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工程光学第三版习题答案CH1
1mm
6.如图 1-5 所示,光纤芯折射率为 n1 、包层的折射率为 n 2 ,光纤所在的介质折射率为 n0 , 求光纤的数值孔径(即 n0 sin I1 ,其中 I 1 为光在光纤内能一全反射方式传播时在入射端面 的最大入射角) 。 【解】 n0 sin I 1 = n1 sin I 2
n0
I 2 = 90 ° − I m
5
的像方截距为多少?与高斯像面的距离为多少? 【提示】 解题时应注意近轴光线和远轴光线在计算中各自使用的公式, 另外应明确光线行进 过程中所有的折射面都有贡献。 【解】 (1)根据近轴光的光线光路计算公式可求得高斯像位置
1 1 n′ − n ′ 将 l1 = −∞ , n1 = 1.5 , n1 = 1 , r1 = 100 代入公式 − = 得: l′ l r
为虚象
11.一折射面 r = 150mm , n = 1, n ′ = 1.5 ,当物距分别为 − ∞ , − 1000mm , − 100mm , 0 ,
100mm , 150mm 和 200mm 时,垂轴放大率各为多少?
【提示】 【解】将已知条件折射面半径 r = 150mm ,折射 率 n = 1 和 n ′ = 1.5 ,及对应的物距代入公式
I1 A I9 I 2 I'1 (I11)
。
∵ n1 sin I 1 = n 2 sin I 2
sin I 2 =
I 2 = 30
°
sin 60 3
°
= 0.5
I8 C
I7 I6 I5
I3
B I4
∴在 A 点处光线以 30 的折射角进入玻璃球, 同时又以 60 的反射角返回原介质。 根据 球的对称性,知折射光线将到达图中 B 点处,并发生折射反射现象。
A n n' B -l r A' B'
1 1 1 1 ⎧ n ′( − ) = n( − ) ⎪ ⎪ r l' r l ,可得: ⎨ nl ′ nr = ⎪β = ⎪ n ′l n ′l − n(l − r ) ⎩
(1) l = −∞ ,
β =0 β = −0.429 β = 1 .5
(2) l = −1000mm , (3) l = −100mm ,
物像位置如图 12(a)所示 从左侧观察时
r1=200mm
r2=-200mm
A'
A
B(B')
方法 1:将实际位置图 12(b-1)等价为 12(b-2) ,即可采用上述方法求解,但求解后 还要将结果转换成实际情况。
r1=200mm
r2=-200mm
r1=200mm
r2=-200mm
A'
A
B(B')
B(B')
l3 r1=30mm A'2(A3) O A'3 -l'2 l' 1 l2 r2=-30mm
A2 ,经右侧反射球面再次成像于 A' 2 ,再经过
前表面折射,最后成像于 A' 3 。 由 (1) 知 l 2 = 30mm , 代入公式
A'1(A2)
1 1 2 得: + = l′ l r
l' 3
1 1 2 + =− ′ 30 30 l
B''
70
60
4.一厚度为 200mm 的平行平板玻璃(设 n=1.5) ,下面放一直径为 1mm 的金属片。若在玻 璃板上盖一圆形的纸片,要求在玻璃板上方任何方向上都看不到该金属片,问纸片的最 小直径应为多少? 【提示】 若要从玻璃板上方看不到金属片, 就应使金属片上所有点发出的光线在玻璃板的上 表面纸片遮盖区域以外发生全反射。 【解】如图所示,设纸片的最小直径为 L,考虑边缘光线满足全反射条件时
°
°
∵ I 3 = I 2 = 30° ∴ I 5 = 30° n sin I 3 = sin I 4
sin I 4 = I 4 = 60 °
3 2
同理:由 B 点发出的反射光线可以到达 C 点处,并发生反射折射现象
I 7 = 30 °
I 8 = 60
°
C 点的反射光线可再次到达 A 点,并发生折、反现象。
′ l1 = 300mm ′ l 2 = l1 − d = 300 − 300 = 0mm ′ ∴ l 2 = 0mm
即: 物体位于-∞时, 其高斯像点在第二面的中 心处。 (2) 由光路的可逆性可知 : 第二面上的十字丝像在 物方-∞处。 (3)当 h1 = 10mm 时,如图所示
r1=100mm I I' U' B' n=1.5 B'' -I2 U2' A'(A'') -x I'2 -L2 d=300mm r2=∞ L'2
r1=30mm
r2=-30mm
O l' 2
A'2 l2 l' 1
