大学物理振动波动与光学
大学物理 振动与波、波动光学练习题
06振动与波、波动光学练习题 一、选择题 1 一物体作简谐振动，振动方程为)4cos(πω+=t A y在4T t =（T 为周期）时刻，物体的加速度为 [ ]2222321)(,321)(,221)(,221)(ωωωωA D A C A B A A -- 2 两个质点各自作简谐振动，它们的振幅相同、周期相同，第一个质点的振动方程为)cos(1αω+=t A y 。
当第一个质点从相对平衡位置的正位移处回到平衡位置时，第二个质点正在最大位移处，则第二个质点的振动方程为 [ ])cos()(),23cos()()2cos()(),2cos()(2222παωπαωπαωπαω++=-+=-+=++=t A y D t A y C t A y B t A y A 3一质点沿y 轴作简谐振动，振动方程为)SI (),32cos(1042παπ++⨯=-t y ，从t = 0时刻起，到质点位置在x = －2 cm 处，且向x 轴正方向运动的最短时间间隔为[ ]s 61)(s,31)(s,21)(s,41)(s,81)(E D C B A 4 已知两个简谐振动曲线如图所示，1x 相位比2x 的相位 [ ]ππππ超前，落后，超前，落后)()(2)(2)(D C B A5题图 7题图5 一质点作简谐振动，周期为T 。
质点由平衡位置向X 轴正方向运动时，由平衡位置到二分之一最大位移这段路程所需要的时间为 [ ],8)(6)(12)(4)(T D T C T B T A ，，， 6 在下面几种说法中，正确的说法是： [ ]（A ）波源不动时，波源的振动周期与波动的周期在数值上是不同的，（B ）波源振动的速度与波速相同，(C) 在波传播方向上的任一质点的振动相位总是比波源的相位滞后，(D) 在波传播方向上的任一质点的振动相位总是比波源的相位超前。
7一平面简谐波，沿X 轴负方向传播，角频率为ω，波速为u 。
设4T t =时刻的波形如图所示，则该波的表达式为： [ ]])(cos[)(),(cos )(]21)(cos[)(),(cos )(πωωπωω++=+=+-=-=ux t A y D u x t A y G u x t A y B ux t A y A 8 当机械波在媒质中传播时，一媒质质元的最大变形量发生在 [ ](A)媒质质元离开其平衡位置最大位移处，（B ）媒质质元离开其平衡位置)2/2(A 处，（C ）媒质质元在其平衡位置处，（D ）媒质质元离开其平衡位置A/2处(A 是振动振幅)。
大学物理测试题 (9)
大学物理（振动、波动、光学）一、选择题：1．用余弦函数描述一简谐振子的振动．若其速度～时间（v ～t ）关系曲线如图所示,则振动的初相位为(A) π/6. (B) π/3. (C) π/2. (D) 2π/3.(E) 5π/6. ［ ］2．一平面简谐波的表达式为 )3cos(1.0π+π-π=x t y (SI) ，t = 0时的波形曲线如图所示，则 (A) O 点的振幅为-0.1 m ． (B) 波长为3 m ．(C) a 、b 两点间相位差为π21．(D) 波速为9 m/s ． ［ ］3．一角频率为ω 的简谐波沿x 轴的正方向传播，t = 0时刻的波形如图所示．则t = 0时刻，x 轴上各质点的振动速度v 与x 坐标的关系图应为：4．一平面简谐波在弹性媒质中传播，在某一瞬时，媒质中某质元正处于平衡位置，此时它的能量是(A) 动能为零，势能最大． (B) 动能为零，势能为零．(C) 动能最大，势能最大． (D) 动能最大，势能为零． ［ ］5．如图所示，S 1和S 2为两相干波源，它们的振动方向均垂直于图面，发出波长为λ 的简谐波，P 点是两列波相遇区域中的一点，已知 λ21=P S ，λ2.22=P S ，两列波在P 点发生相消干涉．若S 1的振动方程为)212cos(1π+π=t A y ，则S 2的振动方程为 (A) )212cos(2π-π=t A y ． (B) )2cos(2π-π=t A y ．(C) )212cos(2π+π=t A y ． (D) )1.02cos(22π-π=t A y ． ［ ］21--S6．在真空中沿着x 轴正方向传播的平面电磁波，其电场强度波的表达式是 )/(2c o s 0λνx t E E z -π=，则磁场强度波的表达式是： (A) )/(2cos /000λνμεx t E H y -π=． (B) )/(2cos /000λνμεx t E H z -π=． (C) )/(2cos /000λνμεx t E H y -π-=．(D) )/(2cos /000λνμεx t E H y +π-=． ［ ］7．某元素的特征光谱中含有波长分别为λ1＝450 nm 和λ2＝750 nm (1 nm ＝10-9 m)的光谱线．在光栅光谱中，这两种波长的谱线有重叠现象，重叠处λ2的谱线的级数将是 (A) 2 ，3 ，4 ，5 ．．．．．． (B) 2 ，5 ，8 ，11．．．．．．