王文生應用光學習題集答案.doc
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1、================精選公文范文,管理類,工作總結類,工作計劃類文檔,歡迎閱讀下載============== 王文生——應用光學習題集答案 習 題 第一章 1、游泳者在水中向上仰望,能否感覺整個水面都是明亮的?(不能,只能感覺到一個明亮的圓,圓的大小與游泳都所在的水深有關,設水深H,則明亮圓半徑R?HtgIc) 2、有時看到窗戶玻璃上映射的太陽光特別耀眼,這是否是于窗玻璃表面發(fā)生了全反射現(xiàn)象? 答:是。 3、一束在空氣中波長為??的鈉黃光從空氣射入水中時,它的波長將變?yōu)槎嗌??在水中觀察這束光時其顏色會改變嗎? ?答:n?,?’?442
2、nm不變 ?’4、一高度為的人立于路燈邊遠處,路燈高度為5m,求人的影子長度。 答:設影子長x,有: ?∴x= x?、為什么金鋼石比磨成相同形狀的玻璃仿制品顯得更加光彩奪目? 答:于金鋼石折射率大,所以其臨界角小,入射到其中的光線大部分都能產生全反射。 6、為什么日出或日落時太陽看起來稍微有些發(fā)扁? 答:日出或日落時,太陽位于地平線附近,來自太陽頂部、中部和底部的光線射向地球大氣層的入射角依次增大。同時,大氣層密度不均勻,折射率水接近地面而逐漸增大。 當光線穿過大氣層射向地面時,于n逐漸增大,使其折射角逐漸減小,光線的傳播路徑就發(fā)生了彎曲。我們沿著光線去看,看到的發(fā)
3、光點位置會比其實際位置高。另一方面,折射光線的彎曲程度還與入射角有關。入射角越大的光線,彎曲越厲害,視覺位置就被抬得越高,因為從太陽上部到下部發(fā)出的光線,入射角依次增大,下部的視覺位置就依次比上部抬高的更多。 第二章 1、如圖2-65所示,請采用作圖法求解物體AB的像,設物像位于同一種介質空間。 BA F H H' F' BA FH F F' H' B F A H H' F' 圖2-65 2、如圖2-66所示,MM’為一薄透鏡的光軸,B為物點,B’為像點,試采用作圖法求解薄透鏡的主點及焦點的位置。 B● ●BM ●B’MM′ ‘ ● B
4、M′ (a) (b) 圖2-66 3、如圖2-67所示,已知物、像的大小及位置,試利用圖解法求解出焦點的位置,設物、像位于同一種介質空間。 BA’AB’ 圖2-67 4、已知一對共軛點B,B’的位置和系統(tǒng)像方焦點F’的位置,如圖2-68所示,假定物像空間介質的折射率相同,試用作圖法求出該系統(tǒng)的物、像方主平面的位置及其物方焦點位置。 圖2-68 5、一薄透鏡焦距f’??f?200mm,一物體位于透鏡前300mm處,求像的位置和垂軸放大率。 111??l’lf’l’?60mm0l’解:?? ???2? ll??300mm,f’?200mm
5、6、一架幻燈機的投影鏡頭f’??f?75mm,當屏幕8m移到10m時,鏡頭需移動多大距離?方向如何? 解:根據(jù)高斯公式 111??,可求出l’?8m時l??;l’?10m時l’lf’l?? 所以當屏幕8m移到10m時,鏡頭需向左移 ????10500mm7、有一光學系統(tǒng)物像面之間的共軛距為,放大率,兩焦點 之間的距離為96mm,求系統(tǒng)的焦距。 解:已知:l’?l?d?500mm;???10?;2f’?d?96mm 111??l??44mml’lf’根據(jù)公式 f’?40mml’??l8、一物體被一正透鏡在屏上成一高為50mm的像,保持物體和光屏的位置不變而移動透鏡時,
6、又在屏上形成一高為200mm的像,求物的高度及透鏡的焦距。 解:根據(jù)光路可逆性,可知透鏡未移動時的物距l(xiāng)1與透鏡移動后的像距l(xiāng)’2大小相等;而l’1??l2,根據(jù)高斯公式中垂軸放大倍率可知?1?1?2 已知:y’1??50mm;y’2??200mm;l1?l2?l1?l’1? 111?11???l’lf’y?100mm?24根據(jù)公式 l’y’f’?1000mm1????1??ly2 9、一個正薄透鏡對一物體成實像,像高為物高的一半,若將物體向透鏡移近100mm,則所得的實像與物大小相同,求透鏡的焦距。 解:設移動前物距為l1,像距為l’1;移動后物距為l2,像距
