Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика для 10-11 классов университетской физико-математической школы. Учебное пособие
.pdf
наблюдаться на экране на расстоянии 21 см от центра дифракционной картины
L
ϕ
⋅
L
при освещении решётки нормально падающим параллельным пучком света с
длиной волны 580 нм? Считать sinϕ ≈ tgϕ.
Дано: d = 10−5 м; L = 1,8 м; х = 0,21 м; λ = 580 нм.
m = ?
Решение. Определяем углы отклонения световых лучей для m-го порядка
по формуле:
tgsin =ϕ≈ϕ≈ϕ ,
x
т.к. углы дифракции ϕ − малы.
Из условия главных дифракционных максимумов
d⋅sinϕ = m⋅λ
рассчитаем порядок дифракционного максимума m:
m = ϕ
=
sin
λ
λ
dsind
=
d
x
⋅
=
10
λ
5
−
−
10580
⋅
21,0
⋅
9
= 2.
8,1
2. Выполняя экспериментальное задание, ученик должен был определить
период дифракционной решётки. С этой целью ученик направил световой пучок на дифракционную решётку через красный светофильтр. Красный светофильтр пропускает свет длиной волны 0,76 мкм. Дифракционная решётка находилась от экрана на расстоянии 1 м. На экране между спектрами первого порядка получилось расстояние, равным 15,2 см. Какое значение периода дифракционной решетки было получено учеником (при малых углах sin φ ≈ tg φ)?
201
Дано: L = 1 м; m = 1; λ = 0,76⋅10−6 м; 2х = 0,152 м.
ϕ
х
L
m=1
m=0
d = ?
Решение. Расстояние между спектрами первого порядка (m = −1 и m = 1) равно 2х. Тогда расстояние между
центральным максимумом (m = 0) и первым максимумом
(m = 1) равно х. Из рисунка видно, что
tgϕ = x/L.
Из условия главных дифракционных максимумов dsinϕ = mλ выражаем
sinϕ = mλ/d.
Так как согласно условию задачи sinϕ ≈ tgϕ, то отсюда следует, что
x/L = mλ/d,
откуда находим
6
−
d =
Lm
λ
=
x
⋅
11076,01
⋅⋅⋅
= 10⋅10−6 м = 10 мкм.
152,05,0
3. На поверхность пластинки из стекла нанесена плёнка толщиной d =
110 нм, с показателем преломления n2 = 1,55. Для какой длины волны видимого
света плёнка будет «просветляющей»? Ответ выразите в нанометрах (нм).
Дано: d = 110 нм; n2 = 1,55; m = 1.
λ0 =?
Решение. Длина волны света в среде λ отличается от длины волны света
λ0 в вакууме в n2 раза, т.е.
202
4
λ
λ
m
m
30λ
Условие просветления оптики: на толщине пленки d должно укладывать-
ся нечетное число λ/4, т.е.
λ0 = n2 λ.
Итак, имеем:
откуда находим: λ0 =
Расчеты при различных значениях m:
m = 1, λ0 = 4n2d = 4⋅1,55⋅110 = 682 нм;
1
m = 3, λ03 =
m = 5, λ05 = 682/5 = 136 нм.
1
4n2d.
4n2d =
d =
⋅m, где m = 1, 3, 5, 7, ...
d =
n4
= 682/3 = 227 нм;
0
⋅m,
2
Так как видимый свет занимает диапазон 400 – 700 нм, то условию задачи удовлетворяет только одно значение λ0 = 682 нм.
4. Изображение предмета находится на расстоянии b от заднего фокуса, а
предмет – на расстоянии а от переднего фокуса собирающей линзы. Определите увеличение Г линзы.
Дано: f = F + b; d = F + a.
Г −?
Решение. Согласно условию задачи расстояние от линзы до изображения
равно
203
f = F + b,
a
F1b
F1d1f1F
(
)
0
−
ϕ α β ϕ
расстояние от линзы до предмета равно
d = F + a,
где F − фокусное расстояние линзы.
Запишем формулу тонкой линзы:
из которой находим фокусное расстояние
F = ab .