(C) 2 ，4 ，6 ，8 ．．．．．．(D) 3 ，6 ，9 ，12．．．．．． ［ ］8．光强为I 0的平面偏振光先后通过两个偏振片P 1和P 2．P 1和P 2的偏振化方向与原入射光光矢量振动方向的夹角分别是α 和90°，则通过这两个偏振片后的光强I 是(A) 21I 0 cos 2α ． (B) 0．(C) 41I 0sin 2(2α)． (D) 41I 0 sin 2α ．(E) I 0 cos 4α ． ［ ］9．一束自然光自空气射向一块平板玻璃(如图)，设入射角等于布儒斯特角i 0，则在界面2的反射光(A) 是自然光．(B) 是线偏振光且光矢量的振动方向垂直于入射面．(C) 是线偏振光且光矢量的振动方向平行于入射面．(D) 是部分偏振光． ［ ］ 10．ABCD 为一块方解石的一个截面，AB 为垂直于纸面的晶体平面与纸面的交线．光轴方向在纸面内且与AB 成一锐角θ，如图所示．一束平行的单色自然光垂直于AB 端面入射．在方解石内折射光分解为o 光和e 光，o 光和e 光的(A) 传播方向相同，电场强度的振动方向互相垂直． (B) 传播方向相同，电场强度的振动方向不互相垂直． (C) 传播方向不同，电场强度的振动方向互相垂直． (D) 传播方向不同，电场强度的振动方向不互相垂直． ［ ］11．具有下列哪一能量的光子，能被处在n = 2的能级的氢原子吸收？ (A) 1.51 eV ． (B) 1.89 eV ．(C) 2.16 eV ． (D) 2.40 eV ． ［ ］D12．根据玻尔理论，氢原子中的电子在n =4的轨道上运动的动能与在基态的轨道上运动的动能之比为(A) 1/4． (B) 1/8．(C) 1/16． (D) 1/32． ［ ］13．波长λ =5000 Å的光沿x 轴正向传播，若光的波长的不确定量∆λ =10-3 Å，则利用不确定关系式h x p x ≥∆∆可得光子的x 坐标的不确定量至少为(A) 25 cm ． (B) 50 cm ．(C) 250 cm ． (D) 500 cm ． ［ ］14．氢原子中处于2p 状态的电子，描述其量子态的四个量子数(n ，l ，m l ，m s )可能取的值为(A) (2，2，1，21-)． (B) (2，0，0，21)．(C) (2，1，-1，21-)． (D) (2，0，1，21)． ［ ］二、填空题15、质量M = 1.2 kg 的物体，挂在一个轻弹簧上振动．用秒表测得此系统在 45 s 内振动了90次．若在此弹簧上再加挂质量m = 0.6 kg 的物体，而弹簧所受的力未超过弹性限度．则该系统新的振动周期为_________________．16、一单摆的悬线长l = 1.5 m ，在顶端固定点的竖直下方0.45 m 处有一小钉，如图示．设摆动很小，则单摆的左右两方振幅之比A 1/A 2的近似值为_______________．17、图中所示为两个简谐振动的振动曲线．若以余弦函数表示这两个振动的合成结果，则合振动的方程为=+=21x x x ________________(SI)18、一平面简谐波沿x 轴正方向传播，波速 u = 100 m/s ，t = 0时刻的波形曲线如图所示．可知波长λ = ____________； 振幅A = __________；频率ν = ____________．19、在固定端x = 0处反射的反射波表达式是)/(2cos 2λνx t A y -π=. 设反射波无能量损失，那么入射波的表达式是y 1 = ________________________；形成的驻波的表达式是y = ________________________________________．-20、设平面简谐波沿x 轴传播时在x = 0处发生反射，反射波的表达式为]2/)/(2c o s [2π+-π=λνx t A y 已知反射点为一自由端，则由入射波和反射波形成的驻波的波节位置的坐标为______________________________________．21、如图，在双缝干涉实验中，若把一厚度为e 、折射率为n 的薄云母片覆盖在S 1缝上，中央明条纹将向__________移动；覆盖云母片后，两束相干光至原中央明纹O 处的光程差为__________________．22、一双缝干涉装置，在空气中观察时干涉条纹间距为1.0 mm ．若整个装置放在水中，干涉条纹的间距将为____________________mm ．(设水的折射率为4/3)23、在双缝干涉实验中，所用光波波长λ＝5.461×10–4 mm ，双缝与屏间的距离D ＝300 mm ，双缝间距为d ＝0.134 mm ，则中央明条纹两侧的两个第三级明条纹之间的距离为__________________________．24、用波长为λ的单色光垂直照射到空气劈形膜上，从反射光中观察干涉条纹，距顶点为L 处是暗条纹．使劈尖角θ 连续变大，直到该点处再次出现暗条纹为止．