7、為l’2。根據(jù)題意有: ?1???l’1y’11???l1y12l’2y’2???1 f’?100mm l2y2l2?l1?100mm111??l’lf’ 10、一個雙凸透鏡的兩個半徑分別為r1,r2,折射率為n,問當厚度d取何值時該透鏡相當于望遠系統(tǒng)? 2?n?1?解:望遠系統(tǒng)是無焦系統(tǒng)即??0;根據(jù)公式???n?1???1??2??d?1?2可 n知d?n(r1?r2)/(n?1) 11、一透鏡位于空氣之中,兩個折射面的曲率半徑分別為 r1?30mm,r2??50mm,折射率n?,透鏡厚度d?20mm,求透鏡的焦距和光焦度。 ?n?1?d??可求出1???11
8、1解:根據(jù)公式????n?1???1??2??12f’450f’n2所以f’?;?? 12、一折射率n?,半徑為20mm的玻璃球放置在空氣中,求玻璃球的焦距大小及基點位置。 解:套用公式: 1(n?1)2d?1?2 ???(n?1)(?1??2)?f’nn?1?l??f’(1?d?2)?Fn?n?1?l’F?f’(1?d?1)n? ??dr1?lH?n(r2?r1)?(n?1)d??dr2?l’??Hn(r?r)?(n?1)d21?焦距30mm,l’F??lF?10mm,l’H??lH??20mm 13、一束平行光垂直入射到平凸透鏡上,會聚于透鏡后480mm處,如在此 透鏡凸
9、面上鍍銀,則平行光會聚于透鏡前80mm處,透鏡的中心厚度為15mm,求透鏡的折射率及凸面的曲率半徑。 解:1)凸面鍍銀前,根據(jù)題意有: r1n1?n?? 480? 1?nl’1?r2)凸面鍍銀后,根據(jù)題意有: 得到: 在經過第一面折射 物像相反為虛像。 27、人眼直接觀察太陽時太陽對人眼的張角為30’,請計算太陽經過焦距為 400mm的凹面鏡所成像的大小。2y’? y’400y??y’?400yll ytg15’??y?ltg15’?y’?400tg15’??2y’?、一長為1m的平面鏡掛在墻上,鏡的上
10、邊離地面2m,一人立于鏡前處,眼睛離地,求此人在鏡內所看到的離墻最近點的位置和最遠點的位置。 解,最近點與鏡下邊緣連線的光剛能夠進入人眼, ?1tg???1?tg??1/x?x?1m 最遠點與鏡上邊緣連線的光剛能夠進入人眼, ?2tg???1/3?tg??2/x?x?6m 第三章 1、為什么日常生活中人們對鏡自照時一般不易感覺到鏡中所成的鏡像和自己的實際形象不同? 答:因為人體左右基本上是對稱的。 2、某人身高180cm,一平面鏡放在他身前120cm處,為了看到他自已的全身像,鏡子最小應是多少? 解: 圖可知,為了看到他自已的全身像,鏡子最小應是人身高的
11、一半,即90cm 3、如圖3-35所示,物鏡后有三塊平行平板,其厚度分別為9mm,6mm,12mm,折射率均為n?,物鏡與第一塊平行平板之間的距離為10mm,第一塊與第二塊平行平板之間的距離也為10mm,物鏡的像距l(xiāng)’?64mm,物體經過系統(tǒng)最后所成的像面剛好與最后一塊平行平板的第二個折射面相重合,試求第二塊和第三塊平行平板之間的間隔。 l’ 圖3-35 n?1d和圖中位置關系可求得d?26mm n4、一臺顯微鏡已經對一個目標調整好物距進行觀察,現(xiàn)將一塊厚度d?,折射率n?的平行平板玻璃壓在目標物體上,問此時通過顯微鏡能否清楚地觀察到目標物體,該如何重新調整? n?1d? 解 :
