大学物理习题及解答(振动与波、波动光学).doc

1． 有一弹簧,当其下端挂一质量为m得物体时,伸长量为9、8 ´ 10－2 m。若使物体上下振动,且规定向下为正方向。(1)t = 0时,物体在平衡位置上方8、0 ´ 10－2 m处,由静止开始向下运动,求运动方程。(2)t = 0时,物体在平衡位置并以0、60 m/s得速度向上运动,求运动方程。
题1分析:
求运动方程,也就就是要确定振动得三个特征物理量A、,与。 其中振动得角频率就是由弹簧振子系统得固有性质(振子质量m及弹簧劲度系数k)决定得,即,k可根据物体受力平衡时弹簧得伸长来计算;振幅A与初相需要根据初始条件确定。
解:
物体受力平衡时,弹性力F与重力P得大小相等,即F = mg。 而此时弹簧得伸长量。 则弹簧得劲度系数。 系统作简谐运动得角频率为

(1)设系统平衡时,物体所在处为坐标原点,向下为x轴正向。 由初始条件t = 0时,,可得振幅;应用旋转矢量法可确定初相。则运动方程为

(2)t = 0时,,,同理可得,
;则运动方程为

2.某振动质点得x－t曲线如图所示,试求:(1)运动方程;(2)点P对应得相位;(3)到达点P相应位置所需要得时间。
题2分析:
由已知运动方程画振动曲线与由振动曲线求运动方程就是振动中常见得两类问题。 本题就就是要通过x－t图线确定振动得三个特征量量A、,与,从而写出运动方程。 曲线最大幅值即为振幅A;而、通常可通过旋转矢量法或解析法解出,一般采用旋转矢量法比较方便 。
解:
(1)质点振动振幅A = 0、10 m。 而由振动曲线可画出t = 0与t = 4s时旋转矢量,如图所示。 由图可见初相,而由得,则运动方程为

(2)图(a)中点P得位置就是质点从A/2处运动到正向得端点处。 对应得旋转矢量图如图所示。 当初相取时,点 P得相位为)。
(3)由旋转关量图可得,则
(如果初相取,则点P相应得相位应表示为
3． 点作同频率、同振幅得简谐运动。第一个质点得运动方程为,当第一个质点自振动正方向回到平衡位置时,第二个质点恰在振动正方向得端点。试用旋转矢量图表示它们,并求第二个质点得运动方程及它们得相位差。
题3、解:图为两质点在特定时刻t得旋转矢量图,OM表示第一个质点振动得旋转矢量;ON表示第二个质点振动得旋转矢量。 可见第一个质点振动得相位比第二个质点超前,即它们得相位差。第二个质点得运动方程应为

4.波源作简谐运动,其运动方程为,它所形成得波形以30 m/s得速度沿一直线传播。(1)求波得周期及波长;(2)写出波 动方程。
解:(1)由已知得运动方程可知,质点振动得角频率。根据分析中所述,波得周期就就是振动得周期,故有

波长为

(2)     将已知得波源运动方程与简谐运动方程得一般形式比较后可得

　故以波源为原点,沿x轴正向传播得波得波动方程为

5.波源作简谐振动,周期为,以它经平衡位置向正方向运动时为时间起点,若此振动以u = 400 m/s得速度沿直线传播。求:(1)距离波源8、0 m处质点P得运动方程与初相;(2)距离波源9、0 m与10、0 m处两点得相位差。
解:在确知角频率、波速与初相得条件下,波动方程

位于 xP = 8、0 m处,质点P得运动方程为

该质点振动得初相。而距波源9、0 m与 10、0 m两点得相位差为

如果波源初相取,则波动方程为

质点P振动得初相也变为,但波线上任两点间得相位差并不改变。
6.平面简谐波以波速u = 0、5 m/s沿Ox轴负方向传播,在t = 2 s时得波形图如图所示。求原点得运动方程。
题6分析:从波形图中可知振幅A、波长与频率。由于图(a)就是t = 2 s时刻得波形曲线,因此确定t = 0时原点处质点得初相就成为本题求解得难点。求t = 0时得初相有多种方法。下面介绍波形平移法、波得传播可以形象地描述为波形得传播。由于波就是沿 Ox轴负向传播得,所以可将t = 2 s时得波形沿Ox轴正向平移,即得到t = 0时得波形图,再根据此时点O得状态,用旋转关量法确定其初相位。
解:由图得知彼长,振幅A = 0、5 m。角频率。
按分析中所述,从图可知t = 0时,原点处得质点位于平衡位置。并由旋转矢量图得到,则所求运动方程为

7、 牛顿环装置中,透镜得曲率半径R = 40 cm,用单色光垂直照射,在反射光中观察某一级暗环得半径r = 2、5 mm。现把平板玻璃向下平移,上述被观察暗环得半径变为何值？
8、 在折射率得照相机镜头表面涂有一层折射率得MgF2增透膜,若此膜仅适用于波长得光,则此膜得最小厚度为多少？
解:(解法一)因干涉得互补性,波长为550nm得光在透射中得到加强,则在反射中一定减弱,两反射光得光程差,由干涉相消条件,得               

