大学物理下册第三版课后答案19光的衍射

习题19

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19-1．波长为546nm 的平行光垂直照射在缝宽为0. 437mm 的单缝上，缝后有焦距为40cm 的凸透镜，求透镜焦平面上出现的衍射中央明纹的线宽度。 解：中央明纹的线宽即为两个暗纹之间的距离：

2λf 2⨯546⨯10-9⨯0.4-3

2∆x ===1.0⨯10m 。 -3

a 0.437⨯10

19-2．在单缝夫琅禾费衍射实验中，波长为λ的单色光的第三极亮纹与波长λ' =630nm 的单色光的第二级亮纹恰好重合，求此单色光的波长λ。 解：单缝衍射的明纹公式为：a sin ϕ=(2k +1)

λ， 2

当λ' =630nm 时，k ' =2，未知单色光的波长为λ、k =3，重合时ϕ角相同，所以有：

a sin ϕ=(2⨯2+1)

630nm λ5

=(2⨯3+1) ，得：λ=⨯630nm =450nm 。 227

19-3．用波长λ1=400nm 和λ2=700nm 的混合光垂直照射单缝，在衍射图样中λ1的第k 1级明纹中心位置恰与λ2的第k 2级暗纹中心位置重合。求满足条件最小的k 1和k 2。 解：由a sin θ=(2k 1+1)

λ1

2

，a sin θ=2k 2

λ2

2

，有：

2k 1+12k 2

=

λ27=， λ14

∴4k 1+2=7k 2，即：k 1=3，k 2=2。

19-4．在通常的环境中，人眼的瞳孔直径为3mm 。设人眼最敏感的光波长为λ=550nm ，人眼最小分辨角为多大？如果窗纱上两根细丝之间的距离为2. 0mm ，人在多远处恰能分辨。

550⨯10-9

=2. 2⨯10-4rad 解：最小分辨角为：θ=1. 22=1. 22⨯-3

D 3⨯10

如果窗纱上两根细丝之间的距离为2.0mm ，人在s 远处恰能分辨，则利用：

l

θ==2.2⨯10-4rad ，当l =2mm 时，s =9.1m 。

s

λ

19-5．波长为500nm 和520nm 的两种单色光同时垂直入射在光栅常数为0. 002cm 的光栅上，紧靠光栅后用焦距为2m 的透镜把光线聚焦在屏幕上。求这两束光的第三级谱线之间的距离。

解：两种波长的第三谱线的位置分别为x 1、x 2，

f 1f x

k λ，x 2=k λ2，由光栅公式：d sin ϕ=±k λ，考虑到sin ϕ=tan ϕ=，有：x 1=

d d f

f 2

所以：∆x =x 1-x 2=k λ=⨯3⨯20⨯10-9=6⨯10-3m 。 -5

d 2⨯10

19-6．波长600nm 的单色光垂直照射在光栅上，第二级明条纹出现在sin θ=0.20处，第四级缺级。试求：

（1）光栅常数(a +b ) ；

（2）光栅上狭缝可能的最小宽度a ；

（3）按上述选定的a 、b 值，在光屏上可能观察到的全部级数。 解：（1）由(a +b )sin θ=k λ式，对应于sin θ=0.20处满足：

0.20(a +b ) =2⨯600⨯10-9，得：(a +b ) =6.0⨯10-6m ；

（2）因第四级缺级，故此须同时满足：(a +b )sin θ=k λ，a sin θ=k 'λ，

a +b

k '=1. 5⨯10-6k '，取k '=1，得光栅狭缝的最小宽度为1.5⨯10-6m ； 4

(a +b )sin θπ

（3）由(a +b )sin θ=k λ，k =，当θ=，对应k =k max ，

λ2

解得：a =∴k max =

a +b

λ

6. 0⨯10-6

==10。 6000⨯10-10

因±4，±8缺级，所以在-90︒

k =0，±1，±2，±3，±5，±6，±7，±9共15条明条纹(k =±10在θ=±90︒处看不到) 。

19-7．如能用一光栅在第一级光谱中分辨在波长间隔∆λ=0. 18nm ，发射中心波长为λ=656. 3nm 的红双线，则该光栅的总缝数至少为多少？ 解：根据光栅的分辨本领：

