高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册第四章 光综合与测试单元测试同步达标检测题

光　综合检测

一、单项选择题:本题共8小题,每小题3分,共24分。每小题只有一个选项符合题目要求。

1.下列关于光学现象的说法正确的是(　D　)

A.激光的相干性好,可以用于精确测距

B.阳光下水面上的油膜呈现出彩色条纹是光的衍射现象

C.观看3D立体电影时,观众戴的眼镜是应用光的全反射原理制成的

D.唐诗“潭清疑水浅,荷动知鱼散”中“疑水浅”是由于发生了光的折射

解析:激光的相干性好可以用来通信,激光的平行度好可以用来测距,故A说法错误;阳光下水面上的油膜呈现出彩色条纹是光的干涉现象,故B说法错误;观看3D立体电影,利用了光的偏振,故C说法错误;人看到的水底是光从水中斜射入空气中时发生折射形成的虚像,属于光的折射,像的位置比实际物体位置要浅,所以看上去水底浅,故D说法正确。

2.如图所示,一条光线通过一个在水中的球形空气泡,下列哪一条表示出射光线的路径(　A　)

A.光线1 　　　　B.光线2

C.光线3 　　　　D.光线4

解析:光先从水进入空气泡中,由折射定律可知折射角应大于入射角;然后又从空气射入水中,折射角应小于入射角。综上所述,只有光线1符合要求,故选项A正确。

3.两束细平行光a和b相距为d,从空气中互相平行地斜射到长方体玻璃砖的上表面,如图所示,若玻璃对a的折射率小于对b的折射率。当它们从玻璃砖的下表面射出后,有(　B　)

A.两束光仍平行,间距等于d

B.两束光仍平行,间距大于d

C.两束光仍平行,间距小于d

D.两束光不再相互平行

解析:作出两种光线在平行玻璃砖中的光路图。由题意知na<nb,根据na=,nb=,得ra>rb,故d′>d;光线经过两侧面平行的玻璃砖后方向不变,折射光线仍平行,B正确。

4.在单色光双缝干涉实验中,屏P上产生了等间距的干涉条纹。若将S2缝遮住,并在S1、S2的垂直平分面处放一平面镜M,如图所示,则(　C　)

A.屏上不会出现任何条纹

B.屏上呈现出明暗相间的不等距条纹

C.仅将平面镜M向上移动少许,屏上条纹间距将增大

D.仅将屏向左移动少许,屏上条纹间距将增大

解析:当在S1、S2的垂直平分面处放一平面镜M时,由平面镜的反射特点可知,经平面镜反射出的光,相当于原来的S2射出的光,如图所示,因此仍能在屏P上产生等间距的干涉条纹,A、B错误;仅将平面镜M向上移动少许,相当于S1、S2之间的间距d减小,由Δx=λ可知,双缝间距d减小,屏上条纹间距Δx将增大,C正确;仅将屏向左移动少许,由Δx=λ可知,双缝与屏之间距离l减小,屏上条纹间距Δx将减小,

D错误。

5.光纤通信采用的光导纤维由内芯和外套组成,长为L,其侧截面如图所示,一复色光以入射角θ0从轴心射入光导纤维后分为a、b两束单色光,两单色光在内芯和外套界面多次全反射后从光导纤维另一端射出。已知内芯材料对a光的折射率为n,真空中的光速为c。下列说法正确的是(　D　)

A.内芯材料对b光的折射率小于n

B.在内芯中a光的传播速度比b光小

C.若a光恰好发生全反射,则在这段光纤中的传播时间为t=

D.当sin θ0逐渐增大到 时,开始有光从纤维侧壁射出

解析:设折射角为α,根据折射定律有n=,由于a光的折射角大于b光的折射角,因此内芯材料对b光的折射率大于对a光的折射率n,故A错误;根据速度与折射率的关系有n=,由于内芯对a光的折射率小于对b光的折射率,因此在内芯中a光传播速度比b光大,故B错误;若a光恰好发生全反射,则在这段光纤中的传播时间为t==,故C错误;光线a的临界角为C,如图,

