《大学物理》下期末考试 有答案

《大学物理》（下）期末统考试题（A卷）

说明 1考试答案必须写在答题纸上，否则无效。请把答题纸撕下。

一、 选择题（30分，每题3分）

1．一质点作简谐振动，振动方程x=Acos(ωt+φ)，当时间t=T/4(T为周期)时，质点的速度为：

(A) -Aωsinφ； (B) Aωsinφ； (C) -Aωcosφ； (D) Aωcosφ

参考解：v =dx/dt = -Aωsin(ωt+φ)

vt?T/4??A?sin(2T??T??)??A?cos?, ∴选(C) 4 2．一弹簧振子作简谐振动，当其偏离平衡位置的位移的大小为振幅的1/4时，其动能为振动总能量的

(A) 7/6 (B) 9/16 (C) 11/16 （D）13/16 (E) 15/16

mv21kA2?1k(A)215224参考解：??, ∴选（E） 22116kA2kA1212

3.一平面简谐波在弹性媒质中传播，在媒质质元从平衡位置运动到最大位移处的过程中：

(A) 它的动能转换成势能．

(B) 它的势能转换成动能． (C) 它从相邻的一段质元获得能量其能量逐渐增大．

(D) 它把自己的能量传给相邻的一段质元，其能量逐渐减小．

参考解：这里的条件是“平面简谐波在弹性媒质中传播”。由于弹性媒质的质元在平衡位置时的形变最大，所以势能动能最大，这时动能也最大；由于弹性媒质的质元在最大位移处时形变最小，所以势能也最小，这时动能也最小。质元的机械能由最大变到最小的过程中，同时也把该机械能传给相邻的一段质元。∴选（D）

1

4．如图所示，折射率为n2、厚度为e的透明介质薄膜的上方和下方的透明介质的折射率分别为n1和n3，已知n1＜n2＜n3．若用波长为?的单色平行光垂直入射到该薄膜上，则从薄膜上、下两表面反射的光束①与②的光程差是 (A) 2n2 e． (B) 2n2 e－? / 2 .

(C) 2n2 e－?． (D) 2n2 e－? / (2n2)．

①②n1n2n3 e

参考解：半波损失现象发生在波由波疏媒质到波密媒质的界面的反射现象中。两束光分别经上下表面反射时，都是波疏媒质到波密媒质的界面的反射，同时存在着半波损失。所以，两束反射光的光程差是2n2 e。 ∴选（A）

5．波长λ=5000?的单色光垂直照射到宽度a=0.25mm的单缝上，单缝后面放置一凸透镜，在凸透镜的焦平面上放置一屏幕，用以观测衍射条纹，今测得屏幕上中央明条纹一侧第三个暗条纹和另一侧第三个暗条纹之间的距离d=12mm，则凸透镜的焦距f为：

(A) 2m (B) 1m (C) 0.5m (D) 0.2m； (E) 0.1m

参考解：由单缝衍射的暗纹公式, asinφ = 3λ， 和单缝衍射装置的几何关系 ftgφ = d/2， 另，当φ角很小时 sinφ = tgφ， 有

a12?10?0.25?10f?d???1(m) , ∴选（B） 23?6?5000?10?10?3?3

6．测量单色光的波长时，下列方法中哪一种方法最为准确?

(A) 双缝干涉 (B) 牛顿环 (C) 单缝衍射 (D) 光栅衍射

参考解：从我们做过的实验的经历和实验装置可知，最为准确的方法光栅衍射实验，其次是牛顿环实验。 ∴选（D）

7．如果两个偏振片堆叠在一起，且偏振化方向之间夹角为60°，光强为I0

的自然光垂直入射在偏振片上，则出射光强为

(A) I0 / 8． (B) I0 / 4． (C) 3 I0 / 8． (D) 3 I0 / 4．

参考解：穿过第一个偏振片自然光的光强为I0/2。随后，使用马吕斯定律，出射光强

201 I?12I0cos60?8I0∴ 选（A）

2

8． 边长为a的正方形薄板静止于惯性系K的XOY平面内，且两边分别与X，Y轴平行。今有惯性系K′以0.8c (c为真空中光速)的速度相对于K系沿X轴作匀速直线运动，则从K′系测得薄板的面积为

