光学第三章习题解答.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,3.3,眼睛,E,和物体,PQ,之间有一块折射率为,1.5,的玻璃平板，平板的厚度,d,为,30cm,。求物体,PQ,的像 与物体,PQ,之间的距离,d,2,为多少？,1,解：,由,P121,例,3.1,的结果,2,3.4,玻璃棱镜的折射棱角,A,为,60,，对某一波长的光其折射率,n,为,1.6,。试计算（,1,）最小偏向角；（,2,）此时的入射角；（,3,）能使光线从,A,角两侧透过棱镜的最小入射角。,解：,（,1,）将,A,=60,，,n,=1.6,代入公式得,得最小偏向角,3,（,2,）,将最小偏向角及,A,代入公式,得,令 时所对应的入射角为 则根据公式,而,（,3,）,4,3.5,下,图所示的是一种恒偏向棱镜，它相当于一个,30,-60,-90,棱镜和一个,45,-45,-90,棱镜按图示方式组合在一起。白光沿,i,方向入射，旋转棱镜改变,1,，从而使任意一种波长的光可以依次循着图示的路径传播，出射光线为,r,，,求证：若 ，则,2,=,1,，且光束,i,与,r,相互垂直。,i,2,i,2,5,解：,而,且光束,i,与,r,相互垂直,6,3.6,高,5,厘米的物体距凹面镜顶点,12,厘米，凹面镜的焦距为,10,厘米，求像的位置及高度，并作光路图。,解：,F,P,P,C,7,3.7,一个高为,5,厘米的物体放在球面镜前,10,厘米处，成,1,厘米高的虚象。试求：（,1,）此镜的曲率半径；（,2,）此镜是凸面镜还是凹面镜？,解：,（,1,）,cm,代入高斯公式得,cm,（,2,）由,r,为正可知该面镜为凸的。,8,3.8,某观察者通过一块薄玻璃片去看在凸面镜中他自己的像。他移动着玻璃片，使得在玻璃片中与在凸面镜中所看到的他眼睛的象重合在一起。,镜的焦距为,10,厘米，眼睛距凸面镜顶点的距离为,40,厘米，问玻璃片距观察者眼睛的距离为多少？,解：,由物象公式,得,由于经凸面镜所成的虚象和玻璃反射所成的虚象重合，故眼睛距玻璃片的距离,x,为,cm,M,Q,O,Q,-P,-x,f,F,.,.,9,3.10,欲使由无穷远发出的近轴光线通过透明球体并成像在右半球面的顶点处，问此透明体的折射率为多少？,解：,由球面折射成象可知,代入上式得,n,n,f,或,10,3.11,有,一折射率为,1.5,，半径为,4cm,的玻璃球，物体在距球表面,6cm,处，求：（,1,）物所成的像到球心之间的距离；（,2,）像的横向放大率。,解：,（,1,）,P152,页公式推导,得,按题意，物离物方主点,H,的距离为,cm,。,（,2,）,5,.,1,4,6,15,=,+,=,=,s,s,b,11,3.12,一个,折射率为,1.53,、,直径为,20cm,的,玻璃,球内有两个小气泡。看上去一个恰好在球心，另一个从离观察者最近的方向看去，好像在表面与球心连线的中点，求两气泡的实际位置。,解：,（,1,）,仍在原处（球心）物像重合,O,12,（,2,）,另一个气泡在离球心,10-6.05=3.95cm,13,3.13,直径为,1,米的球形鱼缸的中心处有一条小鱼，水的折射率为,1.33,。,若玻璃缸壁的影响忽略不计，求缸外观察者所到的小鱼的表观位置和横向放大率,。