由于sin C=;随着入射角θ0逐渐增大,光线a在内芯边界上的入射角逐渐减小,恰好达到临界角时,根据几何关系C+α=;而n=,整理得sin θ0=;此时开始有光从纤维侧壁射出,故D正确。

6.如图所示,图a表示单缝,图b表示双缝,用某单色光分别照射竖直放置的单缝和双缝,在缝后较远位置竖直放置的光屏上可以观察到明暗相间的条纹(图中阴影表示亮条纹),则(　C　)

A.图c表示单缝衍射条纹,图d表示双缝干涉条纹

B.单缝S越宽,越容易观察到对应的明暗条纹

C.双缝间距离越小,对应条纹间距越大

D.照射双缝的单色光波长越短,对应条纹间距越大

解析:根据单缝衍射条纹间距不等,而双缝干涉条纹间距相等,则有题图c表示双缝干涉条纹,题图d表示单缝衍射条纹,故A错误;根据发生明显衍射现象的条件可知,单缝S越窄,越容易观察到对应的明暗条纹,故B错误;在双缝干涉中,干涉条纹的间距Δx=λ,由公式可得,条纹间距与波长λ、双缝与屏之间的距离l成正比,与双缝间的距离d成反比,故C正确,D错误。

7.用图示实验装置演示光的偏振现象,白炽灯O发出的光通过两个透振方向平行的偏振片P、Q照到光屏上,通过偏振片前后的光束分别用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示。下列说法正确的是(　B　)

A.白炽灯发出的光是纵波

B.偏振片Q起到检偏的作用

C.光束Ⅱ中光振动方向与P透振方向垂直

D.将偏振片P以光传播方向为轴转过45°,光束Ⅲ将消失

解析:白炽灯的光通过两个透振方向平行的偏振片P、Q照到光屏上,不能说明白炽灯的光是纵波,A错误;当白炽灯光经偏振片P后就成为偏振光,因此偏振片P有起偏的作用;旋转偏转片Q,能根据偏振片Q后的光束Ⅲ强度的变化判断光束Ⅱ是否是偏振光,所以偏振片Q起到检偏的作用,B正确;光束Ⅱ中的光是经偏振片P透射来的,所以光束Ⅱ中光振动方向与P透振方向平行,C错误;将偏振片P以光传播方向为轴转过45°,光束Ⅲ将会减弱,D错误。

8.某三棱镜的横截面为等腰三角形,∠A=120°,AB边长为2L,空气中一束包含a、b两种单色光的细光束沿平行于BC方向照射到AB边的中点O,经三棱镜折射后分成a、b两束单色光(部分光路图如图所示)。其中,b单色光从O点入射后的折射光平行于AC。已知光在真空中传播速度为c。(不考虑AC面的反射)下列说法不正确的是(　C　)

A.在该三棱镜中,单色光a的传播速度比b小

B.单色光b在该三棱镜中发生全反射的临界角C满足sin C=

C.若用单色光a、b分别通过同一双缝干涉装置,单色光a的相邻亮条纹间距比b的大

D.仅改变入射光在AB边上入射点的位置,b光在该三棱镜中的传播时间始终为

解析:根据折射定律n=,可知b光的折射率小于a光的折射率,根据n=,可知在该三棱镜中,单色光a的传播速度比b小,故A说法正确;由几何关系知a、b复合光的入射角为60°,b光的折射角为30°,则b光的折射率为n==,则单色光b在该三棱镜中发生全反射的临界角C满足sin C==,故B说法正确;由A选项可知,a光折射率大于b光折射率,则a光频率大于b光频率,根据c=λ·f,可知a光的波长小于b光波长,根据Δx=λ,可知若用单色光a、b分别通过同一双缝干涉装置,单色光a的相邻亮条纹间距比b的小,故C说法错误;如图所示,改变入射光在AB边上入射点的位置,由于入射角始终为θ,所以折射光b始终平行于AC,根据B选项可知,b光在BC边会发生全反射,因为∠A=120°,可得∠B=∠C=∠OEB=30°,因为∠BEO+

∠OEF=90°,∠FED=∠OEF,所以∠DEC=30°,所以AB∥DE,所以AOED是平行四边形,AD=OE,在等腰△EDC中,DC=DE,所以从AB边上任意位置射入的光线,b光的路径等于AC的长度,则t=,又v===c,解得t=,故D说法正确。