12、根據(jù)公式?l’?n加上玻璃板后物距相當于增加了毫米,這樣的話在原像面上就看不到清晰的 解 :根據(jù)公式?l’?像了。要想再獲得清晰的像,于顯微物鏡成放大的像,高斯公式,可知物鏡應該向遠離物體方向移動。 5、有一直徑為D?20mm,焦距為f’?100mm的望遠物鏡,像面直徑為 2y’?10mm,現(xiàn)在物鏡之后加入一折射率n?的施密特屋脊棱鏡,并要求 像面位于棱鏡后方d2?20mm處,如圖3-36所示,求棱鏡相對于物鏡的位置及棱鏡通光口徑的大小。 20 F'd1 圖3-36 解: 物鏡 平板 2ω DD1 D2 α 2y′d1 d f' d2 望遠系統(tǒng)的
13、結構光路 Sketch of telescope D1?2[y’?(f’?d1)tan?]?2[5?(100?d1)tan?]D/2?y’20/2?5tan????’100 D1?20?d1? L? d?LL? ?f’?d1?d?100?d1?d F′ d1?∴D1? D2?2(y’?d2tan?)?2(5?20?)?12mm6.圖3-37所示為一塊平行平板,平行平板玻璃折射率n?,其厚度d?15mm,一入射細光束經過平行平板折射后,像點A’剛好位于平行平板的第二個折射面上,試求物點相對于第一個折射面的具體位置。 A A' d 圖3-37 解:套用公式?l
14、’?n?1d,可知物象距5毫米,因此物體距第一面距離為10毫n米。 7、試判斷如圖3-39所示各棱鏡或棱鏡系統(tǒng)的出射像坐標,設輸入的物坐標為右手坐標。 觀察屏觀察屏相機鏡頭翻轉反射鏡 圖3-38 8、光學系統(tǒng)一透鏡和平面鏡組成,如圖3-40所示。平面鏡MM與透鏡光軸交于D點,透鏡前方離平面鏡600mm處有一物體AB,該物體經過透鏡和平面鏡后所成的虛像A\B\至平面鏡的距離為150mm,且像高為物高的一半,試分析透鏡焦距的大小并確定透鏡的位置。 M B A'' A D B'' M 圖3-40 解:根據(jù)題意可知,透鏡的物象共軛距為450毫米,根據(jù)高斯公式可
15、求得 f’?100mm,透鏡位于物與平面鏡中間。 9、一平行平板厚度為d,折射率為n,入射光線方向如圖3-41所示,若平行平板繞O點旋轉?,試求光線側向位移的表示式。 圖3-41 解:圖可知 d?y’?CD?sin(???) cos? 根據(jù)折射定律及三角函數(shù)關系可得: cos?n2?sin2??y’?dsin?(1?) n2?sin2?10、圖3-41所示為一物鏡L及兩塊平面反射鏡M1M2所組成的光學系統(tǒng),試判斷物體經過系統(tǒng)的像坐標。 圖3-41 11、已知一光楔nF?,nC?,若令出射的F光與C光之間的夾角為 1’,求
16、光楔折射角?的大小。 解:公式:???(n?1)知 ?1??2?(?)??1/60???? 12、把光楔放置在物鏡及像方焦平面之間的會聚光路中,并將其沿著光軸方向前后移動,試問像點在光楔主截面內垂直于光軸方向是否發(fā)生移動?若光楔的偏向角??1o,其移動量值為10mm,像點的移動量值是多少? 解: 如圖所示可知:1)像點在光楔主截面內垂直于光軸方向是發(fā)生移動 1??? 2)?y’?l???10?180 13、有一個塊色散棱鏡,棱鏡的折射角??60o,對某種入射光波的最小偏向角 ?min?40o,求1)棱鏡對該種波長的折射率;2)若將該棱鏡置于水 中,求此時
17、最小偏向角的大小。 1?解:sin[(???m)]?nsin()?n? 22 若置于水中公式求得?min?? 第四章 1、一薄透鏡的焦距f’?35mm,通光口徑D?48mm,現(xiàn)在透鏡的左側距離透鏡 15mm處放置一個孔徑大小為30mm的光闌,一個高為15mm的物體AB垂直放置于光軸之上,與透鏡相距80mm,求1)出瞳的大小及位置;2)請利用主光線的特性采用作圖法作出物體的像;3)利用公式求出像的大小及位置。 P B A F F′光闌 L 解:1)根據(jù)物在有限遠判斷孔徑光闌方法可知光闌為入瞳 111???l’lf’??根據(jù)高斯公式可求??l’??,D’?