A'1(A2)
β1 =
l '1 < 0 ,物像虚实相同,为实像 l1
但由于右侧球面的存在,实际光线不可能到达此处,故对于右侧球面 A2 为虚物。
′ l 2 = l1 − 2r = 90 − 60 = 30mm ,代入公式得:
1 1 − n n 0.5 1.5 1 = + = + = ′ r2 l2 30 30 15 l2 ′ l 2 = 15mm
r1=200mm
r2=-200mm
代入公式: 解得
n′ n n′ − n − = l′ l r
A A'
B' (B)
l A = 80mm , l B = 200mm
由此可见:两种方法得到相同的结果。 13.有平凸透镜r1=100mm,r2=∞,d=300mm,n=1.5,当物体在-∞时,求高斯像的位置l’。 在第二面上刻一十字丝,问其通过球面的共轭像处?当入射高度h=10mm时,实际光线
β2 =
l '2 > 0 ,物像虚实相反,为实像。 l2
r2=-30mm
(2)当凸面镀反射膜时,平行细光束入射到玻璃球上, 经左侧球面反射后成像,如图所示。 将 l = −∞ 代入公式
r1=30mm
1 1 2 得: + = l′ l r
虚象
l'
A'
O
l′ =
r = 15mm 2
(3)当凹面镀反射膜时,成像过程如图所示:平行细光束入射到玻璃球上,经左侧球面折 射后形成中间像 A1' ,它又是右侧反射球面的物
2
3
′ l 2 = −10mm ,
实像
(4)图同(3)再继续经前表面折射时,光线由右向左传播成像,不符合公式使用条件。但
′ 根据光路的可逆性原理, 将物看成像, 将像看成物, 即符合公式使用条件。 将 l 3 = 50mm
代入公式得:
1 .5 1 n − 1 − = ′ l3 r l3 l 3 = 75mm ,
I2
n2 Im n1
n1 sin I m = n2 sin 90° sin I m = n2 n1 n2 n1
2 2
I1
cos I m = 1 −
∴ n0 sin I 1 = n1 1 −
n2 n1
2 2
= n1 − n 2
2
2
1
9. 一直径为 20mm 的玻璃球, 其折射率为 3 , 今有一光线以 60 入射角入射到该玻璃球上, 试分析光线经玻璃球传播情况。 【解】在入点 A 处。同时发生折射和反射现象
2
°
间。 根据物象空间正确选择折射率代入成像公式, 物象的虚实判断可根据β的符号性质, 也可根据是否有实际光线到达来判断。 【解】 (1)此时的成像过程如图所示:平行细光束入射到玻璃球上,经左侧球面折射后形成 中间像 A1' ,它又是右侧球面的物 A2 ,经右侧球面再次成像于 A' 2 。
∵
n′ n n′ − n − = ,将 l = −∞ 代入公式: l′ l r ′ n × r1 1.5 × 30 l1 = = = 90mm n −1 0.5
Chp1
3.一物体经针孔相机在屏上成一 60mm 大小的像,若将屏拉远 50mm,则像的大小变为 70mm,求屏到针孔的初始距离。 【解】∵ ΔOA′B ′ ∽ ΔOA′′B ′′
A O B A' A'' B' 50
OB ′ A′B ′ 60 = = OB ′′ A′′B ′′ 70 OB ′′ = 50 + OB ′ OB ′ = 300mm
A
A'
此时 l B = −200mm , 代入求解得:
l A = −100mm
′ l A ′ = −80mm , l B = −200mm ′ 放回原题中得: l A = 80mm ,
如右图所示。 方法 2:认为 A,B 均为像点,求其物 此时,
′ l B = 200mm
′ l A = 100mm ′ l B = 200mm r = 200mm
sin I = sin I ′ =
h1 10 = = 0 .1 r1 100
L'1
1 n × sin I = × 0.1 = 0.06667 n′ 1 .5
I ′ = arcsin 0.06667 = 3.822 ° U ' = U + I − I ′ = 0 + 5.739 − 3.822 = 1.9172 ° ′ = r × (1 + L1
sin I / 0.06667 ) = 100 × (1 + ) = 299.374mm sin U ' 0.0334547
′ L2 = L1 − d = −0.626mm − I 2 = U ' = 1.9172° ′ n sin I 2 = × sin I 2 = −1.5 × sin 1.9172° = −0.05018 1 ′ I 2 = −2.87647 °