二、多项选择题:本题共4小题,每小题4分,共16分。每小题有多个选项符合题目要求,全部选对得4分,选对但不全的得2分,有选错的得0分。

9.如图所示为用a、b两种单色光分别通过同一双缝干涉装置获得的干涉图样。现让a、b两种光组成的复色光穿过平行玻璃砖或三棱镜时,光的传播方向中可能正确的是(　AD　)

解析:根据双缝干涉相邻条纹间距公式Δx=λ可知,a光的波长长,频率小,则同一介质对a光的折射率小,对b光的折射率大。根据平行玻璃砖的光学特性可知,出射光线与入射光线平行,由于a光的折射率小,偏折程度小,所以出射时a光应在右侧,故A正确,B错误;由

sin C=分析可知,a光的临界角较大,当光从棱镜射到棱镜与空气的界面上时,若b不发生全反射,射出棱镜,则a光一定也不发生全反射,故C错误;当光从棱镜射到棱镜与空气的界面上时,若a不发生全反射,射出棱镜,b光可能发生全反射,故D正确。

10.利用薄膜干涉可检查工件表面的平整度,如图甲所示,现使透明标准板M和待检工件N间形成一楔形空气薄层,并用单色光照射,可观察到如图乙所示的干涉条纹,条纹的弯曲处P和Q对应于A和B处,C、D两点表示亮条纹的正中间。下列判断中正确的是(　AD　)

A.N的上表面A处向下凹陷

B.N的上表面B处向下凹陷

C.C、D两点对应MN板所形成的空气薄膜厚度差d2-d1=4λ

D.C、D两点对应MN板所形成的空气薄膜厚度差d2-d1=2λ

解析:薄膜干涉是等厚干涉,即同一亮条纹处空气膜的厚度相同,从弯曲的条纹可知,A处检查平面处的空气膜厚度与其右面的空气膜厚度相同,知A处凹陷,B处检查平面处的空气膜厚度与其左面的空气膜厚度相同,知B处凸起,B错误,A正确;薄膜干涉中相邻亮条纹对应空气膜厚度差为λ,由题图可知,C、D两点对应MN板所形成的空气薄膜厚度差为d2-d1=2λ,C错误,D正确。

11.如图所示,△OMN 为玻璃等边三棱镜的横截面,a、b两束可见单色光从空气垂直射入棱镜底面 MN(两束可见单色光关于MN边中线OO′对称),在棱镜侧面 OM、ON 上反射和折射的完整光路如图所示。下列说法正确的是(　ACD　)

A.若光束从玻璃棱镜中射向空气,则光束b更容易发生全反射

B.在玻璃棱镜中,a光的传播速度小于b光的传播速度

C.若保持b光入射点位置不变,将光束b顺时针旋转,则NO面可能有光线射出

D.用a、b光在同样的装置做“双缝干涉”实验,a光的条纹间距大

解析:由光路图看出,入射角相同,b光束在NO面上发生了全反射,而a光束在MO面上没有发生全反射,说明光束b更容易发生全反射,A正确;光束b更容易发生全反射,b光的临界角小于a光的临界角,由

sin C=,分析得知,玻璃对a光束的折射率小于对b光束的折射率,由v=,得知,在玻璃棱镜中a光的传播速度比b光大, B错误;若保持b光入射点位置不变,将光束b顺时针旋转,在NO面上的入射角减小,入射角可能小于临界角,则NO面可能不发生全反射,有光线射出,C正确;由于玻璃对a光的折射率小于b的折射率,则a光的频率比b光的低,a光的波长比b光的长,根据Δx=λ,做双缝干涉实验时a光束的条纹间距大,D正确。

12.如图所示,某一复色光由半球形玻璃砖的右侧面斜射到球心O处,经AB界面折射后得到a、b两束可见单色光,则下列说法正确的是(　ABD　)