劈尖角的改变量∆θ是___________________________________．25、维纳光驻波实验装置示意如图．MM 为金属反射镜；NN 为涂有极薄感光层的玻璃板．MM 与NN 之间夹角φ＝3.0×10-4 rad ，波长为λ的平面单色光通过NN 板垂直入射到MM 金属反射镜上，则反射光与入射光在相遇区域形成光驻波，NN 板的感光层上形成对应于波腹波节的条纹．实验测得两个相邻的驻波波腹感光点A 、B 的间距AB ＝1.0 mm ，则入射光波的波长为____________________mm ．26、在单缝夫琅禾费衍射示意图中，所画出的各条正入射光线间距相等，那末光线1与2在幕上OS屏21λP 点上相遇时的相位差为______，P 点应为27、光子波长为λ，则其能量=____________；动量的大小 =_____________；质 量=_________________ ．28、在主量子数n =2，自旋磁量子数21=s m 的量子态中，能够填充的最大电子数是_________________．三、计算题29、一质点作简谐振动，其振动方程为)4131c o s (100.62π-π⨯=-t x (SI)(1) 当x 值为多大时，系统的势能为总能量的一半？(2) 质点从平衡位置移动到上述位置所需最短时间为多少？ 30、一简谐振动的振动曲线如图所示．求振动方程31、 在一竖直轻弹簧下端悬挂质量m = 5 g 的小球，弹簧伸长∆l = 1 cm 而平衡．经推动后，该小球在竖直方向作振幅为A = 4 cm 的振动，求(1) 小球的振动周期； (2) 振动能量．一物体同时参与两个同方向的简谐振动： )212c o s (04.01π+π=t x (SI), )2cos(03.02π+π=t x (SI)求此物体的振动方程．32、一物体同时参与两个同方向的简谐振动： )212c o s (04.01π+π=t x (SI), )2cos(03.02π+π=t x (SI)-求此物体的振动方程．33、一平面简谐波沿Ox 轴正方向传播，波的表达式为 )/(2cos λνx t A y -π=, 而另一平面简谐波沿Ox 轴负方向传播，波的表达式为 )/(2cos 2λνx t A y +π= 求：(1) x = λ /4 处介质质点的合振动方程；(2) x = λ /4 处介质质点的速度表达式．34、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． 35、以波长为λ = 0.200 μm 的单色光照射一铜球，铜球能放出电子．现将此铜球充电，试求铜球的电势达到多高时不再放出电子？(铜的逸出功为A = 4.10 eV ，普朗克常量h =6.63×10-34 J ·s ，1 eV =1.60×10-19 J)36、当氢原子从某初始状态跃迁到激发能(从基态到激发态所需的能量)为∆E = 10.19 eV 的状态时，发射出光子的波长是λ=4860 Å，试求该初始状态的能量和主量子数．(普朗克常量h =6.63×10-34 J ·s ，1 eV =1.60×10-19 J)已知第一玻尔轨道半径a ，试计算当氢原子中电子沿第n 玻尔轨道运动时，其相应的德布罗意波长是多少？37、已知第一玻尔轨道半径a ，试计算当氢原子中电子沿第n 玻尔轨道运动时，其相应的德布罗意波长是多少？大学物理答卷（振动、波动、光学）一．选择题ACDCDCDCBCBCCC 二．填空15. 0.61 s 3分 16. 0.843分屏参考解：左右摆动能量相同，应有222221212121ωωmA mA =21121221//l l l g l g A A ===ωω84.05.105.1==17.)21cos(04.0π-πt （其中振幅1分，角频率1分，初相1分） 3分18. 0.8 m 2分 0.2 m 1分 125 Hz 2分19.])/(2cos[π++πλνx t A 3分)212cos()21/2cos(2π+ππ+πt x A νλ 2分20. λ21)21(+=k x ，k = 0，1，2，3，… 3分21. 上 2分(n -1)e 2分22. 0.7523. 7.32 mm24. λ / (2L ) 3分 25. 6.0×10-4 3分参考解： λφ21s i n =⋅AB∴ φλs i n2⋅=AB = 2×1.0×3.0×10-4mm = 6.0×10-4 mm26. 2π 2分暗 2分27. λ/hc 1分λ/h 2分 )/(λc h 2分 28. 4 3分三、计算题29.解：(1) 势能 221kx W P =总能量 221kA E =由题意，4/2122kA kx =， 21024.42-⨯±=±=A x m 2分 (2) 周期 T = 2π/ω = 6 s从平衡位置运动到2Ax ±= ∆t 为 T /8．∴ ∆t = 0.75 s ． 3分30.