,解：将,，代入球面折射的物象公式,得,cm,cm,（鱼的表,观,位置仍在原处）,由横向放大率公式,得,cm,14,3.14,玻璃棒一端成半球形，其曲率半径为,2,厘米，将它水平地浸入折射率为,1.33,的水中，沿着棒的轴线离球面顶点,8,厘米处的水中有一物体，利用计算和和图法求象的位置及横向放大率，并作光路图。,解：,已知 厘米，根据球面折射的焦距公式,将 代入高斯公式得,15,横向放大率公式,S,S,n,n,C,F,16,3.15,由两块玻璃薄透镜的两面均为凸球面及凹球面，曲率半径均为,10,厘米。一物点在主轴上距镜,20,厘米处，若物和镜均浸在水中，分别用作图和计算求象点的位置。设玻璃的折射率为,1.50,，水的折射率为,1.33,。,解：若薄透镜的两面均为凸面时，将,厘米代入薄透镜的焦距公式和物象公式,得,17,cm,cm,18,若薄透镜的两面均为凹面时，将,厘米，代入薄透镜的焦距公式和物象公式。,19,3.16,一凸透镜在空气中时焦距为,40,厘米，在水中时焦距为,136.8,厘米，问此透镜的折射率为多少？（水的折射率为,1.33,）。若将此透镜置于,CS,2,中（,CS,2,的折射率为,1.62,），其焦距又为多少？,解：,（,1,）,透镜在空气中和水中的焦距分别为,式中 厘米代入上面两式得,20,当透镜置于,CS,2,时的焦距,将 代入上式得,21,22,3.17,两片,极薄的表玻璃，曲率半径分别为,20,及,25,厘米，将两片的边缘胶合起来，形成内含空气的双凸透镜，将它置于水中，求其焦距为多少？,解：,故浸入水中的空气双凸透镜是发散透镜。,23,3.18,会聚透镜和发散透镜的焦距都是,10cm,，（,1,）与主轴成,30,的一束平行,光,入射到,每,个透镜上，,像,点在何处？（,2,）在,每,个透镜左方的焦平面上离主轴,1cm,处各置一发光点，成,像,在何处？作出光路图。,解：,（,1,）,将,cm,代入高斯公式,象点在焦平面上，离主轴距离为,即坐标为（,10,，,5.8,）,24,将,cm,代入高斯公式得发散透镜的情况如下,即坐标为（,-10,，,5.8,）,（,2,）,将 代入高斯公式,得,且有一定的倾角，这就是会聚透镜的情况。,将 代入高斯公式,发射光束仍为平行光无像点,25,坐标为（,-5,，,0.5,）,26,3.19,图,(a)(b),所示的,MM,分别为一薄透镜的主光轴，,S,为光源，,S,为像。用作图法求透镜中心和透镜焦点的位置。,S,S,F,S,S,F,27,3.21,将焦距为,10,厘米的会聚透镜的中央部分,C,切去，,C,的宽度为,1,厘米，把余下的两部分,A,、,B,胶合起来，并在其对称轴上距透镜,5,厘米处的,P,点置一点光源，试求成象位置。,28,解：,透镜是由,A,、,B,两部分胶合而成，这两部分的主轴都不在该光学系统的中心轴线上。,A,部分的主轴 在系统中心线下方,0.5,cm,处；,B,部分的主轴 则在中心线上方,0.5,cm,处，、分别为,A,、,B,部分透镜的焦点。由于单色点光源,P,经凸透镜,A,和,B,后所成的象是对称的，故本题仅需分析点光源,P,经凸透镜,B,的成象位置 即可。,根据符号法则可知,由象的横向放大率可知象的横向位置为,29,故所成的虚像 在透镜,B,的主轴下方,1cm,处，也就是在光学系统的对称轴下方,0.5cm,处。同理，单色点光源,P,经透镜,A,所成的虚象 在光学系统的对称轴上方,0.5cm,处，,距离凸透镜,A,的光心为,10,cm,。其光路图中仅绘出点光源,P,经凸透镜,B,的成象。此时，虚象 和,就构成了相干光源。