∆λ

λ

=kN -1，令k =1，有：

N =

∆λ

λ

+1=

653.3

+1=3646+1=3647（条）。 0.18

19-8．已知天空中两颗星相对于望远镜的角宽度为4.84×10-6rad ，它们发出的光波波长λ=550nm。望远镜物镜的口径至少要多大，才能分辨出这两颗星？ 解：由分辨本领表式：θR =θ1=1.22

λ

d

，

λ550⨯10-9

∴d =1.22。 =1.22⨯=0.139（m ）-6

θR 4.84⨯10

19-9．一缝间距d =0.1mm ，缝宽a =0.02mm 的双缝，用波长λ=600nm 的平行单色光垂直入射，双缝后放一焦距为f =2.0m 的透镜，求：（1）单缝衍射中央亮条纹的宽度内有几条干涉主极大条纹；（2）在这双缝的中间再开一条相同的单缝，中央亮条纹的宽度内又有几条干涉主极大？ 解：（1）双缝干涉实际上是单缝衍射基础上的双光束干涉，单缝衍射两暗纹之间的宽度内，考察干涉的主极大，可以套用光栅的缺级条件。

k a +b a +b 0.10mm =有：k =k ' =k ' =5k ' ，当k ' =1时，有k =5， k ' a a 0.02mm

±1，±2，±3，±4共九条干涉主极∴第五级为缺级，单缝衍射中央亮条纹的宽度内有k =0，

由

大条纹；

（2）在这双缝的中间再开一条相同的单缝，则此时的a +b =0.05mm ，

a +b 0.05mm

k ' =k ' =2.5k ' ，当k ' =1时，有k =2.5， a 0.02mm

±1，±2共五条干涉主极大条纹。 显然，单缝衍射中央亮条纹的宽度内有k =0，

19-10．已知氯化钠晶体的晶面距离d =0.282nm ，现用波长λ=0.154nm 的X 射线射向晶体表面，观察到第一级反射主极大，求X 射线与晶体所成的掠射角。 解：由布拉格条件：2d sin ϕ=k λk =0，1，2 ，取第一级k =1，有：

0.154nm λ

sin ϕ===0.2730，ϕ=0.276rad =15.84 =15 50' 。

2d 2⨯0.282nm

同理：k =

19-11．一个平面透射光栅，当用光垂直入射时，能在30角的衍射方向上得到600nm 的第二级主极大，并且第二级主极大能分辨∆λ=0.05nm 的两条光谱线，但不能得到400nm 的第三级主极大，求：（1）此光栅的透光部分的宽度a 和不透光部分的宽度b ；（2）此光栅的总缝数N 。

30角的衍射方向上得到600nm 第二级主极大，解：（1）依题意，所以： (a +b ) sin30 =2λ，

有：a +b =4⨯600nm =2.4μm

但不能得到400nm 的第三级主极大，说明400nm 的第三级条纹缺级，

a +b

=3， a

所以：透光部分的宽度a =0.8μm ，不透光部分的宽度b =1.6μm ；

kN -1

λ+∆λ）（2）根据瑞利判据：k λ=，有： N

λ600nm N ≈==6000（条）

k ∆λ2⨯0.05nm

由缺级的定义可得：

19-12．波长400nm 到750nm 的白光垂直照射到某光栅上，在离光栅0.50m 处的光屏上测得第一级彩带离中央明条纹中心最近的距离为4.0cm ，求：（1）第一级彩带的宽度；（2）第三级的哪些波长的光与第二级光谱的光相重合。 解：（1）衍射光栅中，由及sin θ=