2222

(A) a (B) 0.6a (C) 0.8a (D) a/0.6

参考解：K′系测得薄板的面积 S'?a?a'?a?a1?(v/c)2?a?a1?(0.8c/c)2?0.6a2, ∴ 选（B）

9．光电效应和康普顿效应都包含有电子与光子的相互作用过程。对此在以下几种理解中，正确的是

(A) 两种效应中电子与光子两者组成的系统都服从动量守恒定律和能量守

恒定律。

(B) 两种效应都相当于电子与光子的弹性碰撞过程。 (C) 两种效应都属于电子吸收光子的过程。 (D) 光电效应是吸收光子的过程，而康变顿效应则相当于光子和电子的弹性

碰撞过程。

参考解： 光电效应是一个光子将它的全部能量用来释放一个电子，并使其获得动能，该过程能量守恒；康变顿效应是一个光子和一个电子作完全弹性碰撞的过程，该过程动量守恒，能量也守恒。∴选（D）

10．直接证实了电子自旋存在的最早的实验之一是 (A) 康普顿实验 (B) 卢瑟福实验 (C) 戴维逊—革末实验 (D) 斯特恩—盖拉赫实验

参考解：康普顿散射实验不仅证明了光具有波粒二象性，而且还证明了光子和微观粒子作用过程也是严格地遵守动量守恒定律和能量守恒定律的；卢瑟福实验也叫α粒子的散射实验，该实验确立了原子的核式模型；戴维逊—革末实验，即电子在晶体上的衍射实验，该实验确认了电子的波动性；斯特恩—盖拉赫实验发现了原子磁矩的空间取向是量子化的，随后乌伦贝克和古兹密特提出电子自旋的假说。答案选（D）。

二 填空题：（30分，每题3分）

11．一单摆的悬线长l = 1.5 m，在顶端固定点的竖直下 方0.45 m处有一小钉，如图示．设摆动很小，则单摆的左右两方振幅之比A1/A2的近似值为_____0.836___．

参考解：左右摆动能量相同，应有

0.45 m 小钉 l 3

1mA2?2?1mA2?2

11222 A1??2?A2?12g/l2g/l1?l11.05??0.836 l21.5

12．已知平面简谐波的表达式为y=Acos(Bt-Cx)，式中A、B、C为正值常量。此波的波长是_ 2π/C_ _，波速是___B/C___。在波传播方向上相距为d的两点的振动相位差是_____ Cd ____。

参考解: 与波的方程 y(x,t)?Acos(2?t?2?x??)?Acos[B(t?x)??]

BT?C比较，容易看出： ??2? v?B

CC波传播方向上相距为d的两点的振动相位差

Δφ=（Bt-Cx）- [ Bt - C（x+d）] = Cd

13．两相干波源S1和S2相距λ/4 (λ为波长)， S1

的位相比S2的位相超前π/2，在S1，S2的连线上，S1外侧各点(例如P点)两波引起的两谐振动的位相差是 -π或π 。

?2??2?2?参考解： ??????? （?2??1）?（r2?r1）?(?2??1)?(PS2?PS1)???2?4??

14．在双缝干涉实验中，若使两缝之间的距离增大，则屏幕上干涉条纹间距

___减小__；若使单色光波长减小，则干涉条纹间距_____减小____。

参考解：由

?x?Da? 知道，如果两缝之间的距离a增大, 则干涉条纹间距Δx减小; 如果

单色光波长λ减小, 则干涉条纹间距减小。

15．衍射光栅主极大公式 (a+b)sinΦ=±kλ，k=0，1，2…。在k=2的方向上第一条缝与第六条缝对应点发出的两条衍射光的光程差δ= 10λ 。

参考解：通过相邻两缝的光束的光程差为(a+b)sinΦ，那么第一条缝与第六条缝对应点发出的两条衍射光的光程差为5(a+b)sinΦ。现在(a+b)sinΦ=2λ，所以该光程差δ=10λ。

4

16．如图所示，一束自然光入射到折射率分别为n1和n2的 两种介质的交界面上，发生反射和折射。已知反射光是完全偏振光，那么折射角r的值为__π/2 - arctg n2/n1___。