它们之间的距离,d,为,1cm,。,30,3.23,如图所示的是一个等边直角棱镜和两个透镜所组成的光学系统。棱镜折射率为,1.5,，凸透镜的焦距为,20,cm,，凹透镜的焦距为,10,cm,，两透镜间距为,5,cm,，,凸透镜距棱镜边的距离为,10,cm,。求图中长度为,1,cm,的物体所成像的位置和大小。,31,解：,由于直角棱镜的折射率,n=1.5,，其临界角,物体再斜面上将发生全反射，并将再棱镜左,侧的透镜轴上成虚像。,考虑到像似深度，此时可将直角棱镜等价于厚度为,h=1.6cm,的平行平板，,由于 的结果可得棱镜所成像的位置为：,32,故等效物距为：,对凹透镜来说：,对凸透镜而言，,33,即在凹透镜左侧,10cm,形成倒立的虚像，其大小为,34,35,3.24,显微镜由焦距为,1,cm,的物镜和焦距为,3,cm,的目镜组成，物镜与目镜之间的距离为,20,cm,，问物体放在何处时才能使最后的像成在距离眼睛,25,cm,处？作出光路图。,解：,36,37,3.25,图中,L,为薄透镜，水平横线,MM,为主轴。,ABC,为已知的一条穿过这个透镜的光线的路径，用用作图法求出任一条光线,DE,穿过透镜后的路径。,F,A,B,C,D,E,M,M,L,38,3.27,双凸薄透镜折射率为,1.5,，的一面镀银，物点,P,在透镜前主轴上,20cm,处，求最后成,像,的位置并作出光路图。,解：,经第一界面折射成象：,将 代入物象公式,即折射光束为平行光束。,经第二界面（镀银面）反射成象：,39,再经第一界面折射成象：,将 代入物象公式,最后成象于透镜第一界面左方,4,厘米处。,40,3.28,实物与光屏间的距离为,l,，在中间某个位置放一个凸透镜，可将实物的像清晰地投于屏上。将透镜移过距离,d,之后，屏上又出现一个清晰的像。（,1,）试计算两个像的大小之比：（,2,）证明透镜的焦距为 ；（,3,）证明,l,不能小于透镜焦距的四倍。,解：（,1,）设两次成象的象高分别为 ，物距和象距分别为 和 。由横向放大率公式得,41,根据光路可逆原理，可知,将上面两式代入前两式得,(2),将 的数值代入高斯公式得,42,（,3,）由上式得,43,3.29,一厚透镜的焦距 ，其两焦点间的距离为,125mm,，若：（,1,）物点置于光轴上物方焦点左方,20mm,处；（,2,）物点置于光轴上物方焦点右方,20mm,处，（,3,）,虚物落在,光轴上,像,方,主,点右方,20mm,处，问这三种情况下,像,的位置各在何处？,像,的性质各为如何？并作光路图。,解：（,1,）,将 ，,代入牛顿公式得,44,代入牛顿公式得,（,2,）,将,代入牛顿公式得,（,3,）,将,45,3.30,一个会聚薄透镜和一个发散薄透镜互相接触而成一复合光具组，当物距为,-80cm,时，实,像,距镜,60cm,，若会聚透镜的焦距为,10cm,，问发散透镜的焦距为多少？,解：,将 ，,代入,高斯,公式得,得到复合光具组的焦距,46,又根据薄透镜组的焦距公式并考虑到,d,=0,得,47,3.31,双凸厚透镜两个球面表面的曲率半径各为,100mm,和,200mm,，沿轴厚度为,10mm,，玻璃的折射率为,1.5,，试求其焦点、主点的位置，并绘图表示之。,解：厚透镜可看成两次球面折射的光学系统，现根据球面折射的焦距公式和间隔公式,48,将 ；,值，并将 值代入第三式得,代上面两式计算,49,故物方主点和焦点可确定,故像方主点和焦点可确定,50,51,