Увеличение Г линзы равно отношению расстояния от линзы до изображения f к
расстоянию от предмета до линзы:
+
f
Г =
5. Два взаимно перпендикулярных
луча падают из воздуха на поверхность
=
d
bF
=
+
aF
+
+
1
bab
=
aab
( )
=+= ,
+
bab
+
aba
+
+
=
+
b
.
a
90
жидкости. При этом один луч преломляется под углом α =360, а другой преломляется под углом β = 200 (см. рисунок). Определите показатель преломления жидкости.
Дано: α = 360; β = 200.
n −?
204
Решение. Если нет специальных указаний, полагают, что абсолютный по-
ϕ
sin
(
)
ϕ
α
ϕ
sin
36
sin
казатель преломления воздуха, как и у вакуума, равен 1.
Из того, что лучи, падающие на поверхность жидкости, взаимно перпендикулярны, следует, что если угол падения первого луча равен ϕ, то угол падения второго луча будет равен (900 − ϕ). Запишем законы преломления первого и
второго лучей на границе воздух-жидкость:
sin
= n,
α
Поделив почленно первое уравнение на второе, имеем:
tgϕ =
Из закона преломления первого луча находим:
sin
и ϕ = arctg
β
sin
n =
sin
sin
sin
α
β
α
= arctg
=
90sin
sin
0
β
60sin
ϕ−
=
36sin
20sin
0
= 1,5.
0
cos
sin
0
= 600.
0
= n.
β
6. Плосковыпуклая линза с показателем преломления n = 1,6 выпуклой
стороной лежит на стеклянной пластинке. Радиус третьего светлого кольца в
отражённом свете (λ = 0,6 мкм) равен r3 = 0,9 мм. Определите фокусное расстояние F линзы.
Дано: n = 1,6; λ = 0,6⋅10−6 м; r3 = 0,9⋅10−3 м; m = 3.
F −?
Решение. Радиус m - го светлого кольца Ньютона rm в отраженном свете
определяется соотношением:
205
rm = R
R
1
nR−
(
)
2
А
S
h L
где λ - длина волны монохроматического света, падающего на линзу;
m – номер кольца;
R – радиус кривизны выпуклой стороны линзы (плоская сторона имеет
радиус кривизны Rпл → ∞).
Из этого соотношения выражаем R:
Запишем формулу тонкой линзы:
m λ
− ,
R =
1
2
m
2
r
m
−
.
1
λ
2
( )
1n
F
откуда находим фокусное расстояние линзы:
1
2
r
F =
=
( )
m
−−
m1n
=
1
λ
2
( )
7. На рисунке представлена схема
получения интерференции света с помощью плоского зеркала. Центральный
интерференционный максимум наблю-
1
+−=
R
1
( )
=
R
пл
2
3
−
109,0
⋅
1
1n − ,
= 0,9 м.
1
316,1
−⋅−
2
6
−
106,0
⋅⋅
1
h
0
дается в точке 0 экрана. Расстояние от
источника S до зеркала равно h, длина волны источника λ = 600 нм. Луч 1 идет
параллельно зеркалу и попадает в точку А экрана, где наблюдается второй интерференционный минимум. Чему равно расстояние h в этом опыте, если рас-
стояние от источника до экрана L = 20 м?
206
Дано: L = SA = 20 м; m = 2; λ = 600⋅10−9м.
2
λ
L
2
λ
L
(
)
2
2
h −?
Решение. Интерференционный минимум наблюдается, если на разности
хода ∆L лучей 1 и 2 укладывается нечётное число полуволн:
∆L = (2m – 1)⋅
,
где m – порядок интерференционного минимума.
Из приведённого рисунка найдем разность хода лучей 1 и 2:
∆L= 2⋅
2
L
2
+
2
h
−L= L⋅
+ 1
1
L
2
h2
−
≈ L⋅
1
1
⋅+ 1
2
L
2
h2
−
=
2
h2
.
В этих преобразованиях воспользовались следующим математическим приемом:
(1+х)n ≈ 1 + nx, при х << 1.
В нашем случае 2h << L, и этот приём уместен.
