全部光学作业解答

第一章 习题11、物点A 经平面镜成像像点A ＇，A 和A ＇是一对共轭等光程点吗？ 答：A 和A ＇是一对共轭等光程点2、在什么条件下附图中的折射球面起会聚作用，在什么条件下起发散作用？(a) (b)解: r nn n f -''='(a ) ∵ r > 0 ,∴ 当 n' > n 时，0>'f ，会聚；当 n' < n 时，0<'f ,发散。

(b )∵ r < 0 ,∴ 当 n' > n 时，0<'f ，发散; 当 n' < n 时，0>'f ，会聚。

3、顶角α很小的棱镜，常称为光楔；n 是光楔的折射率。

证明光楔使垂直入射的光线产生偏向角δ = (n −1) α，δ是指入射光经两折射面折射后，出射光线与入射光线之间的夹角。

证法一： 由折射定律n sin i 1=n 0sin i 2 ， i 1、 i 2 很小，则 11sin i i ≈ ， 22sin i i ≈ 由几何关系：α=1i ，即2i n =α ∴ αααδ)1(12-=-=-=n n i i证法二：由几何关系：α=1iδαδ+=+=12i i由折射定律 n sin i 1=n 0sin i 2∵ i 1、 i 2 很小，α=≈11sin i i , 22sin i i ≈， 且 10≈n1则有 δαα+=n ，∴ αααδ)1(-=-=n n4、若空气中一均匀球形透明体能将平行光束会聚于其背面顶点上，此透明体的折射率应等于多少？解：设球形透明体的半径为r ，其折射率为n ′已知r p p n 2 , , 1='-∞== 根据单球面折射成像公式r nn p n p n -'=-'' 得：rn r n 12-'=' ∴ 2='n 5、试证明：一束平行光相继经过几个平行分界面的多层介质折射时，出射光线的方向只与入射光的方向及入射空间和出射空间介质的折射率有关，与中间各层介质无关。

证明：∵ 0011sin sin i n i n =1122sin sin i n i n = 2233sin sin i n i n =┇2211sin sin ----=k k k k i n i n 11sin sin --=k k k k i n i n∴ 00sin sin i n i n k k = 即 k k n i n i /)sin (sin 00=，命题成立。

6、照相机的物镜是焦距为12cm 的薄透镜，底片距透镜最大距离为20cm ，拍摄物镜前15cm 处的景物，要在物镜上贴加一个多大焦距的薄透镜？ 解：已知cm p cm p cm f f 20 , 15 , 122111='-==-=' 21p p ='，求?22=-='f fcm p f p p p f p f 60 111 111111111='⇒'=-'⇒=+''cm p p f p p p f p f 60 , 111 1122222222='='=-'⇒=+''且 则有cm p p p p p p p p f 3020602060212122222=-⨯='-'''='-'='n k7、如图所示，L 1、L 2分别为凸透镜和凹透镜，前面放一小物，移动屏幕到L 2后20cm 的S 1处接到像，先将凹透镜L 2撤去，将屏移前5cm 至S 2处，重新接收到像，求凹透镜L 2的焦距。

解：已知 155202cm p =-=20 2cm p =' 求：?22=-='f f111 12222222f p p p f p f '=-'⇒=+'' cm p p p p f 60 22222-='-'='⇒20cm第二章 习题21、一维简谐平面波函数)v(cos ),(xt A t p E -=ω中，v x 表示什么？如果把波函数写为)vcos(),(xt A t p E ωω-=，vxω表示什么？ 答: x /v 表示坐标为x 的P 点的光振动状态对原点同一光振动状态的延迟时间。

ωx /v 表示在同一时刻t ，坐标为x 的P 点的光振动比原点光振动落后的相位。

2、一单色平面光波在玻璃中沿x 轴方向传播，其波函数为)]}0.66c(10[ exp{),(15xt i A t p E -⨯-=π 试求：（1）光波的频率；（2）光波的波长；（3）玻璃的折射率。