参考解： 由于反射光是完全偏振光是完全偏振光，说明入射角是布儒斯特角：tgi=n2/n1，且这时折射线与入射线垂直，即i + r =π/2。所以，r =π/2 - arctg n2/n1。

i r n1 n2

17．已知在迈克尔逊干涉仪中使用波长为λ的单色光。在干涉仪的可动反射镜移动一距离d的过程中，干涉条纹将移动 N=2d/λ 条。

参考解：迈克尔逊干涉仪的可动反射镜移动距离d与单色光波长为λ、干涉条纹将移动条数N，有如下关系：d = N λ/2。所以，N=2d/λ。

18．测得不稳定粒子π+ 介子的固有寿命平均值是2.6×10-8s，当它相对某实验室以0.80c的速度运动时，所测的寿命应是 4.33×10-8 s。

参考解： ???01?(v/c)2?2.6?1.0?81?(0.8c/c)2?4.33?10?8s

19．电子显微镜中的电子从静止开始通过电势差为U的静电场加速后，其德布罗意波长是 0.4 ?，则U约为___938__伏。

参考解： 由 eU?1mv2 和

2??h12.25 ， 有 ???10?10(m) pU12.25?10?10∴ U????0.4?10?10?? ???938(V)?2

20．如果电子被限制在边界x与x +?x之间，?x =0.5 ?，则电子动量x分量

-23

的不确定量近似地为____1.326×10____kg·m／s。

-(不确定关系式，普朗克常量h =6.63×1034 J·s)

参考解：由 ?x·?p≥h，有?p= h/?x=6.63×1034/（0.5×10-10）=1.326×10 （kg·m／s）

--23

三．计算题（40分） y (m) u = 0.08 m/s 21．（10分）图示一平面简谐波在t = 0 时

x (m) 刻的波形图，求 P O 0.20 0.40 0.60 (1) 该波的波动表达式；

(2) P处质点的振动方程． -0.04

5

参考解：

(1) O处质点，t = 0 时

y0?Acos??0， v0??A?sin??0

所以 ???1 2分 2π

又 T =λ/ u = 0.40 / 0.08 s= 5 s 2分 故波动表达式为

t? (SI) 4分 y?0.04cos[2π(5?0x.4)?2] (2) P处质点的振动方程为

t.2?3? (SI) 2分 yP?0.04cos[2π(5?00.4)?2]?0.04cos(0.4??2)

22．（10分）如图，有一水平弹簧振子，弹

簧的劲度系数k = 24 N/m，重物的质量m = 6 kg， 重物静止在平衡位置上．设以一水平恒力F = 10 N 向左作用于物体（不计摩擦），使之由平衡位置向左运动了0.05 m时撤去力F．当重物运动到左方最远位置时开始计时，求物体的运动方程．

参考解：设物体的运动方程为

m O F x

x?Acos(?t??)．

恒外力所做的功即为弹簧振子的能量： F×0.05 = 0.5 J． 2分 当物体运动到左方最远位置时，弹簧的最大弹性势能为0.5 J，即：

12kA2?0.5 J， ∴ A = 0.204 m． 2分

A即振幅．

?2?k/m?4 (rad/s)2 ∴ ? = 2 rad/s． 2分

按题目所述时刻计时，初相为

? = ?． 2分

∴ 物体运动方程为

x=0.204cos(2t+π) (SI)． 2分

23．（10分）折射率为1.60的两块标准平面玻璃板之间形成一个劈尖(劈

尖角θ很小)用波长λ=600nm的单色光垂直入射，产生等厚干涉条纹。假如在劈尖内充满n=1.40的液体时的相邻明纹间距比劈尖内是空气时的间距缩小ΔL=0.5 mm，那么劈尖角θ应是多少?

参考解：由 L sinθ=λ/(2n), sinθ≈θ，得 L =λ/(2 nθ)

∴ ?L??????(1?1)

2?2n?2?n 6

??1600?10?9?1? ?4(1?)?1????1.71?10(rad)?32??Ln2?0.5?10?1.4??

24．（10分）一束具有两种波长λ1和λ2的平行光垂直照射到一衍射光栅上，测得波长λ1的第三极主极大衍射角和λ2的第四级主极大衍射角均为30°。已知λ1=5600?，试问：

(1) 光栅常数(a+b)=? (2) λ2=?

参考解：

(1) 由光栅衍射主极大公式得

(a+b)sin30o=3λ1

a?b?3?1sin30??3.36?10?4cm (2) (a+b)sin30o

= 4λ2 λ2 = (a+b) sin30o /4 = 4200 ?

（完）

7

5分 5分

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