物理光学知识点

第一章波的基本性质一.填空题1某介质的介电常数为，相对介电常数为r，磁导率为，相对磁导率为r，则光波在该介质中的传播速度v（1）；该介质的折射率n（rr）。2单色自然光从折射率为n1的透明介质1入射到折射率为n2的透明介质2中，在两介质的分界面上，发生（反射和折射）现象；反射角r、透射角t和入射角i的关系为（ri，12sinsinitnn）；设12,分别为光波在介质1、介质2中的时间频率，则12和的关系为（12=）；设12,分别为光波在介质1、介质2中的波长，则12和的关系为（1122nn）。3若一束光波的电场为152cos210zEjtc,则，光波的偏振状态是振动方向沿（y轴）的（线）偏振光；光波的传播方向是（z轴）方向；振幅是（2）vm；频率是（1510）Hz；空间周期是（7310）m；光速是（8310）m/s。4已知为波长632.8nm的He-Ne激光在真空中的传播速度为3.0x108m/s，其频率为4.74x1014Hz；在折射为1.5的透明介质中传播速度v为2.0x108m/s，频率为4.74x1014Hz，波长为421.9nm；5一平面单色光波的圆频率为ω、波矢为k，其在真空中的光场E用三角函数表示为)cos(0rktEE，用复数表示为)(exp0trkiEE；若单色球面(发散)光波的圆频率为ω、波矢为k，其在真空中的光场E用三角函数表示为)cos()(1rktrEE，用复数表示为)(exp1trkirEE；6一光波的波长为500nm，其传播方向与x轴的夹角为300，与y轴的夹角为600，则其与z轴的夹角为900，其空间频率分别为1.732x106m-1、1x106m-1、0；7玻璃的折射率为n＝1.5，光从空气射向玻璃时的布儒斯特角为________；光从玻璃射向空气时的布儒斯特角为________。8单色自然光从折射率为n1的透明介质1入射到折射率为n2的透明介质2中，在两介质的分界面上，发生现象；(),()()rti反射角透射角和入射角的关系为；设12,分别为光波在介质1、介质2中的时间频率，则12和的关系为；设12,分别为光波在介质1、介质2中的波长，则12和的关系为。二.选择题10exp()EEitkz与0exp()EEitkz描述的是（C）传播的光波。A.沿正z方向；B.沿负z方向；C.分别沿正z和负z方向；D.分别沿负z和正z方向。2光波的能流密度S正比于（B）。A．E或HB．2E或2HC．2E，与H无关D．2H，与E无关3在麦克斯韦方程组中，描述法拉第电磁感应定律的方程是：（C）。A.D；B.0B；C.BEt；D.DHjt4若某波长的光在某介质的相对介电常数为r，相对磁导率为r，则该光在该介质中的折射率为（B）。A.1rrn；B.rrn；C.rn；D.1rn5某种透明媒质对于空气的临界角（指全反射）等于45°，光从空气射向此媒质时的布儒斯特角是（D）。A.小于45°；B.30°C.45°；D.大于45°6在麦克斯韦方程组中，说明磁场是无源场的方程是：（B）。A.D；B.0B；C.BEt；D.DHjt7若某波长的光在某介质的介电常数为，磁导率为，则该光在该介质中的传播速度为（A）。A.1v；B.v；C.v；D.1v8在介质1和2的分界面上（法线表示为n），若无面电荷和面电流，下列关系正确的是（B）。A.12()0nBB；B.12()0nDD；C.12()0nEE；D.12()0nHH9全反射时，在折射率小的介质中的电场()。B。A．等于零B．随离界面距离的增加按指数规律衰减C．等于常数D．随离界面距离的增加按指数规律增加10自然光在界面发生反射和折射，当反射光为线偏振光时，折射光与反射光的夹角必为()。