解：(1) 设振动方程为 )c o s (φω+=t A x由曲线可知 A = 10 cm , t = 0，φcos 1050=-=x ，0sin 100<-=φωv 解上面两式，可得 φ = 2π/3 2分由图可知质点由位移为 x 0 = -5 cm 和v 0 < 0的状态到x = 0和 v > 0的状态所需时间t = 2 s ，代入振动方程得 )3/22c o s (100π+=ω (SI)则有2/33/22π=π+ω，∴ ω = 5 π/12 2分故所求振动方程为 )3/212/5cos(1.0π+π=t x (SI) 1分31.解：(1) )//(2/2/2l g m k m T ∆π=π=π=ω= 0.201 s3分(2) 22)/(2121A l mg kA E ∆== = 3.92×10-3 J 2分32.解：设合成运动（简谐振动）的振动方程为 )c o s (φω+=t A x则 )c o s (2122122212φφ-++=A A A A A ①以 A 1 = 4 cm ，A 2 = 3 cm ，π=π-π=-212112φφ代入①式，得5cm 3422=+=A cm 2分 又 22112211c o s c o s s i n s i n a r c t g φφφφφA A A A ++= ②≈127°≈2.22 rad 2分∴)22.22cos(05.0+π=t x (SI) 1分33.解：(1) x = λ /4处)212c o s (1π-π=t A y ν , )212cos(22π+π=t A y ν 2分∵ y 1，y 2反相 ∴ 合振动振幅 A A A A s =-=2 , 且合振动的初相φ 和y 2的初相一样为π21． 4分合振动方程 )212c o s(π+π=t A y ν 1分 (2) x = λ /4处质点的速度 )212s i n (2/d d π+ππ-== v t A t y νν )2c o s (2π+ππ=t A νν 3分 34. 解：(1) 如图，设P 0为零级明纹中心则 D O P d r r /012≈- 3分(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=-= 3分 (2) 在屏上距O 点为x 处, 光程差λδ3)/(-≈D dx 2分 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分35.解：当铜球充电达到正电势U 时，有221v m A eU h ++=ν 2分当 νh ≤A eU +时，铜球不再放出电子， 1分即 eU ≥h ν -A ==-A hcλ2.12 eV故 U ≥2.12 V 时，铜球不再放出电子．36.解：所发射的光子能量为 ==λε/hc 2.56 eV 2分 氢原子在激发能为10.19 eV 的能级时，其能量为=+=∆E E E K 1-3.41 eV 2分 氢原子在初始状态的能量为 =+=K n E E ε-0.85 eV 2分该初始状态的主量子数为 41==nE E n 2分 37.解：)/(/v m h p h ==λ 1分因为若电子在第n 玻尔轨道运动，其轨道半径和动量矩分别为a n r n 2= )2/(π==nh r m L n v 2分 故 )2/(na h m π=v得 na m h π==2)/(v λ 2分。
大学物理《普通物理学简明教程》振动、波动和光学习题精解概要
A1 φ0A2
π/4x
O
图10-17
解(1)如图10-17,两矢量间夹角为 ,所以合振动振幅
合振动初相
(2)合振动A再与第三个振动合成.根据振动叠加条件, 时合振动有极大值,即
(k=0,1,2…)
当 时合振动有极小值,即
(k=0,1,2…)
10-19当两个同方向的简谐振动合成为一个振动时，其振动表式为：
3应用同一直线上两个简谐振动的合成规律时，要特别注意它们的相位差和合成的振幅的关系；同向时，合振幅最大，反向时，合振幅最小。
10.4思考题选答
1弹簧振子的无阻尼自由振动是简谐振动，同一弹簧振子在简谐驱动力持续作用下的稳态受迫振动也是简谐振动，这两种简谐运动有什么区别？
答：弹簧振子的无阻尼自由振动是在“无阻尼”，包括没有空气等外界施加的阻力和弹簧内部的塑性因素引起的阻力的情况下发生的，是一种理想情况。由于外界不能输入能量，所以弹簧振子的机械能守恒。这时振动的频率由弹簧振子自身的因素（ ）决定。
解：（1）根据振动方程可知：振幅 ，角率 ，初相 ，周期 =1秒；（2）分析质点运动情况：从t=0时刻起， ；向 轴负方向运动，直到 ,即 为止；质点改变运动方向，向 轴正方向运动到位置P点。最短时间间隔为：
(3) 处的时刻。
第11章机械波基础
答：从质量的意义上来说，质量表示物体的惯性，弹簧本身的质量计入时，系统的质量增大，更不易改变运动状态。对不断地周期性改变运动状态的弹簧振
子的简谐运动来说，其进程一定要变慢。这就是说，考虑弹簧的质量时，弹簧振子的振动周期将变大。
10.5习题解答
10-1质量为10g的小球与轻弹簧组成的系统，按 的规律而振动，式中t以s为单位,试求:
