在迎面驶来的汽车上,两盏前灯相距120cm,试问汽车离人多远的地方,眼睛才可以分辨这两盏前灯,假设夜间人眼瞳孔直径为5.0mm,入射光波长λ=550nm,并假设这个距离只取决于眼睛的圆形瞳孔处的衍射效应.
在迎面驶来的汽车上,两盏前灯相距120cm,试问汽车离人多远的地方,眼睛才可以分辨这两盏前灯,假设夜间人眼瞳孔直径为5.0mm,入射光波长λ=550nm,并假设这个距离只取决于眼睛的圆形瞳孔处的衍射效应.
题目解答
答案
根据瑞利准则,人眼圆形瞳孔的分辨角Δϕ=1.22λd,当汽车离人L距离时Δϕ=DL,则L=Dd1.22λ=1.20×5×10−31.22×550×0−9m=8942m
解析
考查要点:本题主要考查光学中的瑞利准则在实际问题中的应用,涉及光的衍射效应与人眼分辨率的关系。
解题核心思路:
- 瑞利准则给出圆形孔径的最小分辨角公式:$\Delta \phi = 1.22 \frac{\lambda}{d}$,其中$\lambda$为光波波长,$d$为孔径(瞳孔)直径。
- 当两盏灯的角间距等于最小分辨角时,人眼刚好能分辨它们。根据几何关系,角间距$\Delta \phi \approx \frac{D}{L}$,其中$D$为两灯间距,$L$为汽车到人的距离。
- 联立方程求解$L$,注意单位换算。
破题关键点:
- 正确应用瑞利准则公式,明确公式中各物理量的含义。
- 建立几何关系,将两灯的线间距与角间距联系起来。
- 单位统一(如将厘米、毫米、纳米转换为米)。
根据题意,人眼分辨两盏灯的条件是它们的角间距等于瑞利准则的最小分辨角。
步骤1:写出瑞利准则公式
最小分辨角为:
$\Delta \phi = 1.22 \frac{\lambda}{d}$
其中,$\lambda = 550 \, \text{nm} = 550 \times 10^{-9} \, \text{m}$,$d = 5.0 \, \text{mm} = 0.005 \, \text{m}$。
步骤2:建立角间距与距离的关系
两灯的角间距为:
$\Delta \phi \approx \frac{D}{L}$
其中,$D = 120 \, \text{cm} = 1.2 \, \text{m}$,$L$为所求距离。
步骤3:联立方程求解$L$
将$\Delta \phi$的两式联立:
$\frac{D}{L} = 1.22 \frac{\lambda}{d}$
解得:
$L = \frac{D d}{1.22 \lambda}$
步骤4:代入数据计算
$L = \frac{1.2 \times 0.005}{1.22 \times 550 \times 10^{-9}} \approx \frac{0.006}{6.71 \times 10^{-7}} \approx 8942 \, \text{m}$