解：(1) exp ),(A t p E =｛])v([0ϕω+--xt i ｝ exp A =｛)]66.0(10[15cxt i -⨯-π｝ ∴ ω = π×1015(s -1) , ν = ω/(2π) = 5×1014Hz(2) v=0.66c , 由v = νλ 得λ = v/ν =0.66c/(5×1014)=3.96×10-7(m ) (3) n = c /v = c/(0.66c) = 1.523、一单色光波，传播速度为3×108m/s ，频率为5×1014Hz ，问沿着光波传播方向上相位差为90°的任意两点之间的最短距离是多少？解: 已知 c =3×108(m/s), ν=5×1014Hz , Δφ=π/2, λ=c /ν=6×10-7(m )由 r ∆λπϕ∆2=得 )(105.14106277m r --⨯=⨯==ϕ∆πλ∆=0.15(μm ) 4、一单色平行光，在真空中波长为600nm ，垂直入射到平行平面玻璃板上，玻璃对此波长的折射率为1.5，玻璃板厚度为1×10-4m ，求光在玻璃中的传播速度和波长各是多少？光波透过玻璃刚离开和刚进入时相比，光程差和相位差各是多少？解: 已知 λ0 = 600nm , n =1.5 , h =1×10-4m)/(1025.1103v 88s m n c ⨯=⨯==, )(4005.16000nm n ===λλΔ=nh =1.5×10-4(m) , ππ∆λπδ5105.110622470=⨯⨯⨯==--×102(rad) 5、复振幅ikz Ae p +=)(~ψ中的模和幅角各表示什么物理意义？ 答：模表示波的振幅，辐角表示某时刻波的相位分布或某时刻在空间任意点的相位。

6、写出沿x 轴传播的平面简谐波的复振幅表达式。

解：)(0)(~ϕψ-=kx i Ae p7、分别写出发散的和会聚的球面简谐波的复振幅。

解：发散，)](exp[)(~0ϕψ-=kr i rA P会聚，)](exp[)(~0ϕψ--=kr i rAP 8、如图所示，一波长为λ的平面简谐波沿r 方向传播，设r = 0处的初相位为φ0，(1) 写出沿r 方向波的相位分布φ(r )； (2) 写出沿x 方向波的相位分布φ(x )； (3) 写出沿y 方向波的相位分布φ(y )； (5) 写出该平面简谐波的复振幅表达式。

解： (1) 0002)(ϕλπϕϕϕ-=-=-⋅=r kr r k r ϖϖ (2) 0000cos 22)(ϕθλπϕλπϕϕϕ-=-=-=-⋅=x x x k i x k x xx ϖϖ(3) 0000sin 22)(ϕθλπϕλπϕϕϕ-=-=-=-⋅=y y y k i y k y yy ϖϖ (4)]})[(exp{)](exp[)(~00ϕϕψ-++=-⋅=z k y k x k i A r k i A P z y x ϖϖ]}) sin (cos 2[exp{0ϕθθλπ-+=y x i A第二章 习题31、试计算如图所示的周期函数Λ 3 2 1 0)2/1( 1)2/1( 1 )(,,,,n ,n x n ,,n x n ,x g ±±±=≤≤--+<<+=λλλλ当当的傅里叶级数表达式。

解：⎰=λλ002dx )x (g a0)2(2222/2/0=⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎰⎰λλλλλλλλdx dx ⎰⎰⎰-==λλλλλπλλπλλπλ2/2/00)2cos(2)2cos(2)2cos()(2dxx mdx x mdxx m x g a mΛ 3, 2, 1 , 0)2()2(1220,m x m sin x m sin m //==⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=λλλλπλππ)2sin(2)2sin(2)2sin()(22/02/0⎰⎰⎰-==λλλλλπλλπλλπλdx x mdx x mdxx m x g b m⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+=λλλλπλππ202221//)x m cos()x m cos(m )cos 1(2ππm m -== ),6 ,4 ,2( , 0) ,5 ,3 ,1( , 4ΛΛ==m m m π ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++=Λ)25sin(51)23sin(31)2sin(4)(x x x x g λπλπλππλππ2 )5sin(51)3sin(31)sin(4=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++=k kx kx kx 其中Λ 2、试计算如图所示函数的傅里叶变换。

+E 0 , d x <<0解：()f x = - E 0 , 0<<-x d0 x 为其它值02 2 2 000()()di f x i f x i f x dG f f x e dx E e dx E e dx πππ+∞----∞-==-+⎰⎰⎰dx e E dx eE dx ik d xik ⎰⎰---+-=000[][][]220222000 0 0 00 0 02/)2/sin(2sin )2/(12)cos(14)]cos(1[2212)(2)1()1()()(⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=-=-=-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=+-=---=---=------⎰⎰kd kd kd iE kd kd kd iE kd ik E kd ik E e e ik E e e ik E e e ik E ikx d e ikx d e ik E d ik d ik d ik d ik d ik d ik d x ik d xik ⎪⎭⎫ ⎝⎛-=2c sin 220kd kd iE3、一单色光源发射波长为550 nm 的等幅简谐波列，与其谱线半宽度相应的波长间隔为0.25 nm ，求此波列的长度和持续时间。