取k = 0,则
(解法二)
由于空气得折射率nl = 1,且有n1＜n2＜n3,则对透射光而言,两相干光得光程差,由干涉加强条件,得,
取k = l,则膜得最小厚度
9、 如图所示,狭缝得宽度 b = 0、60 mm,透镜焦距f = 0、40 m,有一与狭缝平行得屏放置在透镜焦平面处。若以单色平行光垂直照射狭缝,则在屏上离点O为x = 1、4 mm处得点 P,瞧到得就是衍射明条纹。试求:(1)该入射光得波长;(2)点P条纹得级数;(3)从点P瞧来对该光波而言,狭缝处得波阵面可作半波带得数目。
题9分析:单缝衍射中得明纹条件为,在观察点P 确定(即确定)后,由于k只能取整数值,故满足上式得只可取若干不连续得值,对照可见光得波长范围可确定入射光波长得取值。此外,如点P处得明纹级次为k,则狭缝处得波阵面可以划分得半波带数目为(2k＋ l),它们都与观察点P有关,越大,可以划分得半波带数目也越大。
解:
(l)透镜到屏得距离为d,由于d >>b,对点P 而言,有。根据单缝衍射明纹条件
          ,有
将b、d()、x得值代入,并考虑可见光波长得上、下限值,有
          时,
          时,
因k只能取整数值,故在可见光范围内只允许有 k = 4与 k = 3,它们所对应得入射光波长分别为= 466、7 nm与= 600 nm。
(2)点P得条纹级次随入射光波长而异,当 600 nm时,k = 3;当= 466、7 nm时, k = 4。
(3)当 = 600 nm时,k = 3,半波带数目为(2k＋l)= 7;当= 466、7 nm时,k = 4,半波带数目为9。
10.为了测定一光栅得光栅常数,用= 632、8 nm得单色平行光垂直照射光栅,已知第一级明条纹出现在38°得方向,试问此光栅得光栅常数为多少？第二级明条纹出现在什么角度？若使用此光栅对某单色光进行同样得衍射实验,测得第一级明条纹出现在270得方向上,问此单色光得波长为多少？对此单色光,最多可瞧到第几级明条纹？
解:由题意知,在 = 632、8 nm, k = 1时,衍射角 = 380,由光栅方程可得光栅常数

k = 2时,因,第二级明纹(即k = 2)所对应得衍射角不存在,因此用
此波长得光照射光栅不会出现第二级明纹。
若用另一种波长得光照射此光栅,因第一级明纹出现在得方向上,得

令,可得用此波长光照射时,屏上出现得最大条纹级次为

因k只能取整数,则km = 2,故最多只能瞧到第二级明纹。
11.测得一池静水得表面反射出来得太阳光就是线偏振光,求此时太阳处在地平线得多大仰角处？(水得折射率为1、33)(36、9o)
12.一束光就是自然光与线偏振光得混合,当它通过一偏振片时,发现透射光得强度取决于偏振片得取向,其强度可以变化5倍,求入射光中两种光得强度各占总入射光强度得几分之几。
解:设入射混合光强为I,其中线偏振光强为xI,自然光强为(1-x)I。按题意旋转偏振片,则有:
最大透射光强。 
最小透射光强。 
按题意,Imax/Imin = 5,则有

解得   
即线偏振光占总入射光强得2／3,自然光占1／3。
13.用波长为589、3 nm得钠黄光观察牛顿环,测得某一明环得半径为1、0×10－3 m,而其外第四个明环得半径为3、0×10－3 m,求平凸透镜凸面得曲率半径。(3、39m)
14.  自然光射到平行平板玻璃上,反射光恰为线偏振光,且折射光得折射角为32o,试求:
(1)    自然光得入射角;
    (2)    玻璃得折射率;
    (3)    玻璃下表面得反射光、透射光得偏振状态。
解  (1)由布儒斯特定律知,反射光为线偏振光时,反射光与折射光垂直,即
     所以自然光得入射角         
(2)    根据布儒斯特定律,其中,所以玻璃折射率为
(3)    在玻璃片下表面,入射角等于,折射角等于,
      因为         
      所以    因此下表面得反射光也就是线偏振光,振动方向垂直入射面,玻璃片得透射光还就是部分偏振光,不过偏振度比在玻璃中更大了。
如图所示,在杨氏实验中,入射光得波长为 。今将折射率 得薄玻璃片覆盖在狭缝 上,这时观察到屏幕上零级明条纹向上移到原来得第7级明条纹处。求此玻璃片厚度。
解: 在未覆盖玻璃片时,屏幕上第7级明条纹位于 处,两相干光在 处得光程差应满足

    把玻璃片覆盖在 缝上时,零级明条纹移到处,设玻璃片厚度为,则两束相干光在处得光程差应满足

将 代入上式,则

由此解算出

在空气中垂直入射得白光从肥皂膜上反射,对波长为得光有一个干涉极大(即加强),而对波长为 得光有一个干涉极小(即减弱)。其它波长得可见光经反射后并没有发生极小。假定肥皂水膜得折射率瞧作与水相同,即 ,膜得厚度就是均匀得,求膜得厚度。
解:按薄膜得反射光干涉加强与减弱得条件,由题中所设光线垂直入射,即 ,则对 得光干涉极大,故

对 得光干涉极小,故( 由于在 与 之间无其它波长得可见光反射后发生极小,因此两方程中得 就是相同得)

  联立求解,得