人教版高中物理选择性必修第一册第4章光测评含答案

第四章测评

一、单项选择题:本题共7小题,每小题4分,共28分。在每小题给出的四个选项中,只有一项是符合题目要求的。

1.(2023陕西宝鸡高二期末)在医学上利用激光来焊接剥落的视网膜,是因为激光的(　　)

A.单色性好

B.方向性好

C.亮度高

D.相干性好

2.(2023湖北武汉高二期末改编)用图甲所示装置做圆孔衍射实验,在屏上得到的衍射图样如图乙所示,实验发现,光绕过孔的边缘,传播到了相当大的范围。下列说法正确的是(　　)

A.用不同波长的光做实验,衍射图样完全相同

B.若只将圆孔变小,则中央亮斑和亮纹的亮度反而变大

C.若只将圆孔变小,则屏上得到的衍射图样的范围将会变大

D.若只将圆孔变大,则屏上得到的衍射图样的范围将会变大

3.有人想利用薄膜干涉的原理设计一种能增大紫外线反射的眼镜。他选用的薄膜材料的折射率为n=1.5,紫外线的频率为8.1×1014 Hz。那么他设计的这种“增反膜”的厚度至少是(　　)

A.9.25×10-8 m B.1.85×10-7 m

C.1.23×10-7 m D.6.18×10-8 m

4.如图所示为一个透明球体,其半径为R,AB是一竖直直径,现有一半径为R的圆环形平行细光束沿AB方向射向球体(AB直径为圆环中心轴线),所有光线经折射后恰好经过B点射出,则透明球体的折射率为(　　)

A. B. C.2 D.

5.如图甲所示为双缝干涉的实验装置,光源发出的光经滤光片,然后通过单缝和双缝,在光屏上出现明暗相间的条纹。如图乙所示,屏上P、P1、P2处出现明条纹,Q1、Q2处出现暗条纹,P到S1、S2的距离相等。若遮光筒内装满水,其他条件不变,则光屏上(　　)

甲

乙

A.不再出现明暗相间的条纹

B.P处可能出现暗条纹

C.P1处一定为明条纹

D.明暗相间的条纹间距变小

6.如图所示,空气中有一折射率为的玻璃柱体,其横截面是圆心角为90°、半径为R的扇形OAB。一束平行光平行于横截面,以45°入射角照射到OA上,OB不透光。若只考虑首次入射到圆弧AB上的光,则AB上有光透出部分的弧长为(　　)

A.πR B.πR C.πR D.πR

7.(2022山东卷)柱状光学器件横截面如图所示,OP右侧是以O为圆心,半径为R的圆,左侧是直角梯形,AP长为R,AC与CO夹角为45°,AC中点为B。a、b两种频率的细激光束,垂直AB面入射,器件介质对a、b光的折射率分别为1.42、1.40。保持光的入射方向不变,入射点从A向B移动过程中,能在PM面全反射后,从OM面出射的光是(不考虑三次反射以后的光)(　　)

A.仅有a光 B.仅有b光

C.a、b光都可以 D.a、b光都不可以

二、多项选择题:本题共3小题,每小题6分,共18分。在每小题给出的四个选项中,有多项符合题目要求。全部选对的得6分,选对但不全的得3分,有选错的得0分。

8.(2023湖北武汉高二期中)如图所示,下列对图片场景的说法错误的有(　　)

A.如图甲所示,立体电影原理和照相机镜头表面涂上的增透膜的原理一样

B.如图乙所示,肥皂膜上的彩色条纹是薄膜干涉现象

C.如图丙所示,筷子“折断”的现象说明光线在不同介质的交界处发生了折射

D.如图丁所示,光线通过一个不透光的小圆盘得到干涉图样

9.如图甲所示,每年夏季,我国多地会出现日晕现象,日晕是日光通过卷层云时,受到冰晶的折射或反射形成的。如图乙所示,这是一束太阳光射到六角形冰晶上时的光路图,a、b为其折射出的光线中的两种单色光,下列说法正确的是(　　)

A.在冰晶中,b光的传播速度较小

B.通过同一装置发生双缝干涉,a光的相邻条纹间距较大

C.从同种玻璃中射入空气发生全反射时,a光的临界角较小

D.用同一装置做单缝衍射实验,b光中央亮条纹更宽

10.如图所示,空气中有一横截面为半圆环的均匀透明柱体,其内圆半径为r,外圆半径为R,R=r。现有一束单色光垂直于水平端面A射入透明柱体,只经过两次全反射就垂直于水平端面B射出。设透明柱体的折射率为n,光在透明柱体内传播的时间为t,若真空中的光速为c,则(　　)

A.n可能为 B.n可能为2

C.t可能为 D.t可能为

三、非选择题:本题共5小题,共54分。

11.(8分)(2023广东广州高二期中)暑假期间小明利用图甲所示生活中的物品,测量某型号刀片的厚度。

甲

乙

丙

实验过程如下:

Ⅰ.点燃蜡烛,用蜡烛火焰把玻璃片的一面熏黑;

Ⅱ.并齐捏紧两片刀片,在玻璃片的熏黑面划出两条平直划痕;