18、 y’l’????yl??111???l’lf’??3)??l’?,D’?? y’l’????yl??2、一薄透鏡的焦距f’?60mm,通光口徑D?60mm,現(xiàn)在透鏡的左側距離透鏡 20mm處放置一個孔徑大小為60mm的光孔,在透鏡的右側距離透鏡20mm處放 置一個孔徑大小為40mm的光孔,一個高為40mm的物體AB垂直放置于光軸之上,與透鏡相距12mm,求1)判斷系統(tǒng)的孔徑光闌;2)入瞳的大小及位置; 3)利用公式求出像的大小及位置。 A B F′ F 光孔1光孔2 解:1)根據(jù)物在有限遠判斷孔徑光闌方法可知第二個孔為光闌 111????20l60?2)
19、高斯公式及已知條件有:??l?30mm;D?60mmD=90mm l’D’????lD??3)高斯公式可求得:y’?5mm,l’??15mm 3、一焦距f’??100mm,通光口徑D?60mm薄透鏡放置在另一個焦距 f’?50mm,通光口徑D?80mm薄透鏡的右側,兩透鏡相距40mm。一個孔徑直 徑為50mm的光闌放置在兩個透鏡中間,一個高為40mm的物體AB垂直放置于光軸之上,與透鏡相距12mm,求1)入瞳的大小及位置;2)出瞳的大小及位置; 3)利用公式求出像的大小及位置。 B A 111??l’lf’解:高斯公式及已知條件可求得入瞳的大小及位置 l’y’???ly3
20、00mm,200mm 求得出瞳的大小及位置 60mm,40mm 像的大小及位置 , 4、一個雙薄透鏡L1,L2構成的光學系統(tǒng),透鏡的焦距分別為 f’1?20mm,f’2?10mm,通光口徑分別為D1?D2?6mm,現(xiàn)在L1,L2之間放置一個口徑 Dp?2mm的孔,并且該孔與第一塊透鏡之間的距離為40mm,距第二塊 透鏡的距離為20mm,一軸上物點A位于第一塊透鏡左側100mm位置處,1)試判斷系統(tǒng)的孔徑光闌;2)若系統(tǒng)的漸暈系數(shù)KW?,請確定最大的視場范圍。 解:1)利用高斯公式將孔和第二塊透鏡經透鏡一成像,得到孔和透鏡二在物空間的位置和大小 111??lf1??30mm
21、l’lf’ l’y’lp??40mm???ly;Df2?3mm;Dp?2mm 再計算所有物空間通光孔對物點的張角,張角最小的即為入瞳,與之共軛的物為孔徑光闌: 通過計算可知孔為孔徑光闌;入瞳大小為2mm,位于第一塊透鏡前40mm處 2)首先按定義求出視場光闌,視場光闌為第一個透鏡,根據(jù)圖中相似三角形有 y?(1??2)100?40? y?31002y=7mm 5、一照相鏡頭的焦距為f’?35mm,底片像幅尺寸為24?36mm2,求該相機的最大視場角。 242?362?? 根據(jù)圖有:2??2?arctan2?356、一望遠鏡的物鏡通光口徑為D1?5c
22、m,焦距為f’1?20cm,目鏡的通光口徑為 D2?1cm,焦距為f’2?2cm,試求此望遠鏡的入瞳及出瞳的大小和位置。 解:根據(jù)高斯公式及已知條件可求得入瞳是物鏡框,l’z?22mm,D’?5mm 7、照相物鏡的焦距為75mm,相對孔徑分別為1/,1/,1/,1/,1/8,1/11,設人眼的分辨角為1’,當遠景平面為無限遠時,求其對準平面的位置、近景平面的位置及景深大小。 2aa;p2?;???,代入公式可求得當遠景平解:當遠景平面為無限遠時:p???面為無限遠時p;p2;??? 8、一個焦距為50mm,相對孔徑為1/2的投影物鏡,將物平面成一放大4?的實像,如果像面上允許的幾何彌