式中t以s为单位。求各分振动的角频率和合振动的拍的周期。
大学物理波动光学总结资料
大学物理波动光学总结资料波动光学是指研究光的波动性质及与物质相互作用的学科。
在大学物理中，波动光学通常包括光的干涉、衍射、偏振、散射、吸收等内容。
以下是波动光学的一些基本概念和应用。
一、光的波动性质1.光的电磁波理论。
光是由电磁场传输的波动，在时空上呈现出周期性的变化。
光波在真空中传播速度等于光速而在介质中会有所改变。
根据电场和磁场的变化，光波可以分为不同的偏振状态。
2.光的波长和频率。
光波的波长和频率与它的能量密切相关。
波长越长，频率越低，能量越低；反之亦然。
3.光的能量和强度。
光的能量和强度与波长、频率、振幅有关。
能量密度是指单位体积内的能量，光的强度则是表征单位面积内能量流的强度。
二、光的干涉1.干涉的定义。
干涉是指两个或多个光波向同一方向传播时，相遇后相互作用所产生的现象。
2.杨氏双缝干涉实验。
当一束单色光垂直地照到两个很窄的平行缝口上时，在屏幕上会出现一系列互相平衡、互相补偿的亮和暗的条纹，这种现象就叫做杨氏双缝干涉。
3.干涉条纹的间距。
干涉条纹的间距与光波的波长、发生干涉的光程差等因素有关。
4.布拉格衍射。
布拉格衍射是一种基于干涉理论的衍射现象，用于分析材料的晶体结构。
三、光的衍射1.衍射的定义。
衍射是指光波遇到障碍物时出现波动现象，其表现形式是波动向四周传播并在背面出现干涉现象。
2.夫琅和费衍射。
夫琅和费衍射是指光波通过一个很窄的入口向一个屏幕上的孔洞传播时，从屏幕背面所观察到的特征。
孔洞的大小和形状会影响到衍射现象的质量。
3.斯特拉斯衍射。
斯特拉斯衍射是指透过一个透镜后，将光线聚焦到一个小孔上，然后在背面观察到的光的分布情况。
4.阿贝原则与分束学。
阿贝原则是指光学成像的基本原理，根据这个原理，任意一个物体都可以被看作一个点光源阵列。
分束学是将任意一个物体看作一个点光源阵列，在分别聚焦到像平面后重新合成图像。
四、光的偏振1.偏振的定义。
偏振是指光波的电场振动在一个平面内进行的波动现象。
大学物理波动光学总结
大学物理学波动光学的学习总结（北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院131715班北京 100191）摘要：文章就大学物理学中的波动光学中的核心部分包括干涉，衍射，偏振部分的知识做了梳理，并就对推动波动光学理论建立的光学实验做了总结性的介绍和研究。
关键词：波动光学干涉衍射偏振实验19世纪初，人们发现光有干涉、衍射、和偏振等现象。
例如，在日常生活中常可看到在太阳光的照耀下，肥皂泡或水面的油膜上会呈现出色彩绚丽的彩色条纹图样；又如，让点光源发出的光通过一个直径可调的圆孔，在孔后适当位置放置一屏幕，逐渐缩小孔径，屏幕上上会出现中心亮斑，周围为明暗相间的圆环形图案等等。
这些现象表明光具有波动性，用几何光学理论是无法解释的。
由此产生了以光是波动为基础的光学理论，这就是波动光学。
19世纪60年代，麦克斯韦建立了光的电磁理论，光的干涉，衍射和偏振现象得到了全面说明。
本文将从光的干涉衍射和偏振来讨论光的波动性以及波动光学中的经典实验。
一、光的干涉1.光波定义光波是某一波段的电磁波，是电磁量E和H的空间的传播.2.光的干涉定义满足一定条件的两束(或多束)光波相遇时，在光波重叠区域内，某些点合光强大于分光强之和，在另一些点合光强小于分光强之和，因而合成光波的光强在空间形成强弱相间的稳定分布，称为光的干涉现象，光波的这种叠加称为相干叠加，合成光波的光强在空间形成强弱相间的稳定分布称为干涉条纹，其中强度极大值的分布称为明条纹，强度极小值的分布称为暗条纹.3.相干条件表述两束光波发生相干的条件是:频率相同，振动方向几乎相同，在相遇点处有恒定的相位差.4.光程差与相位差定义两列光波传播到相遇处的光程之差称为光程差;两列光波传播到相遇处的相位之差称为相位差.5.双光束干涉强度公式表述在满足三个相干条件时，两相干光叠加干涉场中各点的光强为式子中，相位差保持恒定，若021I I I ==则6.杨氏双缝千涉实验实验装置与现象如图1所示，狭缝光源S 位于对称轴线上，照明相距为a 的两个狭缝1S 和2S ，在距针孔为D 的垂轴平面上观察干涉图样，装置放置在空气(n=1)中，结构满足θθtan sin ,,≈≥≤x D D d .在近轴区内，屏幕上的是平行、等间距的明暗相间的直条纹，屏幕上P 点的光程差δ为相应明暗纹条件是\干涉条纹的位置是式中，整数k 称为干涉级数，用以区别不同的条纹.7.薄膜干涉实验装置如图2所示，扩展单色光源照射到薄膜上反射光干涉的情况，光源发出的任一单条光线经薄膜上下两个面反射后，形成两条光线①、②，在实验室中可用透镜将它们会聚在焦平面处的屏上进行观察，在膜的上下两个表面反射的两束光线①和②的光程差为二、光的衍射1.