DA．BB．CC．3D．211当光波在两种不同介质中的振幅相等时，D。A.其强度相等B.其强度不相等C.不确定D.其强度比等于两种介质的折射率之比12光从折射率小介质中正入射到折射率大的介质表面时，相对于入射光的电场和磁场，反射光的C。A．电场和磁场都无相位变化B.电场和磁场都有相位突变C.电场有相位突变，磁场无相位变化D.电场无相位变化，磁场有相位突变13在相同时间内，同一单色光在空气和在玻璃中C。A.传播的路程相等，走过的光程相等。B.传播的路程相等，走过的光程不相等。C.传播的路程不相等，走过的光程相等。D.传播的路程不相等，走过的光程不相等。14光在界面发生反射和透射，对于入射光、反射光和透射光，不变的量是D。A．波长B．波矢C．强度D．频率156.光波的能流密度S正比于B。A．E或HB．2E或2HC．2E，与H无关D．2H，与E无关tDjHtBEBD0三.名词解释1半波损失：在小角度入射(1分)或掠入射(1分)两种情况下，光波由折射率小的媒质（光疏媒质）进入折射率大的媒质（光密媒质）时，反射光和入射光的振动方向相反，这种现象通常称为“半波损失”。(1分)2全反射：光从光密介质入射到光疏介质，并且当入射角大于临界角时，在两个不同介质的分界面上，入射光全部返回到原介质中的现象，就叫全反射。3折射定律：①折射光位于由入射光和法线所确定的平面内。②折射光与入射光分居在法线的两侧。③折射角与入射角满足：nnIIsinsin。4坡印亭矢量（34、辐射强度矢量）：它表示单位时间内，通过垂直于传播方向的，单位面积的电磁能量的大小。它的方向代表的是能量流动的方向，BES1。5发光强度：辐射强度矢量的时间平均值)(I。6反射定律：①反射光线位于由入射光线和法线所确定的平面内；②反射光线和入射光线位于法线两侧；③反射角与入射角绝对值相等，符号相反，即II。7相速度：等相面的传播速度。8群速度：振幅恒值点的移动速度。四.简答题1电磁场波动方程的数学表示式电场的波动方程：012222tEvE；磁场的波动方程：012222tBvB2平面波、球面波、柱面波的一般式平面波：trkiAEexp；球面波：trkirAEexp1；柱面波：trkirAEexp13电磁波是如何相互激发产生的变化的电场产生交变的磁场，交变的磁场产生变化的电场，从而，电场和磁场相互激发，以一定的速度由近及远传播开来就形成了电磁波。4原子发光特点①实际原子发出的是一段儿一段儿有限大的波列；②振幅在持续时间内保持不变或变化缓慢；③前后波列之间没有固定的相位关系；④各个波列的振动方向不同。5平面电磁波性质①平面电磁波是横波②kBE，并且构成右手螺旋系③E和B同相位6各向同性均匀介质的物质方程表示式及各个物理量的意义Ej——电导率；ED——介电常数；HB——磁导率7微分形式的麦克斯韦方程组及各物理量的意义D——电感强度；B——磁感强度；E——电场强度；H——磁场强度；——自由电荷体密度；j——传导电流密度；tD——位移电流密度。8何为平面波？写出真空中波长为500nm振幅为2的单色平面波的表达式。（6分）答：等相面为平面的简谐波为平面波。6152cos4101.210Ezt9画出菲涅耳曲线，并由图分析反射光和透射光的位相变化。（光由光疏进入光密媒质）解：菲涅耳曲线如下图所示t∥，t⊥在入射角θ1为任何角度时均大于0，说明透射光的相位与入射光相位相同，既无相位变化；(1分)r⊥0说明反射光的垂直分量与入射光的垂直分量相位差π；(1分)θ1θB时r∥0说明反射光的平行分量无相位变化，θ1θB时r∥0说明反射光的平行分量与入射光的平行分量相位差π。