23、散斑直徑為,求景深。 1/l’?1/l?1/f’?4?l’/l?l??’??p???? ?4?????1??2?2??p2?29、一圓形光闌直徑為10mm,放在一透鏡和光源的正中間做為孔徑光闌,透鏡的焦距為100mm,在透鏡后140mm的地方有一個接收屏,光源的像正好成在屏上,求出瞳直徑。 111解:根據(jù)高斯公式??可求得光源和透鏡的距離為350mm,則光闌和透鏡 l’lf’的距離為175mm。 111??l’lf’應用高斯公式,l?175mm;D?10mm可求得D’? l’y’???ly10、 現(xiàn)有一架照相機,其物鏡焦距f?為75mm,當以常攝距離p?3m進行拍攝,
24、 ?1?(n?1)(?1??2)???r1?12mm 已知r2????2?0??2?(n?1)(?3??4)???r4??120mm 已知r3????3?0?13.基線為1m的體視測距機,在4km處相對誤差小于1%,問儀器的視覺放大倍率應為多少? 解: ???Le?8?10?4L2??B?體???16?B????20 b??422?Le8?10LL??L體???5?10?5??體16?B?B?14.刻卜勒望遠鏡的筒長225mm,???8,2??6?,D??5mm,無漸暈, 求物鏡和目鏡的焦距; 目鏡的通光孔徑和出瞳距;
25、 在物鏡焦面處放一場鏡,其焦距f??75mm,求新的出瞳距和目鏡的通光孔徑; 目鏡的視度調節(jié)在?4D(屈光度),求目鏡的移動量。 解: ?fo????f??200mmfe????o ?fe??25mmfo??fe??L?????De?2Ltan??D’? ?? lzDe?D?De?D??? 2tan??2?tan? ??l2?l1??fe??111??? ???lz ?l1?20075?111?????l2lzfe???tan???D?? De?2lz4Dfe?x???? 1000215.591式對空3m測距機中,望遠系統(tǒng)的出瞳直徑D??,視覺放大率為
26、32,試: 求它們的衍射分辨率和視覺分辨率; 欲分辨的目標,問該目標到測距機的距離不能大于多少米? 是否能用提高視覺放大率的辦法分辨更小的細節(jié),為什么? 120??120?????? 解:???D?D60????? ???60?????????L? ??L不能, 只有提高物鏡口徑才可以看清更小的細節(jié)入/D 16.珠寶商戴著焦距為的放大鏡觀察一直徑為5mm的寶石,求: 1)確定該放大鏡角放大倍率的最大值; 2)寶石經放大鏡后的大?。? 3)在明視距離處,用裸眼觀察寶石時,寶石的視場角大??; 4)人眼通過放大鏡觀察寶石時,寶石的視場角大小?! 〈穑侯}意知: 1)大
27、鏡的最大角放大倍率 ?max?250?f’250??1??1?’ ? 2)通過放大鏡后,像高2y’?2y??max?5?? tg??52y?? 3)用裸眼觀察寶石時: ??2??2arctan()? 4)用放大鏡觀察寶石時:tg?’??gtg? o?2?’?2arctan(1?? 1????317.一顯微鏡物鏡的垂軸放大倍率,數(shù)值孔徑NA?,共軛距 L?180mm,物鏡框是孔徑光闌,目鏡焦距f’e?25mm, 1)求顯微鏡的視覺放 大倍率;2)求出瞳直徑及出瞳距;3)當入射光波長??550mm時,顯微鏡的分辨率; 4)求物鏡的通光口徑。 解:設物