光的衍射现象定义一束平行光通过一狭缝K，在其后的屏幕上将呈现光斑，若狭缝的宽度比波度大得多时，屏幕E上的光斑和狭缝完全一致，如图3 Ca)所示，这时可成光沿直线传播的;若缝宽与光波波长可以相比拟时，在屏幕E上的光斑亮度虽然降低，但光斑范围反而增大，如图3 Cb)所示的明暗相间的条纹，这就是光的衍射现象，称偏离原来方向传播的光为衍射光.2.惠更斯一菲涅耳原理表述任何时刻波面上的每一点都可以作为子波的波源，从同一波面上各点发出的子波在空间相遇时，可以相互叠加产生干涉.3.菲涅耳衍射与夫琅禾费衍射定义光源到障碍物，或障碍物到屏的距离为有限远，这类衍射称为菲涅尔衍射:光源到障碍物，以及障碍物到屏的距离都是无限远，这时入射光和衍射光均可视为平行光，这类衍射称为夫琅禾费衍射.三、光的偏振1.光的偏振性定义光波是电磁波，其电矢量称为光矢量，在垂直于传播方向的平面内，光矢量E可能具有的振动状态(矢量端点的轨迹)，称为光的偏振态.光矢量的振动方向与光传播方向所组成的平面称为振动面.2.偏振光定义振动方向具有一定规则的光波，称为偏振光。
大学物理振动与光学
[例1-3] 弹簧振子总能量为 1，若其振幅增为 例 弹簧振子总能量为E 原来的两倍， 原来的两倍，重物质量增为原来的四 。 倍，则振子总能量变为 解： 弹簧振子： 弹簧振子：ω2=k/m
1 1 2 2 2 E = mω A = kA → 总 量 为4E 能 变 1 2 2
Ep = E/ 2 1 2 2 Ep = m x ω x 2 2 2 → =± →cosωt = ± 1 2 2 A 2 2 E= m A ω 2 0 ≤t ≤T / 2 →0 ≤ωt ≤π →ωt =π / 4或 π / 4 3
φ −φ0
[例1-2] 质点的振动规律用余弦函数描述，其 例 质点的振动规律用余弦函数描述， 速度－时间曲线如图， 速度－时间曲线如图，则其初位相应为 。 v(m/s) vm vm/2 t(s) O
v = dx/ dt = −ωAsin(ωt +φ0) = −vm sin(ωt +φ0)
解： x = Acos(ω +φ0) t
波动与光学 (Waves and Optics)
振动，波动，光的干涉、 振动，波动，光的干涉、衍射和偏振
振动(Oscillations) 第一章 振动
振动——物理量随时间的周期性变化 物理量随时间的周期性变化 振动 物理量 位移、电流强度、电场强度 位移、电流强度、电场强度……
e.g.
固体中原子、心脏、交流电、 固体中原子、心脏、交流电、电磁 场…
1 2 1 2 E = Ep + Ek = kx + mv 2 2 2 2 1 2 mv 1 2 v = k(x + ) = k(x + 2 ) 2 k 2 ω 1 2 = kA 2
初相(initial phase) 单位：rad ⑶ φ0——初相 初相 单位： Notes: ① φ0依赖于振动的初始条件。 依赖于振动的初始条件。
大学物理下波动光学部分总结
k = 1,2,...
rk
kR n
l0 2 f a
单缝衍 射
f x k a
k = 1,2,...
l0 2l
其他公式： 1、迈克尔逊干涉仪：
N 2 d d 2 N
' 2(n 1)t N
2 、光学仪器最小分辨角和分辨本领：
爱里斑的半角宽度：
1.22
D
光栅衍射：光栅衍射条纹是单缝衍射和多光束 干涉的综合效果。 光栅方程
(a b) sin k (k 0,1,2...)
缺级现象 最高级次满足：
ab k k' a
kmax
ab
重
类别 杨氏双 缝 劈尖干 涉 牛顿环 明纹
x
要
公
暗纹
4n 2 4n 2
例4.一束波长为 550 nm的平行光以 30º 角入射到相距为 d =1.00×10 – 3 mm 的双缝上，双缝与屏幕 E 的间距为 D=0.10m。在缝 S2上放一折射率为1.5的玻璃片，这时双缝 的中垂线上O 点处出现第8 级明条纹。求：1）此玻璃片的 厚度。2）此时零级明条纹的位置。 E S1 解：1）入射光到达双缝时已有光程差：
x
式
条纹宽度
x D nd
D k nd
D ( 2k 1) nd 2
k = 0,1,2,...
k = 0,1,2,...
2k 1 e 4n
k = 1,2,...
e
k 2n
e
k = 0,1,2,...
l
2 n
2n
(2k 1) R rk 2n
大学物理(波动光学知识点总结)
大学物理(波动光学知识点总结)contents•波动光学基本概念与原理•干涉理论与应用目录•衍射理论与应用•偏振光理论与应用•现代光学技术发展动态简介波动光学基本概念与原理01光波是一种电磁波，具有横波性质，其振动方向与传播方向垂直。
描述光波的物理量包括振幅、频率、波长、波速等，其中波长和频率决定了光的颜色。
光波的传播遵循波动方程，可以通过解波动方程得到光波在不同介质中的传播规律。
光波性质及描述方法干涉现象是指两列或多列光波在空间某些区域相遇时，相互叠加产生加强或减弱的现象。
产生干涉的条件包括：两列光波的频率相同、振动方向相同、相位差恒定。
常见的干涉现象有双缝干涉、薄膜干涉等，可以通过干涉条纹的形状和间距等信息来推断光源和介质的性质。