Ⅲ.如图乙所示,将激光光源和玻璃片固定在桌上,并将作为光屏的白纸固定在距离足够远的墙上。

Ⅳ.打开激光光源,调整光源的高度并使激光沿水平方向射出,恰好能垂直入射在两划痕上,最终在白纸上出现明暗相间的干涉条纹。请回答以下问题:

(1)观察白纸上的干涉条纹如图丙所示。用刻度尺测出a、b两亮条纹中心间的距离为　　　　 cm,则两相邻暗条纹中心间的距离Δx=　　　　 cm。(计算结果保留两位小数) 

(2)测量玻璃片到光屏的距离L=3.00 m,已知该红色激光的波长λ=700 nm,利用公式求出双划痕的间距d=　　　　 mm,即为刀片厚度。(结果保留两位有效数字) 

12.(8分)如图所示,画有直角坐标系Oxy的白纸位于水平桌面上。M是放在白纸上的半圆形玻璃砖,其底面的圆心在坐标原点,直边与x轴重合。OA是画在纸上的直线,P1、P2为竖直地插在直线OA上的两枚大头针,P3是竖直地插在纸上的第三枚大头针,α是直线OA与y轴正方向的夹角,β是直线OP3与y轴负方向的夹角。只要直线OA画得合适,且P3的位置取得正确,测出角α和β,便可求得玻璃的折射率。某学生在用上述方法测量玻璃的折射率时,在他画出的直线OA上竖直地插上了P1、P2两枚大头针,但在y<0的区域内,不管眼睛在何处,都无法透过玻璃砖看到P1、P2的像,他应采取的措施是  　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

若他已透过玻璃砖看到P1、P2的像,确定P3的位置方法是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。若他已正确地测得了α、β的值,则玻璃的折射率n=　　　　。 

13.(10分)(2023江苏连云港阶段训练)研究光的干涉现象的原理图如图所示。光源S到双缝S1、S2的距离相等,S1、S2连线平行于光屏,O点为S1、S2连线的中垂线与光屏的交点。光源S发出单色光,经S1、S2传播到光屏上P点,S1P垂直于光屏,P为某亮条纹中心,OP之间还有k条亮条纹,光由S1、S2传播到P点的时间差为t0。现紧贴S1放置厚度为d的玻璃片,光由S1垂直穿过玻璃片传播到P点与光由S2直接传播到P点的时间相等。已知光在真空中的速度为c,玻璃对该单色光的折射率为n,不考虑光在玻璃片内的反射,求:

(1)单色光在真空中的波长λ;

(2)玻璃片的厚度d。

14.(12分)如图所示,一潜水员在距海岸A点45 m的B点竖直下潜,B点和灯塔之间停着一条长4 m的皮划艇。皮划艇右端距B点4 m,灯塔顶端的指示灯与皮划艇两端的连线与竖直方向的夹角分别为α和βsin α=,sin β=,水的折射率为,皮划艇高度可忽略。

(1)潜水员在水下看到水面上的所有景物都出现在一个倒立的圆锥里。若海岸上A点恰好处在倒立圆锥的边缘上,求潜水员下潜的深度;

(2)求潜水员竖直下潜过程中看不到灯塔指示灯的深度范围。

15.(16分)一厚度均匀的圆柱形玻璃管内径为16 cm,外径为24 cm。一条光线从玻璃管壁中点入射,光线AB与竖直方向成60°角,与直径MN在同一竖直面内,如图所示。该玻璃的折射率为,真空中光速c=3.0×108 m/s。(以下结果均保留两位有效数字)

(1)光线经玻璃管内壁折射后从另一侧内壁下端射出玻璃管,求玻璃管的长度;

(2)保持入射点不动,调整入射角。求光线AB在玻璃管内壁处恰好发生全反射时,光线在玻璃中传播的时间。

参考答案

第四章测评

1.C　在医学上利用激光来焊接剥落的视网膜,是利用了激光的亮度高,能量强的特点,故C正确。

2.C　用不同波长的光做实验,衍射图样并不相同,因为波长越长,对同一圆孔而言,衍射现象越明显,A错误;圆孔变小,衍射现象更明显,衍射图样的范围反而变大,但透光强度变小,中央亮斑和亮条纹的亮度变弱,C正确,B、D错误。

3.C　为了使入射光从该膜的前后两个表面反射出来叠加后加强,则路程差(大小等于薄膜厚度d的2倍)应等于光在薄膜中的波长λ'的整数倍,因此,膜的厚度至少是紫外线在膜中波长的。紫外线在真空中的波长是λ==3.7×10-7 m,在膜中的波长是λ'==2.467×10-7 m,故膜的厚度至少是1.23×10-7 m。

4.A　光路图如图所示,由几何关系可知,α=60°,α=2β,β=30°,由折射定律有n=,故选A。

5.D　从双缝射出的两束光仍然满足相干光的条件,在屏上相遇还是会发生干涉现象,因此屏上还会出现明暗相间的条纹,A选项错误;P到双缝的距离差为零,则P处仍然出现中央亮条纹,B选项错误;由于光由真空(或空气)进入介质后波长发生变化,P1到双缝的距离之差不一定还是新波长的整数倍,可能是半波长的奇数倍从而出现暗条纹,C选项错误;光由真空(或空气)进入介质后频率不变,光速变小,由公式v=λf可知,光在水中的波长λ变短,由双缝干涉相邻两亮条纹(或暗条纹)间的距离公式Δx=λ可知,条纹间距变小,D选项正确。