(1分)10波长为、振幅为A的平面波以角入射到镜面，忽略反射引起的位相变化，求（1）x轴上的复振幅分布x轴上，是入射光与反射光的kx分量的同向叠加。E(x)=Asinexp(iksinx)+Asinexp(iksinx)=2Asinexp(iksinx)，k=2/。（2）y轴上的复振幅分布y轴上，是入射光与反射光的ky分量的反向叠加。E(y)=Acosexp(-ikcosy)+Acosexp(ikcosy)=2Acoscos(kcosy)11一观察者站在水池边观看从水面反射来的太阳光，若以太阳光为自然光，则观察者所看到的反射光是自然光，线偏振光还是部分偏振光？它与太阳的位置有什么关系？为什么？（1）当入射角1B时，反射光为线偏振光，(2分)因此时//0RRR1.33531oBBtg即当153o时反射光为线偏振光。(3分)（2）当11//0,90oRR和反射光为自然光。(3分)（3）其他角度时，反射光为部分偏振光。(2分)12光波在介质分界面上的反射特性和透射特性与哪些因素有关？答：与入射光的偏振状态（2分）、入射角（2分）和界面两侧介质的折射率（2分）有关。13光波在介质分界面全透射的条件是什么？答：入射光为光矢量平行于入射面的线偏振光。（3分）入射角等于布儒斯特角B。（21tanBnn）（3分）14光波在分界面的反射和透射特性与哪些因素有关？答：与入射光的偏振状态、入射角和界面两侧介质的折射率比值有关。15产生全反射的条件？产生全透射的条件？答：发生全反射的条件：光从光密介质到光疏，入射角大于或等于全反射临界角（n1＞n2，1c，21sincnn）。发生全透射的条件：入射光为光矢量平行于入射面的线偏振光，入射角等于布儒斯特角B。（21tanBnn）16光波从光密介质入射到光疏介质出现透射系数大于1，这是否与能量守恒不相符合？如何解释？答：透射系数大于1不与能量守恒相矛盾。yx第二题用图0反映能量关系的是透射率，由透射率表达式可知：即使透射系数大于1，其透射率也不能大于1。17解释“半波损失”和“附加光程差”。答：半波损失是光在界面反射时，在入射点处反射光相对于入射光的相位突变，对应的光程为半个波长。附加光程差是光在两界面分别反射时，由于两界面的物理性质不同（一界面为光密到光疏，而另一界面为光疏到光密；或相相反的情形）使两光的反射系数反号，在两反射光中引入的附加相位突变，对应的附加光程差也为半个波长。18研究时谐均匀平面波的意义。答：时谐均匀平面波的数学描述简单，又能反映光波的基本特征。时谐均匀平面波作为描述光波的基本波型，复杂光波可由不同均匀平面波叠加而成。19为什么常用复振幅表示简谐波？20讨论电磁波在两种介质分界面上的折反射性质时，为什么要分析、并且只分析平行分量和垂直分量？21界面上透射率是否等于透射系数的平方？为什么？第二章光波的叠加一.选择题1某束光的波函数表示为：ˆˆcoscosxxyEtAkztiAkztj，若式中的不恒定，则该光可能是（部分）偏振光或（非偏振（或自然光））光；若为（的整数倍）时，该光为线偏振光；若为（2的奇数倍）且满足条件（xyAA）时，该光为圆偏振光；若sin0，则为（左旋）圆偏振光。2光强均为0I的两同频、同振动方向波叠加，波长为0，至叠加点的光程差为L，则其相位差为（2L），叠加光强为（204cos2I），其条纹对比度为（1）。en1n2n3第三章光的干涉一.填空题1两束光1E和2E干涉，只有满足（频率相等）、（相位差恒定）、（偏振方向不垂直）条件，才能获得稳定的干涉条纹；当位相差等于（2的整数倍（或的偶数倍））时，干涉强度取极大值；当位相差等于（的奇数倍）时，干涉强度取极小值。2光的干涉现象是两光波相遇时，在相遇区域内出现稳定的明暗条纹