干涉现象及其条件衍射现象及其分类衍射现象是指光波在传播过程中遇到障碍物或小孔时，偏离直线传播的现象。
衍射现象可以分为菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射两种类型，其中菲涅尔衍射适用于障碍物尺寸与波长相当或更小的情况，而夫琅禾费衍射适用于障碍物尺寸远大于波长的情况。
常见的衍射现象有单缝衍射、圆孔衍射等，可以通过衍射图案的形状和强度分布等信息来研究光波的传播规律和介质的性质。
偏振现象与双折射偏振现象是指光波在传播过程中，振动方向受到限制的现象。
根据振动方向的不同，光波可以分为横波和纵波两种类型，其中只有横波才能发生偏振现象。
双折射现象是指某些晶体在特定方向上对光波产生不同的折射率，使得入射光波被分解成两束振动方向相互垂直的偏振光的现象。
这种现象在光学器件如偏振片、偏振棱镜等中有重要应用。
通过研究偏振现象和双折射现象，可以深入了解光与物质相互作用的基本规律，以及开发新型光学器件和技术的可能性。
干涉理论与应用02杨氏双缝干涉实验原理及结果分析实验原理杨氏双缝干涉实验是基于光的波动性，通过双缝产生的相干光波在空间叠加形成明暗相间的干涉条纹。
结果分析实验结果表明，光波通过双缝后会在屏幕上产生明暗相间的干涉条纹，条纹间距与光波长、双缝间距及屏幕到双缝的距离有关。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
= kλ = ( 2k + 1)
k = 1,2, L （明）
λ
2
k = 0,1,2,L （暗）
劈尖干涉 等厚干涉 牛顿环干涉
劈尖干涉
S
T L M
G1 G2
明条纹or暗条纹！ 明条纹or暗条纹！ 暗条纹
∆l
O′
光程差
δ = 2 n2 e +
2 n2e +
2 n2e +
λ
2
O O′
λ
O
θ
ek
2n
2
λ
2
A1 sin ϕ1 + A2 sin ϕ 2 tgϕ = A1 cos ϕ1 + A2 cos ϕ 2
什么时候振动极大？极大值为多少？ 什么时候振动极大？极大值为多少？ 什么时候振动极小？极小值为多少？ 什么时候振动极小？极小值为多少？
（一）波动基本知识 一、机械波产生的条件（波源、弹性介质） 机械波产生的条件（波源、弹性介质） 二、波动的物理描述 波长、 波长、频率与波速
= kλ
= ( 2 k + 1)
k = 1, 2 , 3 ,L
明纹 暗纹
λ
2
λ
2
k = 0 ,1 , 2 , L
明、暗条纹的位置： 暗条纹的位置：
能确定明暗条纹的位置！ 能确定明暗条纹的位置！
e k 明 =（ k λ − λ 2 ) /( 2 n 2 )
明、暗条纹的间距： 暗条纹的间距：
e ∆ =
e k 暗 =（ k λ ） 2 n 2 ) / （
x 1 = A 1 cos( ω t + ϕ 1 ) x 2 = A 2 cos( ω t + ϕ 2 )
x = Aco ω +ϕ) s( t
k = ±0,1,2,L
∆ϕ =
A=
2kπ, A = A1 + A2 max
( 2k + 1)π , A = A1 − A2 min
2 A12 + A2 + 2 A1 A2 cos ∆ϕ
ω=
1 E= kA2 k 2
m
弹簧振子 单摆
2 A= x0 +
求振动三要素 （1）解析法 ）
v
2 0 2
ω=
g l
（2）图像法 ） （3）旋转矢量法 ）
x0 = A cosϕ t = 0时刻 v0 = − Aω sinϕ
ω
tgϕ = −
v0 x0ω
掌握！ 掌握！
（一）振动基本知识
同方向同频率的简谐振动的合成规律
干 涉
D 干涉 ±k λ 明纹中心 条纹 x = d D λ 各级 ± ( 2k + 1) ⋅ 暗纹中心 中心 d 2 位置 k = 0,1,2,L 能确定各级条纹中心的位置
=
相邻两明纹（或暗纹）中心间的距离: 相邻两明纹（或暗纹）中心间的距离:
分振幅干涉
D ∆x = λ d
会分析条纹变化情况！ 会分析条纹变化情况！
(k = 0,1,2,3…) 获得相干光的方法：分波阵面法； 获得相干光的方法： 分波阵面法；分振幅法
P
r 1
分波面干涉
杨式双缝干涉
s
s1 d s2
r 2
x
O
D
光程差 d δ = r2 − r1 = x D
± kλ 明纹中心） 干涉相长（明纹中心） δ = ( 2k 1) λ + 暗纹中心） 干涉相消（暗纹中心） ± 2 k = 0,1,2,L
三、波动方程
u = λν
y0 = A cos (ω t + ϕ )
原点o 处质元的振动方程 原点
任意点P 点处质元的振动方程——波动方程 任意点 点处质元的振动方程 波动方程
x y = Acos ωt m +ϕ u t x y = Acos 2 m +ϕ π T λ
3. 波的相干条件
频率相同、振动方向相同、 频率相同、振动方向相同、具有恒定相位差
波的相干