k λx

f ， 知：x =

a +b f

4⨯10-7-6

波长越小，则离中央明纹就越近，所以：a +b =f =⨯0.5=5⨯10m 。 -2

x 14⨯10

λ

7.5⨯10-7-2

⨯0.5=7.5⨯10m =7.5cm ， 那么750nm 的波长的第一级条纹位置在：x 1' =-6

5⨯10

∴第一级彩带的宽度：∆x =x 1' -x 1=7.5cm -4cm =3.5cm ；

（2）重合部分的光满足衍射角相等，设第二级的λ2与第三级的λ3重合，由公式：

(a +b )sin θ=k λ，知2λ2=3λ3，即：λ3=

当λ2=750nm 时，λ3=500nm ， 当λ3=400nm 时，λ2=600nm ，

2λ23

，

∴第三级中有一部分和它将重合，对应的第三极波长为400 500nm 的波。

19-13．用每毫米500条栅纹的光栅，观察钠光光谱（λ=590nm ）。问：（1）光线垂直入射；（2）光线以入射角30入射时，最多能看到几级条纹？

10-3

=2⨯10-6m ，而(a +b )sin ϕ=k λ， 解：（1）正入射时，光栅常数为：a +b =500

a +b 2⨯10-6

sin ϕ=sin ϕ=3.39sin ϕ， 有：k =λ5.9⨯10-7

∵sin ϕ≤1，∴对应的级次k （取整数）只能取3，

±1，±2，±3； 最多能看到的条纹为7条：k =0，

（2）斜入射时，利用(a +b )(sinϕ±sin θ) =k λ，选择(a +b )(sinϕ+sin θ) =k λ，

(a +b ) 11

(sinϕ+) =3.39(sinϕ+) 将θ=30代入，有：k =λ225

当ϕ=90 时，k =3.39⨯=5.085，

2

1

当ϕ=-90 时，k =3.39⨯(-) =-1.7，

2

对应的级次（取整数）为5 -1级，

43，，21，，0-1。 ∴能看7条条纹：k =5，，

思考题19

19-1．要分辨出天空遥远的双星，为什么要用直径很大的天文望远镜？ 答：最小分辨角为：θ=1. 22

λ

D

，它的倒数为分辨本领，当D 越大，θ越小，那么分辨本领

就越大。所以用的天文望远镜的直径很大，提高了分辨本领。

19-2．使用蓝色激光在光盘上进行数据读写较红色激光有何优越性？ 答：最小分辨角为：θ=1. 22

λ

D

，它的倒数为分辨本领，当λ越小，θ越小，那么分辨本

领就越大。所以用的蓝色光比红色光好，提高了分辨本领。

19-3．光栅形成的光谱较玻璃棱镜形成的色散光谱有何不同？ 答：两者都是分光元件。不同点：

（1）光栅光谱有一系列的级次，每一级次都有正负两套光谱，零级光谱因波长重合而不能分光；而棱镜光谱只有一套零级光谱，相对强度大。

（2）低级次的光栅光谱波长与衍射角近似有正比关系，称为匀排光谱；而棱镜光谱的波长与角度为非线性关系，不是匀排光谱。

19-4．孔径相同的微波望远镜和光学望远镜相比较，哪个分辨本领大？为什么？ 答：最小分辨角为：θ=1. 22

λ

D

，它的倒数为分辨本领，当λ越小，θ越小，那么分辨本

领就越大。由于微波的波长大于光波的波长，所以光波望远镜的分辨本领大。

19-5．登月宇航员声称在月球上唯独能够用肉眼分辨地球上的人工建筑是中国的长城。你依据什么可以判断这句话是否真的？需要哪些数据？ 答：可利用瑞利判据。

借用习题19-4的数据，设人眼的瞳孔直径为3mm 。眼睛最敏感的光波长为

λ=550nm ，人眼最小分辨角为θ=2.2⨯10-4rad ；而月地之间的距离为384400公里，考

虑万里长城长约5000公里，宽约30米，由：

l 5000km d 50⨯10-3km -2

θ长===1.30⨯10rad ，θ宽===1.30⨯10-7rad ；

s 384400km s 384400km

根据以上数据，宇航员在月球上应该不能用肉眼分辨长城是地球上的人工建筑。