28、距為l,像距為l’,物鏡焦距為f’,則有 ?l’?l?180? ?l’??3l 求得 l’?135mm,l??45mm 111?? 再高斯公式 l’lf’ 求得f’? 1)顯微鏡視覺放大倍率 ????e??3?250??30?f’e 2)出瞳直徑 D’?500NA?500??? 出瞳距為入瞳對目鏡所成像的像距,牛頓公式得 xx’?ff’ff’x?25?25x’???135lz’?fe’?x’?25??’? 3)顯微鏡分辨率為 ???????m? 4)物鏡的通光孔徑 2sinul?2??45?9m
29、m 18. 一伽里略望遠鏡, 放大倍率為2,一投影物鏡,焦距為100,如何組合使系統(tǒng)焦距為50?何種透鏡可用于寬銀幕放映?畫出組合系統(tǒng)光路圖。 答:將伽里略望遠鏡倒置在投影物鏡前,即可得到一組合焦距為50的系統(tǒng)?! ≈骁R可用于寬銀幕放映。 19.一望遠鏡,其物鏡口徑為40mm,焦距為150mm,目鏡口徑為10mm,焦距為15mm, 分劃板口徑為10mm,位于物鏡的后焦平面上,問: 1)孔徑光闌應選在何處? 視場光闌在哪? 2) 視放大倍率多大? 3)出瞳直徑多大?出瞳距目鏡后焦點多遠? 答:1)望遠系統(tǒng)孔徑光闌物鏡框,視場光闌為分劃 ???f’o150?
30、???10?f’e15 2)視放大倍率 3) DD’D40D’?????4mm??10 ???4)牛頓公式 xx’?ff’150x’?15?15x’? cd/m成像,采用光圈數(shù)為F=8, 20. 照相物鏡對天空中目標亮度200021)其視場中心部分像面的照度多大? 2)此時照相機的理論分辨率多大? 3)如果暴光時間秒,拍攝該目標的暴光量多少? 答:1)當物體無限遠時,視場中心像面照度為 1D2E’???L24f’11????2000?248? lx 2)按照瑞利準則,相機物鏡的理論分辨率為 NL??f’ NL?1475Df’? 3)H?E?t
31、??? 21.在顯微鏡或望遠鏡中,目鏡是否起分辨的作用?是否起放大的作用?是否起倒像的作用? 答:不起分辨作用,正立放大虛像, 22.若一顯微物鏡上標明170mm/;40/, 這表明的意義是什么?如果滿足要求,問應選擇多大倍率的目鏡? 答:顯微物鏡的放大率為40,數(shù)值孔徑為,適合于機械筒長170mm,物鏡是對玻璃厚度d?的玻璃蓋板校正像差。8倍目鏡。 第八章 1.激光工作物質的能級系統(tǒng)結構主要有幾種?舉例說明之。 答:激光工作物質的能級系統(tǒng)主要有三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)。三能級系統(tǒng)如氦氖激光器,本書已介紹不再重復。四能級系統(tǒng)以紅寶石激光器為例來說明。 對于紅寶石激光器,
32、其工作物質摻有少量Cr,其能級如圖所示,在400nm和 4F2500nm附近有兩個吸收帶和F1,二者均有較寬的帶寬和較短的44FA能級壽命。Cr在泵浦光作用下基態(tài)2躍遷到2和F1能帶,隨后通過無輻 ?3?344 2射躍遷迅速弛豫到激光上能級E,并其中較低的一條E回到基態(tài),同時產生波 長的輻射。 4F14F2}E2泵浦 Cr?3能級和躍遷圖 2.提高激光準直的精度需要考慮哪些因素? ???答: 公式 ?0f?可知,激光的發(fā)散角??與?0和?’有關,要想獲得較小的?’, --------------------精選公文范文,管理類,工作總結類,工作計劃類文檔,感謝閱讀下載--------------------- ~ 22 ~
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