress.
8.工程光学网站:
202.113.13.85。
9.中国期刊网,万方网,维普期刊全文数据库等。
10.中国光学学会网cos.org/;
11.SPIE:
http:
//spie.org
【课程题型类别】
传统型作业、模拟题、思考题、阅读题
第十一章光的电磁理论基础
【阅读理解题】【思考与讨论题】【计算题】
【一、阅读理解题】
==《工程光学复习指导与习题解答》P.99-101
例题7-1,7-2,7-3,7-4,7-5
【三、计算题】
==《工程光学》书本,P.337--339
第1,2,3----23,30题,任选10-15题
【思考与讨论题】
==写出无源、无传导电流静场的麦克斯韦方程组(积分形式或者微分形式)
==无色散情况下的物质方程和其物理意义,
==波动方程一般形式,及光波沿z轴正向传播的波动方程表示式。
==沿z轴正向传播的平面波简谐波解的表达式,以及主要参量之间的关系。
==总结驻波的特点。
==理解相速度和群速度。
==什么是光和光学?
研究内容的分类?
==理解:
“几何光学”和“物理光学”各自的理论体系,研究方法,了解之间的区别和之间的关系。
(此问题回答贯串各章节学习内容。
)
==静电场和稳恒电流磁场与非稳定电磁场,用麦克斯韦方程组的积分表示式不同之处?
物理模型有何区别?
==倏逝波存在的条件,什么是倏逝波?
倏逝波的特性?
==光学拍,条件之一是要频率接近。
则,如果频率相差大,会有什么现象以及会有什么用途?
-查阅清华大学精仪系张书连教授的研究。
==什么是拉曼散射?
什么是瑞利散射?
这两种散射有什么样的关系呢?
【补充计算题】
==两束振动方向相互垂直的线偏振光在某点的场表示为,
是在一个振动周期内选定8等分的8个不同的时刻,求出各点的合成矢量,并确定端点运动的轨迹。
(0,T/8,2T/8,3T/8,4T/8…T)
第十二章光的干涉和干涉系统
【复习与思考题】
==讨论“11-5节光波的叠加”与“12-1光波的干涉条件”,在处理方法有什么不同?
==书P.354—357,斐索干涉仪和迈克耳逊干涉仪(自学)
==分别从以下几个方面比较:
等倾干涉条纹与等厚干涉条纹
1.光程差公式,干涉条件;
2.中心干涉条纹的级次;
3.中心条纹的明暗性;
4.条纹形状,疏密性,
5.条纹的间距,
·····
【阅读理解题】
==《工程光学复习指导与习题解答》P.114--118
例题:
8-1,8-2,8-3,8-4,8-5,8-6,8--8
==《工程光学复习指导与习题解答》P.121,(选做)
四、自测练习
==P.111,5.典型的双光束干涉系统及应用。
==P.112,6.平行平板的多光束干涉及应用。
==P.121,四、自测练习,23选择填空
《工程光学》,习题P.374---377,
第1--21,任选5-10题;第22,23,24题
==(习题册,P.125)在杨氏双缝干涉实验中,双缝间隔为0.5mm,接收屏距离双缝1m,点光源距离双缝300mm,发射出500nm的单色光,试求:
(1)屏上干涉条纹的间隔;
(2)若点光源由光轴向下移动2mm,
屏上干涉条纹向什么方向移动?
移动多少距离?
(3)若电源发射出的光波为500±2.5nm范围的
准单色光,求屏上能看到的干涉极大的最高
级次;
(4)若光源有一定的宽度,屏上干涉条纹消失时,
它的临界宽度是多少?
==一双缝实验,如图所示,波长λ的单色光垂直入射到缝宽为d的双缝上,在远处的屏幕上观察到干涉条纹。
将一块厚度为t,折射率n的玻璃片放在S1和屏幕之间,
(1)讨论P0点的光强特性
(2)如果将一个缝的宽度增加到2d,而另一个缝的宽度保持不变,P0点的光强发生怎样变化?
(假设薄片不吸收光)
解:
==已知汞绿线的超精细结构为546.0753nm,546.0745nm,546.0734nm,546.0728nm,它们分别是汞的同位素Hg198,Hg200,Hg202,Hg204。
问用法布里-珀罗干涉仪,简称:
F-P标准具,分析者一结构如何选择标准具的间距?