A.在半球形玻璃中,b光的传播时间大于a光的传播时间

B.b光的频率大于a光的频率

C.现将复色光束绕O点逆时针转动,则a光束先消失

D.用同样的装置做双缝干涉实验,b光的条纹间距较小

解析:由折射定律结合题图可知,b光的折射率大于a光的折射率,即b光的频率大于a光的频率,由公式n=可知,b光在玻璃中的传播速度小于a光在玻璃中的传播速度,则在半球形玻璃中,b光的传播时间大于a光的传播时间,故A、B正确;由公式n=可知,b光发生全反射角的临界角更小,则b光束先消失,故C错误;由于b光的频率大于a光的频率,则d光的波长小于a光的波长,由公式Δx=λ可知,用同样的装置做双缝干涉实验,b光的条纹间距较小,故D正确。

三、非选择题:本题共6小题,共60分。

13.(6分)利用双缝干涉测定光的波长的实验中,双缝间距d=0.4 mm,双缝到光屏间的距离l=0.5 m,实验时,接通电源使光源正常发光,调整光路,使得从目镜中可以观察到干涉条纹。

(1)某种单色光照射双缝得到干涉条纹如图2所示(黑线表示亮条

纹),则

①分划板在图中A位置时游标卡尺的读数为xA=11.1 mm,在B位置时游标卡尺读数为xB=15.6 mm,相邻两条纹间距Δx=　　　　mm。

②该单色光的波长λ=　　　　m。 

(2)如果测量头中的分划板中心刻线与干涉条纹不在同一方向上,如图3所示,则在这种情况下测量干涉条纹的间距Δx时,测量值　　　　(选填“大于”“小于”或“等于”)实际值。若要使两者对齐,该同学应如何调节　　　　。 

A.仅左右转动透镜 B.仅旋转滤光片

C.仅拨动拨杆    D.仅旋转测量头

解析:(1)①相邻两条纹间距Δx===0.75 mm;

②该单色光的波长λ== m=6.0×10-7m。

(2)如果测量头中的分划板中心刻线与干涉条纹不在同一方向上,则在这种情况下测量干涉条纹的间距Δx时,由于条纹是倾斜的,所以测量值大于实际值。发现里面的亮条纹与分划板竖线未对齐,若要使两者对齐,该同学应旋转测量头,故选D。

答案:(1)①0.75　②6.0×10-7

(2)大于　D

14.(8分)某同学在利用“插针法”测定一块红色直角三角形玻璃砖的折射率时发现,由于玻璃的颜色较深,在另一侧很难观测到对侧所插的针。他想到可以用实验室的红色激光器来完成实验。如图所示,他在木板上固定好白纸,放好玻璃砖,正确作出了界面MN、MP、NP,然后让很细的激光平行于木板从玻璃砖的上界面MN入射。

(1)由于激光很强,不能用眼睛直接观测,该同学通过在木板上插入被激光照亮的针来确定激光光路,正确的插针顺序应是　　　　。 

A.P1、P2、P3、P4 B.P4、P3、P2、P1

C.P1、P2、P4、P3 D.P4、P3、P1、P2

(2)若P1P2与MN垂直,用量角器量得图中的θ1=60°,θ2=30°,则玻璃的折射率为　　　　。

A. B.

C. D.

(3)若激光器正常发光,激光平行木板从玻璃砖NP界面垂直射入玻璃砖,如图虚线箭头所示。该同学发现在MP一侧始终找不到出射光线,则原因是　　　　　　;该同学在MP一侧没有找到出射光线,但在MN一侧找到了出射光线,他依然用被激光照亮的针确定了激光在MN一侧的出射光线和NP一侧的入射光线,则测量后他　　　　　　(选填“能”或“不能”)计算出玻璃的折射率。 

解析:(1)四根针应该先插光路后面的针,否则光被挡住,后面的针无法确定位置,故正确的插针顺序应是P4、P3、P2、P1。故选B。

(2)在MP界面上,光的入射角为i=30°,折射角为r=60°,则玻璃的折射率为n===,

故选A。

(3)若激光器正常发光,该同学发现在MP一侧始终找不到出射光线,由于是从光密介质到光疏介质,则可能是激光在MP界面上发生了全反射;入射光线与MN相垂直,在MP一侧没有找到出射光线,说明光线在MP上发生了全反射,根据几何关系可以求出光线在MN面上的入射角,由插针得出折射角,从而由折射率公式可以计算出折射率。

