2025年大學(xué)《物理學(xué)》專業(yè)題庫——物理學(xué)中的電聲學(xué)研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)。每小題2分，共20分）1.下列哪一項(xiàng)不是電聲學(xué)研究的主要范疇？(A)聲波在電磁介質(zhì)中的傳播特性(B)聲波與電磁場的相互作用現(xiàn)象(C)聲波的生成和探測方法(D)電磁波在光學(xué)介質(zhì)中的傳播和衍射2.壓電效應(yīng)是指：(A)機(jī)械應(yīng)力引起材料產(chǎn)生電磁感應(yīng)(B)電磁場使材料發(fā)生形變或產(chǎn)生表面電荷(C)聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)發(fā)生衰減(D)聲波在界面處發(fā)生反射和折射3.在聲光效應(yīng)中，布拉格衍射通常發(fā)生在：(A)聲波與入射光波滿足相位匹配條件時(shí)(B)聲波頻率遠(yuǎn)高于入射光頻率時(shí)(C)入射光波垂直于聲波波矢時(shí)(D)使用壓電陶瓷產(chǎn)生聲波時(shí)4.聲光調(diào)制器利用了聲光效應(yīng)中的哪個(gè)特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的調(diào)制？(A)聲波引起介質(zhì)折射率均勻變化(B)聲波引起介質(zhì)產(chǎn)生非線性光學(xué)效應(yīng)(C)聲波與光波發(fā)生能量交換(D)聲波引起介質(zhì)產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象5.超聲波換能器通常利用材料的哪種物理特性將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波？(A)介電常數(shù)(B)磁導(dǎo)率(C)壓電效應(yīng)(D)電磁感應(yīng)6.聲納技術(shù)主要利用聲波在水中傳播的哪個(gè)特性進(jìn)行探測？(A)強(qiáng)烈的衍射(B)良好的直進(jìn)性和反射性(C)頻率極高(D)波速極低7.當(dāng)聲波垂直入射到兩種不同介質(zhì)的界面時(shí)，反射系數(shù)主要取決于：(A)聲波的頻率(B)兩種介質(zhì)的聲阻抗差異(C)聲波的傳播方向(D)界面的粗糙程度8.聲光偏轉(zhuǎn)器通過改變什么來控制出射光束的偏轉(zhuǎn)角度？(A)入射光的波長(B)聲波頻率或聲光互作用長度(C)介質(zhì)的折射率(D)入射光強(qiáng)9.壓電傳感器的靈敏度通常與其所用壓電材料的哪個(gè)參數(shù)成正比？(A)介電常數(shù)(B)聲阻抗(C)壓電系數(shù)(D)機(jī)械品質(zhì)因數(shù)10.非線性聲學(xué)現(xiàn)象通常在什么條件下顯著發(fā)生？(A)聲波在介質(zhì)中傳播距離極短時(shí)(B)聲波強(qiáng)度足夠高時(shí)(C)介質(zhì)為理想彈性體時(shí)(D)聲波頻率極低時(shí)二、填空題（請(qǐng)將答案填在題后的橫線上。每空2分，共20分）1.聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其振動(dòng)方向與波傳播方向的關(guān)系決定了聲波是______波還是______波。2.根據(jù)壓電方程，壓電材料在沿某一方向施加機(jī)械應(yīng)力時(shí)，其表面會(huì)產(chǎn)生______電荷。3.聲光布拉格衍射的條件可以近似表示為______，其中k為光波波矢，k'為聲波波矢。4.聲納系統(tǒng)通過發(fā)射聲波并接收目標(biāo)反射的回波來______和______。5.聲波在理想介質(zhì)中傳播時(shí)，其能量會(huì)逐漸衰減，這主要是由于介質(zhì)的______和______所導(dǎo)致的。6.聲光器件通常需要滿足______條件才能實(shí)現(xiàn)有效的聲光互作用。7.超聲波探傷利用超聲波在缺陷處發(fā)生的______來檢測材料內(nèi)部的缺陷。8.描述聲波在無限介質(zhì)中傳播的波動(dòng)方程是______，其中u(x,t)表示位移，c為聲速。9.聲光調(diào)制器利用聲波引起介質(zhì)折射率發(fā)生______的變化來調(diào)制光束的振幅或相位。10.聲阻抗是描述聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)______的物理量，其定義為介質(zhì)的密度乘以聲速。三、簡答題（請(qǐng)簡要回答下列問題。每小題5分，共25分）1.簡述壓電效應(yīng)的基本原理及其在超聲換能器中的應(yīng)用。2.解釋什么是聲光衍射，并說明其與普通光學(xué)衍射的主要區(qū)別。3.為什么聲波在水中傳播的距離比在空氣中遠(yuǎn)？簡要說明原因。4.簡述駐波管的基本原理及其在測量聲速或聲波參數(shù)中的應(yīng)用。5.簡要說明影響聲光調(diào)制器調(diào)制深度和頻率響應(yīng)的主要因素。四、計(jì)算題（請(qǐng)列出必要的公式、方程和計(jì)算步驟。每小題10分，共30分）1.一束波長為λ的光通過一個(gè)聲光介質(zhì)，介質(zhì)中傳播的聲波頻率為f，聲速為v。