Далее приравняем правые части записанных выражений для разности хо-
да ∆L и найдем искомую величину h:
(2m–1)⋅
2
h2
=
⇒ h=
L1m2 λ−
( )
=
207
9
−
2010600122
⋅⋅⋅−⋅
=0,003 м=3 мм.
8. На дифракционную решётку, имеющую период 2·10
dmλ
L
dmλ
L
dLmλ
0
ф
к
Э
L
ϕф ϕ
–5
м, падает нормально параллельный пучок белого света. Спектр наблюдается на экране на
расстоянии 2 м от решетки. Каково расстояние между красным и фиолетовым
участками спектра первого порядка (первой цветной полоски на экране), если
длины волн красного и фиолетового света соответственно равны 8·10–7 м и
4·10–7 м? Считать sinϕ = tgϕ.
Дано: d = 2⋅10−5 м; L = 1 м; λф = 4⋅10−7 м; λк = 8⋅10−7 м; m = 1.
∆х = хк - хф =?
Решение. Вдоль экрана Э направим ось 0х (см. рисунок). Расстояние от
дифракционной решётки до экрана обозначим через L, расстояние от центрального максимума 0 до фиолетового и красного участков спектра m-го порядка
обозначим через хф и хк, соответственно. Из
условия главных дифракционных максиму-
к
мов m-го порядка для длины волны λ: d⋅sinϕ
= m⋅λ выразим
sinϕ =
.
х
х
х
x
Из рисунка видно, что tgϕ =
. Так как согласно условию sinϕ = tgϕ, то
x
из последнего равенства заключаем, что
=
, откуда выражаем
Последнее соотношение запишем для красного и фиолетового участков
спектра
х =
208
.
х
d
λ
d
λ
d
λ
d
λ
(
)
d
(
)
10
2
⋅
⋅
f1d1F
d
Г
1f+
=
к
откуда находим искомую величину
Lm
к
; хф =
Lm
ф
,
Lm
=
mL
λ−λ =
фк
ф
∆х = хк - хф =
Lm
к
-
77
=
21
5
−
−−
104108
⋅−⋅
= 4⋅10−2 м = 4 см.
9. На экране с помощью тонкой линзы получено изображение предмета с
пятикратным увеличением. Экран передвинули на 30 см вдоль главной оптической оси линзы. Затем при неизменном положении линзы передвинули предмет, чтобы изображение снова стало резким. В этом случае получилось изображение с трёхкратным увеличением. На каком расстоянии от линзы находилось изображение предмета в первом случае?
Дано: ∆f = 0,3 м; Г1 = 5; Г2 = 3.
f1 = ?
Решение. Запишем формулу тонкой линзы и выражение для коэффициента увеличения изображения Г:
1
Из этих двух соотношений находим:
F =
+= , Г =
.
f
.
209
Последнее уравнение запишем для двух случаев, приведённых в задаче:
∆
−
+
3
5
+
F =
1
; F =
Г1f+
1
2
,
Г1f+
2
откуда получаем
1
=
Г1f+
1
2
.
Г1f+
2
Так как в полученном соотношении Г1 > Г2, то отсюда следует, что f2 < f1, т.е.
f2 = f1 − ∆f (это означает, что экран передвинули к линзе). Итак, получили
1
Г1f+
1
=
1
,
Г1ff+
1
откуда находим искомую величину
f1 =
f
∆ = 0,3⋅
−
Г1
1
ГГ
21
51
= 0,9 м.
−
10. Объектив проекционного аппарата имеет оптическую силу 5,4 дптр.
Экран расположен на расстоянии 4 м от объектива. Определите размеры экрана, на котором должно уместиться изображение диапозитива размером 6×9 см.
Дано: a⋅b = 6 × 9 см2 = 0,06 × 0,09 м2; D = 5,4 дптр; f = 4 м.
х×у = ?
Решение. Обозначим размеры экрана х⋅у. Диапозитив имеет ширину а и
высоту b, т.е. два линейных размера. Размеры изображений предметов с линейными размерами а и b определяют размеры экрана.
210
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]