标准具板面反射率R=0.9。
==请设计利用干涉法测量气体折射率的光学装置,并简要说明原理。
方法:
(设计+思考+阅读题)
1.杨氏干涉法
2.迈克耳逊干涉法
3.泰曼干涉法
==激光器的谐振腔可以看做是一个法布里--珀罗标准具。
(1)导出激光器输出的激光光波的频率间隔表示式;
(2)导出输出谱线宽度的表示式;
(3)若氦氖激光腔长h=0.5m,两个反射镜的反射率R=0.99,输出激光光波的频率间隔和谱线宽度是多少?
(设气体折射率n=1,输出谱线的中心波长
)。
==理解与推导平行平板多光束等倾干涉条纹间距
第十三章光的衍射
【一、思考与讨论题】
==理解光源的时间相干性和空间相干性,极其物理机理是什么?
有什么经典的应用?
==光波动性的2个主要标志:
光的干涉与光的衍射,它们的联系与区别,处理方式的相同与不同。
==理解波的叠加原理。
==惠更斯原理的核心;解决了衍射的什么问题;不能解决衍射什么问题;
==菲涅耳原理提出了?
解决什么?
但没有能给出什么?
【二、阅读理解题】
==《工程光学复习指导与习题解答》P.135--141
例题9-1,9-2,9-3----9-10
==《工程光学复习指导与习题解答》P.141---145
四自测练习(选做)
【三、计算题】
==《工程光学》书本,P.417---
第8,9,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,25,26,27题,任选8--12题
==波长为500nm的平行光垂直照射在宽度为0.025mm的缝上,以焦距为50cm的会聚透镜讲衍射光聚集在焦平面上进行观察。
(1)求单缝衍射中央亮条纹的角半宽度;
(2)第1亮纹到衍射中心的距离是多少?
若场中心强度为I0,第1亮纹的强度时多少?
==边长为a和b的矩孔的中心有一个边长为a’和b’的半透明方屏,试导出这种光阑的夫琅和费衍射强度公式;
==有一多缝衍射屏,如图所示,缝数是2N,缝宽为a,缝间不透明部分的宽度依次为a和3a。
试求,正入射情况下,这一衍射屏的夫琅和费衍射强度分布。
==一束直径为2mm的氦氖激光器(波长632.8nm)自地面射向月球,已知月球到地面的距离是376*103km,问在月球上接收到的光斑有多大?
若把激光束扩束到直径为0.2m再射向月球,月球上接收到的光斑又有多大?
==一台虚伪镜的数值孔径N.A.=0.9,试求:
(1)它的最小分辨率;
(2)利用油浸物镜是数值孔径重大到1.5,利用紫色滤光片使波长减小
为430mm,问它的分辨率本领提高多少?
(3)利用在
(2)中获得的分辨本领,显微镜的放大倍数应设计成多大?
==一块每毫米1000个刻槽的反射闪耀光栅。
以平行光垂直槽面入射,1级闪耀波长为546nm。
问
(1)光栅闪耀角多大?
(2)若不考虑缺级,有可能看到546nm的几级光谱?
(3)各级光谱的衍射角是多少?
==一块闪耀光栅宽260mm,每毫米有300个刻槽,闪耀角为77012’。
(1)求光束垂直槽面入射是,对于波长λ=500nm的光的分辨本领;
(2)光栅的自由光谱范围有多大?
(3)同空气间隔为1cm,锐度为25的F-P标准具的分辨本领和自由光谱范围作一比较。
==波长从390nm到780nm的白光垂直入射到每毫米600条缝的光栅上。
(1)求白光第一级光谱的角宽度;
(2)说明第二级光谱和第三级光谱部分都重叠
==设计一块光栅,要求:
(1)使波长λ=600nm的第二级谱线的衍射角;
(2)色散尽可能大;
(3)第三级谱线缺级;
(4)对于波长λ=600nm的二级谱线能分辨0.02nm的波长差。
在选定光栅参数后,问在透镜的焦面上只可能看到
波长λ=600nm的几条谱线?