若發(fā)生布拉格衍射，求聲波波矢k'與光波波矢k的夾角θB的表達(dá)式，并說明θB與λ、f、v之間的關(guān)系。2.聲波垂直入射到一個(gè)介質(zhì)分界面，界面兩側(cè)介質(zhì)的密度分別為ρ1和ρ2，聲速分別為c1和c2。求聲波從介質(zhì)1傳播到介質(zhì)2時(shí)的反射系數(shù)R和透射系數(shù)T的表達(dá)式。3.一個(gè)壓電傳感器由壓電材料制成，其壓電系數(shù)為d33，材料的介電常數(shù)為ε，厚度為d。當(dāng)傳感器受到一個(gè)均勻的應(yīng)力σ時(shí)，求傳感器一個(gè)表面的開路電壓Vo的表達(dá)式。五、論述題（請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，對(duì)下列問題進(jìn)行較為詳細(xì)的論述。15分）1.論述聲光效應(yīng)在光通信或光信息處理中可能的應(yīng)用前景，并說明其優(yōu)勢所在。試卷答案一、選擇題1.(D)2.(B)3.(A)4.(A)5.(C)6.(B)7.(B)8.(B)9.(C)10.(B)二、填空題1.橫向；縱向2.正3.k·sinθ=k'=2π/λ*sinθ4.探測；定位5.吸收；散射6.相位匹配7.反射8.?2u/?x2=(1/c2)?2u/?t29.空間周期性10.折射三、簡答題1.解析思路：壓電效應(yīng)指某些晶體材料在受到機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)，其表面會(huì)產(chǎn)生電荷；反之，當(dāng)對(duì)這類材料施加外部電場時(shí)，其會(huì)發(fā)生形變。超聲換能器利用正壓電效應(yīng)，將電信號(hào)施加到壓電材料上，使其振動(dòng)產(chǎn)生超聲波；利用逆壓電效應(yīng)，將接收到的超聲波引起的材料振動(dòng)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)。2.解析思路：聲光衍射是聲波與光波相互作用，導(dǎo)致光波發(fā)生衍射的現(xiàn)象。普通光學(xué)衍射是光波繞過障礙物或通過狹縫時(shí)發(fā)生的衍射。聲光衍射的關(guān)鍵在于聲波場本身對(duì)光波波陣面或傳播路徑產(chǎn)生了調(diào)制，使得衍射光的分布與聲波場分布密切相關(guān)，且常用于光束的調(diào)制。3.解析思路：聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生能量損耗，主要形式為介質(zhì)吸收和散射。水作為介質(zhì)，其粘滯性、熱傳導(dǎo)以及內(nèi)部雜質(zhì)等對(duì)聲波的吸收和散射能力遠(yuǎn)低于空氣。因此，聲波在水中傳播的衰減較小，傳播距離更遠(yuǎn)。4.解析思路：駐波管是一段兩端封閉（或一端封閉一端開放）的管子，其中可以形成穩(wěn)定的駐波。通過在管口或一端放置聲源（如揚(yáng)聲器），可以產(chǎn)生聲波。通過改變管內(nèi)介質(zhì)（如注入空氣或液體）的密度或聲速，可以改變駐波的波長和節(jié)點(diǎn)位置，從而可以用來測量聲速或探測聲波參數(shù)。5.解析思路：影響聲光調(diào)制器性能的主要因素包括：聲波頻率和功率（決定聲場強(qiáng)度）；聲光互作用長度（直接影響衍射效率）；入射光波長；聲光介質(zhì)材料的聲光系數(shù)和折射率；以及器件的幾何結(jié)構(gòu)（如光柵周期、換能器尺寸）。這些因素共同決定了調(diào)制器的帶寬、調(diào)制深度和線性度。四、計(jì)算題1.解析思路：布拉格衍射條件要求衍射光與入射光關(guān)于聲波波矢對(duì)稱。根據(jù)矢量合成，光波波矢k、聲波波矢k'和衍射波波矢k'的夾角θB滿足k-k'=k'。利用波矢與波長的關(guān)系k=2π/λ，將上式改寫為k*(1-cosθB)=k'=2π/λ。進(jìn)一步化簡得到sin(θB/2)=λ/(2λ)=1/2，故θB=arcsin(λ/(2λ))=arcsin(λf/(2v))。顯然，θB與λ、f、v有關(guān)。2.解析思路：聲波在介質(zhì)分界面處的反射和透射由界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗Z1=ρ1*c1和Z2=ρ2*c2決定。反射系數(shù)R是反射聲壓與入射聲壓之比，透射系數(shù)T是透射聲壓與入射聲壓之比。對(duì)于垂直入射，R=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)，T=2*Z2/(Z2+Z1)。3.解析思路：根據(jù)逆壓電效應(yīng)，壓電材料在電場E的作用下會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變，或在應(yīng)力σ的作用下產(chǎn)生電荷。壓電方程d=εE-σe（其中e為電致伸縮系數(shù)）描述了這種關(guān)系。對(duì)于開路電壓Vo，假設(shè)材料厚度為d，則電極表面產(chǎn)生的電荷Q=d33*σ*A（A為電極面積）。開路電壓Vo=Q/C，其中C為傳感器的電容，C=ε*A/d。因此，Vo=(d33*σ*A)/(ε*A/d)=d33*σ*d/ε。五、論述題1.解析思路：聲光效應(yīng)將聲波（機(jī)械振動(dòng)）與光波（電磁波）聯(lián)系起來，利