答案:(1)B　(2)A　(3)激光在MP界面上发生了全反射　能

15.(7分)如图为某游泳馆场景示意图,该游泳池高H为2.0 m,池水深度为1.6 m。为确保游泳安全,坐在泳池旁边凳子上有一名救生员,其眼睛到地面的高度h为1.2 m,到池边的水平距离L为1.6 m。由于位置关系,救生员在观察时存在一片盲区;为测量盲区的宽度d,已经测得光从池底沿着图示AB光线射到水面与法线成48°角入射时,恰好发生全反射。(取sin 48°=0.75,sin 37°=0.6)

(1)求游泳池水的折射率;

(2)救生员观察到池底盲区的宽度d是多少?(结果保留3位有效数字)

解析:(1)全反射时sin 48°=0.75,

则n==。

(2)设折射角和入射角分别为θ1和θ2,

则由题意θ1=53°,

根据n=,得θ2=37°,

盲区宽度

d=(2.0 m-1.6 m)tan θ1+(1.6 m)tan θ2,

解得d≈1.73 m。

答案:(1)　(2)1.73 m

16.(9分)如图甲所示,某汽车大灯距水平地面的高度为81 cm,该大灯结构的简化图如图乙所示。现有一束光从焦点处射出,经旋转抛物面反射后,垂直半球透镜的竖直直径AB从C点射入透镜。已知透镜直径远小于大灯离地面高度,lAC=lAB,半球透镜的折射率为,tan 15°≈0.27,求这束光照射到地面的位置与大灯间的水平距离。

解析:光路如图1所示,

设光线从C点水平射向半球玻璃时的入射角为α,从半球玻璃折射后的出射光线与水平面成β角,依题意有sin α==,

根据折射定律有n=。

设这束光照射到地面的位置与车头大灯间的水平距离为x,如图2所示,根据几何关系有tan β=,

联立解得x=300 cm=3 m。

答案:3 m

17.(14分)电脑、手机屏幕会发出短波蓝光,这种蓝光对视网膜的危害程度极大。某同学利用薄膜干涉的原理设计“增反膜”眼镜来减小短波蓝光对眼睛的伤害,制作时需要测量短波蓝光的波长。他利用双缝干涉进行波长的测量,实验中使用的双缝间距d=0.10 mm,双缝到屏的距离l=1.0 m,测得屏上干涉条纹中相邻亮条纹间距Δx=4.5 mm。

(1)求被测短波蓝光的波长λ;

(2)若选用薄膜材料的折射率为n=1.25,要消除该短波蓝光,求制作“增反膜”眼镜时“增反膜”的最小厚度。

解析:(1)根据Δx=λ,

代入数据解得λ=450 nm。

(2)当光程差等于光在薄膜中的波长λ′的整数倍时,即2d=nλ′(n=1,2,3,…)则出现亮条纹,因此膜的厚度至少是短波蓝光在膜中波长的一半,短波蓝光在膜中的波长为λ′==360 nm,

故膜的厚度至少为=180 nm。

答案:(1)450 nm　(2)180 nm

18.(16分)如图所示为用某种透明材料制成的圆心为O的四分之一的圆环截面,该圆环的两端AB、CD的宽度均为L,OC=(1+)L。某单色光与AB成45°角从AB上的A点射入,折射光线与AB成60°角,已知光在真空中的传播速度为c。求:

(1)该透明材料的折射率;

(2)该单色光在该材料中的传播时间。

解析:(1)如图所示,

过A点作AB的法线,入射角i=45°,

折射角r=30°,

由n=,

解得n=。

(2)由全反射条件有sin C=,

可得临界角C=45°

单色光传到AD面上的F点,由几何关系可知∠AFO=60°>45°,

单色光在F点发生全反射,P为光在CD的出射点,则∠OFP=60°,

则FP垂直CD,如图所示,单色光在该材料中通过的路程为AF+FP=OD,

OD=OC+L=(2+)L,

单色光在材料中的传播速度为v==,

单色光在材料中的传播时间

t==。

答案:(1)　(2)