6.B　由折射定律知=n=,解得γ=30°,则折射角为30°。过圆心的光线是临界光线,此时的折射光线ON和OB的夹角就是折射角,还要考虑到全反射的情况,如图所示,射到M点的光线的入射角为临界角C=45°,则射到AM弧上的光线发生了全反射,那么有光透出部分的弧对应的圆心角为45°,长度为2πR×,B项对。

7.A　画出临界光路如图所示,从A点垂直于AB面入射的光,沿直线传播到O点,经第一次反射沿半径方向直线传播出去。从B点垂直于AB面入射的光,经CO反射恰好过P点。当全反射临界角为C=45°时,n==1.414,因为a光折射率大于1.414,根据sin Ca=,可得Ca<45°,能在PM面发生全反射。同理可得b光的全反射临界角Cb>45°,不能在PM面发生全反射,选项B、C错误。当a光在PM面发生全反射时,设在PM面的入射角为α,在OM面的入射角为θ,根据几何关系可得θ=2α-45°,可得当α<45°时,θ<α,故当a光在PM面发生全反射时,存在从OM面出射的光,选项A正确,D错误。

8.AD　立体电影利用了光的偏振原理,照相机镜头表面涂上的增透膜利用了光的干涉原理,选项A错误,符合题意;肥皂膜上的彩色条纹是从肥皂膜前后表面反射回来的两列光发生干涉的结果,选项B正确,不符合题意;筷子“折断”的现象说明光线在不同介质的交界处发生了折射,选项C正确,不符合题意;图丁是光线通过一个圆孔得到的衍射图样,选项D错误,符合题意。

9.AB　由题图乙可知,太阳光射入六角形冰晶时,a光的偏折角小于b光的偏折角,由折射定律可知,六角形冰晶对a光的折射率小于对b光的折射率,由v=知b光的传播速度较小,A正确;由a光的折射率小于b光的折射率,可知a光的频率小于b光的频率,所以a光的波长大于b光的波长,根据Δx=λ可知,a光相邻条纹间距较大,B正确;a光的折射率较小,由临界角公式sin C=可知,a光的临界角较大,C错误;波长越长,中央亮条纹越宽,故a光的中央亮条纹更宽,D错误。

10.AB　根据题意可画出如图所示的光路图,则两次全反射时的入射角均为45°,所以全反射的临界角C≤45°,折射率n≥,A、B均正确;光在介质中的传播速度v=,所以传播时间t=,C、D均错误。

11.答案 (1)6.70　0.84

(2)0.25

解析 (1) a、b两点间的距离s=10.70 cm-4.00 cm=6.70 cm,两相邻暗条纹中心间的距离与两相邻亮条纹中心间的距离相等,为Δx==0.84 cm。

(2)根据Δx=λ可得d= m=2.5×10-4 m=0.25 mm。

12.答案 另画一条更靠近y轴正方向的直线OA,把大头针P1、P2竖直地插在所画的直线上,直到在y<0区域内透过玻璃砖能看到P1、P2的像　插上大头针P3,使P3刚好能挡住P1、P2的像　

解析 无法看到P1、P2的像是由于OA光线的入射角过大发生全反射;P3能挡住P1、P2的像说明OP3是OA的折射光线;根据折射定律,n=。

13.答案 (1)

(2)

解析 (1)由题意,P为第k+1级亮条纹中心,则有S2P-S1P=(k+1)λ

又S2P-S1P=ct0

解得λ=。

(2)由题意,设光在玻璃中的传播速度为v,则=t0

且v=

解得d=。

14.答案 (1)15 m

(2) m≤h≤ m

解析 (1)设潜水员下潜到M点时,由M点发出的光线恰好在A点发生全反射,临界角为C

则有sin C=

tan C=

hBM==15 m。

(2)由折射定律,灯塔发出的光恰好照到皮划艇右沿外侧并射入水中时,=n,h1=,可得h1= m

同理,灯塔发出的光恰好照到皮划艇左沿外侧并射入水中时=n,h2=,可得h2= m

则潜水员看不到灯塔指示灯的深度范围为 m≤h≤ m。

15.答案 (1)0.30 m

(2)1.5×10-9 s

解析 (1)光在两个界面的入射角和折射角分别是θ1和θ2、θ3和θ4,如图1所示,其中θ1=60°,根据折射定律得

n=

解得θ2=45°,n=

由几何知识有θ2+θ3=90°

联立解得θ4=60°

图1

玻璃管的长度L=+D1tan θ4=0.30 m。

(2)作光路图如图2所示,当光线AB在管内壁处恰发生全反射时,光线在玻璃管中通过的路程为x=

另有sin C=,v=,x=vt

则光线在玻璃中传播的时间t=(1+8)×10-10 s≈1.5×10-9 s。

图2