==在双缝的夫琅和费衍射实验中,所用的光波的波长λ=632.8nm,透镜f=50cm,观察到相邻亮纹之间的距离e=1.5mm,并且当第4级亮纹缺级时。
试求:
(1)双缝的缝距和缝宽;
(2)1,2,3级亮纹的相对强度;
(3)当d=10a的双缝的第1,2,3级亮纹的相对强度。
==用波长为λ的光波垂直照射一个N=4,d=4a的衍射屏,这里d为相邻两缝间隔,a为缝宽,试求:
(1)指出缺级级次;
(2)绘出光强I随sinθ变化的分布曲线。
θ为衍射角;
(3)当λ=a/2正入射时,最多能够看到多少条亮纹;
(4)计算前3个主极大与中央极大的比值。
==设一个有20个阶梯的光栅,t=1cm,n=1.5,λ=500nm,求
(1)透射光或反射光在法线方向上能够分辨的最小波长差;
(2)入射光方向上干涉主极大的级数;
(3)光栅的角色散;
==一块每毫米1000个刻槽的反射闪耀光栅。
一平行光垂直槽面入射,以及闪耀波长为546nm。
问
(1)光栅闪耀角多大?
(2)若不考虑缺级,有可能看到546nm的几级光谱?
(3)各级光谱的衍射角是多少?
==一块闪耀光栅宽260mm,每毫米有300个刻槽,闪耀角为77012’。
(1)求光束垂直槽面入射是,对于波长λ=500nm的光的分辨本领;
(2)光栅的自由光谱范围有多大?
(3)同空气间隔为1cm,锐度为25的F-P标准具的分辨本领和自由光谱范围作一比较。
==设一个有20个阶梯的光栅,t=1cm,d=0.1cm,n=1.5,λ=500nm的单色光垂直入射,求
(1)透射光或反射光在入射光方向上干涉主极大的级数;
(2)透射光或反射光在法线方向上能够分辨的最小波长差;
(3)光栅的角色散(折射率不随波长变化)。
==求证显微镜的分辨本领计算公式,并说明如何提高其分辨本领。
==推导双缝衍射强度分布计算公式全过程,并分析双缝衍射的极值分布与特点。
第十五章光的偏振和晶体光学
【一、阅读理解题】
==《工程光学复习指导与习题解答》P.155---161
例题10-1,10-2,-----10-10,10-11,10-12
3.《工程光学》书本,P.487
例题15-1,例题15-2
【二、思考与讨论题】
==为什么只有横波才可能是偏振的?
==惠更斯作图法
==离散角物理意义与计算。
==若想使一束线偏振光的振动方向旋转,可以采用什么方法?
简单说明理由。
==设计一个区分椭圆偏振光和部分椭圆偏振光的实验方法,并加以简单说明。
【三、计算题】
==《工程光学》书本,P.337--339
第1,2,3----23,30题,任选10-15题
书本,P.529---532
第1题,第2题,第4题,第2题,第1题,第2题,第1题,第2题,第1题,第2题,
==《工程光学复习指导与习题解答》P.162
自测练习(选做)
==光矢量沿X轴,振幅为a的线偏振光
==光矢量与X轴成角,振幅为a的线偏振光的归一化琼斯矢量表示。
==求长轴沿x轴,长短轴之比是2:
1的右旋椭圆偏振光的归一化琼斯矢量。
==振幅为a的左旋圆偏振光的归一化琼斯矢量。
==求透光轴(Transmissionaxis)与x轴成θ角的起偏器的琼斯矩阵。
==有一快轴与x轴成θ角,产生位相差为δ的波片,试求其琼斯矩阵
==自然光通过光轴夹角为45度的线偏振器后,又通过了1/4、1/2和1/8波片,波片快轴沿Y轴方向,试用琼斯矩阵计算透射光的偏振态。
==一束线偏振的钠黄光(l为589.3nm)垂直通过一块厚度为1.618×10-2mm的石英晶片(其光轴平行于入射表面)。
晶片折射率为n0=1.54424,ne=1.55335。
试求以下三种情况的出射光的偏振态。
(1)入射线偏光的振动方向与晶片光轴成45o角;
(2)入射线偏光的振动方向与晶片光轴成-45o角;
(3)入射线偏光的振动方向与晶片光轴成30o角。
==导出长、短轴之比为2:
1,长轴沿x轴的右旋和左旋椭圆偏振光的琼斯矢量。
==试用矩阵方法证明:
右(左)旋圆偏振光经过半波片后变为左(右)旋圆偏振光。
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