2025年大學《物理學》專業(yè)題庫——物理學中的光子學研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（本題共5小題，每小題3分，共15分。請將正確選項前的字母填在答題卡相應位置。）1.下列哪個現象最直接地證明了光的波粒二象性？A.光的反射B.光的折射C.光的衍射D.光電效應2.根據愛因斯坦的解釋，光電效應中，光電子的最大動能取決于：A.入射光的強度B.入射光的頻率C.入射光的顏色D.飽和光電流的大小3.在經典電磁理論中，介質對光的散射強度與波長關系符合：A.與波長平方成正比B.與波長平方成反比C.僅與材料的折射率有關，與波長無關D.僅與材料的密度有關，與波長無關4.激光產生的核心機制是：A.光的干涉B.光的衍射C.受激輻射D.壓電效應5.對于一個光學諧振腔，要實現激光輸出，必須滿足：A.腔內光子數密度大于零B.腔內介質的增益大于損耗C.存在粒子數反轉分布D.以上所有條件二、填空題（本題共5小題，每小題3分，共15分。請將答案填在答題卡相應位置。）6.一個頻率為5×101?Hz的光子，其能量為________J（普朗克常數h=6.63×10?3?J·s）。7.在拉曼散射現象中，觀察到的散射光頻率相對于入射光頻率出現________和________兩種移動。8.根據玻爾茲曼統計，處于熱平衡態(tài)的光場，頻率為ν的光子態(tài)上的平均光子數為________。9.激光器中實現粒子數反轉，意味著高能級上的粒子數________低能級上的粒子數。10.光在介質中傳播時，能量會逐漸減弱，這種現象稱為________，其程度與材料的________和光傳播距離有關。三、簡答題（本題共3小題，每小題8分，共24分。請將答案寫在答題卡相應位置。）11.簡述光子與經典電磁波在描述光現象時有何根本區(qū)別。12.解釋什么是受激輻射，并說明它與自發(fā)輻射在產生光子特性（如相位、動量）上的主要不同。13.簡述法布里-珀羅（FP）諧振腔的構成及其主要光學特性。四、計算題（本題共2小題，每小題13分，共26分。請寫出必要的公式、代入數據和計算過程。）14.太陽光到達地球大氣層頂時，波長為500nm的光的光子能量是多少？假設大氣對這種波長的光散射遵循瑞利定律（散射強度與波長的四次方成反比），那么與波長為500nm的光相比，波長為400nm的藍光在相同條件下的散射強度大約是它的多少倍？15.一個激光器工作在1064nm波長，其輸出功率為1W。假設激光束為理想平面波，且在輸出端橫截面上功率均勻分布，橫截面直徑為2mm。求：（1）該激光束的光子平均能量；（2）輸出端橫截面上單位面積的平均光子數流密度（光子數/秒·m2）；（3）假設該激光器工作在產生1%負載電流的條件下（即處于閾值條件附近），簡要說明粒子數反轉所需要滿足的條件（無需具體計算）。---試卷答案一、選擇題1.D2.B3.B4.C5.D二、填空題6.3.32×10?1?7.紅移；藍移8.kT/(e^(hν/kT)-1)9.大于10.吸收；吸收系數三、簡答題11.解析思路：從基本性質入手。光子是量子化的光能單元，具有確定的能量E=hf和動量p=h/λ，遵循量子力學規(guī)律；而經典電磁波是連續(xù)的波，描述的是電場和磁場的振蕩，能量和動量是連續(xù)變化的，遵循經典電磁理論。波粒二象性是光子模型的核心特征，經典電磁波沒有此屬性。12.解析思路：區(qū)分三種輻射。自發(fā)輻射是原子自發(fā)地從高能級躍遷到低能級并輻射光子，光子無確定相位、方向和能量。受激輻射是原子在高能級處于受激狀態(tài)時，若遇到一個與原子躍遷頻率、相位、方向都相同的光子，會被誘導躍遷到低能級并輻射一個與入射光子完全相同的光子。因此，受激輻射產生的光子與入射光子特性一致。13.解析思路：描述FP腔結構及其作用。FP諧振腔由兩個平行放置的反射面（通常是反射鏡）構成。其光學特性在于只有滿足特定條件（光波在腔內形成駐波）的光才能獲得最大的透射或反射。這個條件與腔長L、反射鏡反射率R以及光在介質中的波長λ（或頻率ν）有關。對于透射，透射最強的條件是2L=mλ_n(m為整數，λ_n為第m級諧振波長)。這導致諧振腔具有非常高的選模特性，只允許特定頻率（或波長）的光通過或振蕩，形成銳譜線的激光。四、計算題14.解析思路：(1)計算光子能量。使用公式E=hf=hc/λ。代入h=6.63×10?3?J·s，c=3×10?m/s，λ=500nm=500×10??m。E=(6.63×10?3?J·s)*(3×10?m/s)/(500×10??m)=3.978×10?1?J。(2)計算散射強度比值。根據瑞利散射定律，散射強度I∝1/λ?。設λ?=500nm，λ?=400nm。I?/I?=(λ?/λ?)?=(500/400)?=(5/4)?=6.25。所以，藍光（400nm）的散射強度大約是500nm光的6.25倍。15.解析思路：(1)計算光子平均能量。使用E=hc/λ。代入h=6.63×10?3?J·s，c=3×10?m/s，λ=1064nm=1064×10??m。E=(6.63×10?3?)*(3×10?)/(1064×10??)=1.875×10?1?J。(2)計算單位面積光子數流密度。首先求橫截面積A=πd2/4。代入d=2mm=2×10?3m。A=π*(2×10?3m)2/4=π*4×10??m2/4=π×10??m2。光子數流密度n?=功率P/(E*A*t)。為求單位面積流密度，令t=1s。n?_A=P/(E*A)=1W/(1.875×10?1?J*π×10??m2)n?_A=1/(1.875π×10?2?J·m2)≈1.06/(π×10?2?)m?2·s?1n?_A≈1.34×102?m?2·