y10 = A10 cos (ω t + ϕ 1 ) 波源 y 20 = A20 cos (ω t + ϕ 2 ) 在P点处各自振动方程
2π r1 y1 = A1 cos ω t + ϕ 1 − λ y = A cos ω t + ϕ − 2π r2 2 2 2 λ
一、重要概念
光程：几何路程与媒质折射率的乘积 光程：
L = nr
2π
c u= n
光程差：两列光波在不同路径中传播的光程之差。 光程差：两列光波在不同路径中传播的光程之差。
δ = L2 − L1 = n2 r2 − n1r1
相位差与光程差之间的关系： 相位差与光程差之间的关系： 光波的叠加
λn =
λ
j的取值必须满足2个条件：（1）j为正整数；（2）j应使 k 的取值必须满足2个条件：（1 为正整数；（2 应使 为正整数；（ 的取值必须满足 ：（ d 的整数． 为小于 d λ 的整数
d sin ϕ
f′
偏 振
自然光 线偏振光
干涉衍射证明光是波，偏 干涉衍射证明光是波， 振证明光是什么？ 振证明光是什么？
π
2
第四篇《振动与波》 第四篇《振动与波》
1. 掌握描述简谐振动和简谐波动各物理量的意义及各量的相 互关系。 互关系。 2. 掌握旋转矢量法，并能用以分析有关问题。 掌握旋转矢量法，并能用以分析有关问题。 3. 掌握简谐振动的基本特征。能根据给定的初始条件建立一 掌握简谐振动的基本特征。 维谐振动的运动方程，并理解其物理意义。 维谐振动的运动方程，并理解其物理意义。 4. 理解两个同方向、同频率谐振动的合成规律，以及合振动 理解两个同方向、同频率谐振动的合成规律， 振幅极大和极小的条件。 振幅极大和极小的条件。 5. 理解机械波产生的条件。掌握根据已知质点的谐振动方程 理解机械波产生的条件。 建立平面简谐波的波动方程的方法，以及波动方程的物理 建立平面简谐波的波动方程的方法， 意义。理解波形曲线。 意义。理解波形曲线。 6. 理解惠更斯原理和波的叠加原理。掌握波的相干条件。能 理解惠更斯原理和波的叠加原理。掌握波的相干条件。 用相位差或波程差的概念分析合确定相干波叠加后振幅加 强合减弱的条件。 强合减弱的条件。
了解惠更斯－菲涅耳原理，理解菲涅耳半波带法 了解惠更斯－菲涅耳原理， 夫琅禾费衍射
会确定明/ 会确定明/暗条纹的位置 从衍射角asinφ （1）从衍射角asinφ （2）屏上位置
图像
中央明纹
ϕ = 0 a sin ϕ = ± ( 2 k + 1 ) λ 2
a sin ϕ = ± ( 2 k ) λ 2
2λ a
k = 1 , 2 , 3 L k 级明纹
k = 1 , 2 , 3 L k 级暗纹
线宽度 ∆y0 = 2 f ' 线宽度 ∆yk = f '
衍 射
中央明纹角宽度 ∆ ϕ 0 = 第 k级明纹
第二级明纹 第二级暗纹 第一级明纹 第一级暗纹 中央明纹 第一级暗纹 光栅衍射 第一级明纹 第二级暗纹 第二级明纹
中心为零级暗纹！ 中心为零级暗纹！
根据几何关系
例题
λ
2
r明 = （ 2 k − 1 ) R
r暗 =
kR λ
k = 0 ,1 , 2 , L
会分析透镜抬高后， k = 1 , 2 , 3 , L 会分析透镜抬高后， 条纹如何变化！ 条纹如何变化！
能确定明暗条纹的位置！中心？级次？ 能确定明暗条纹的位置！中心？级次？
n
∆ϕ =
λ
δ
非相干叠加 I = I 1 + I 2 相干叠加
I = I 1 + I 2 + 2 I 1 I 2 cos ∆ ϕ
干涉增强和减弱时光强为多少？ 干涉增强和减弱时光强为多少？
二、干涉加强和减弱的条件
± 2 kπ ∆φ = ± ( 2k + 1)π 加强 减弱
加强 ± kλ δ = ± ( 2k + 1)λ / 2 减弱
要理解这些概念，理解两个定律！ 要理解这些概念，理解两个定律！
光
偏振光
圆偏振光 椭圆偏振光
了解线偏振光的获得方法和检 验方法。 验方法。
部分偏振光
马吕斯定律
I = I 0 cos α
2
例题
n2 布儒斯特定律： 布儒斯特定律：tgi0 = n 1
i0 + γ =
i0 布儒斯特角 布儒斯特角．
反射光线和折射光线的 传播方向互相垂直！ 传播方向互相垂直！
《振动》复习 振动》 简谐振动
微分方程 表达式
（一）振动基本知识
运动方程） x = Acos(ωt +ϕ) （运动方程）
d x +ω2x = 0 dt2
2
(动力学方程 动力学方程) 动力学方程
振动三要素的物理意义？如何求？ 振动三要素的物理意义？如何求？ 振幅A： 振幅 ： 圆频率ω ： 初相位ϕ ：
5λ / 2 2λ 3λ / 2 λ
∆φ =
λ
a
λ
a
∆ϕ 0 2λ = f' 2 a
会分析 （1）asinφ中有几个半波带 asinφ 缝宽对条纹宽度的影响！ （2）缝宽对条纹宽度的影响！ asinφ asinφ 0 波长对条纹宽度的影响！ （3）波长对条纹宽度的影响！ −λ
− 3λ / 2 − 2λ − 5λ / 2
分波面干涉
杨式双缝干涉 洛埃镜实验
干涉装置、 干涉装置、图案
λ
2
干 涉
等倾干涉——平行薄膜干涉