山东专用高考物理一轮复习专题十五光学电磁波与相对论初步_应用集训含解析

专题十五　光学、电磁波与相对论初步

应用篇

【应用集训】

应用　全反射应用——光导纤维

1.(2020浙江新昌中学月考,7)光导纤维由很细的内芯和外套两层组成,内芯的折射率比外套大,光传播时在内芯和外套的界面发生全反射,如图所示。为了研究简单,现设外套为空气,内芯的折射率为n,一束光线由空气射入内芯,在内芯与空气的界面恰好发生全反射。若光速为c,则光线通过长度为L的光导纤维所用的时间为              (　　)

A.　　B.

C.　　D.

答案　C　

2.(2020四川树德中学高三月考,14)光纤在转弯的地方不能弯曲太大。如图为模拟光纤通信,将直径为d的圆柱形玻璃棒弯成圆环,已知玻璃的折射率为,光在真空中的速度为c,要使从A端垂直入射的光线能全部从B端射出。求:

①圆环内径R的最小值;

②在①问的情况下,从A端最下方入射的光线,到达B端所用的时间。

答案　①(+1)d　②

[教师专用题组]

【应用集训】

1.(多选)下列说法正确的是 (　　)

A.因为水的密度大于酒精的密度,所以水是光密介质

B.因为水的折射率小于酒精的折射率,所以水对酒精来说是光疏介质

C.同一束光,在光密介质中的传播速度较大

D.同一束光,在光密介质中的传播速度较小

答案　BD　因为水的折射率小于酒精的折射率,所以水对酒精来说是光疏介质,A错误,B正确;由v=可知,同一束光在光密介质中的传播速度较小,故C错误,D正确。

2.(2020北京理工大学附中模拟)如图甲所示,夏天,在平静无风的海面上,向远方望去,有时能看到山峰、船舶、楼台、亭阁、集市、庙宇等出现在远方的空中。古人不明白产生这种景象的原因,对它作了不科学的解释,认为是海中蛟龙(即蜃)吐出的气结成的,因而叫作“海市蜃楼”,也叫蜃景。如图乙所示,沙漠里有时也会看到远处的水源、仙人掌近在咫尺,可望而不可即,这也是“蜃景”。下列有关蜃景的说法中错误的是              (　　)

A.海面上层空气的折射率比下层空气的折射率要小

B.沙面上层空气的折射率比下层空气的折射率要小

C.A是蜃景,B是景物

D.C是蜃景,D是景物

答案　B　海面上,下层空气的温度比上层低,则下层空气的密度比上层要大,故下层空气的折射率比上层空气的折射率要大,A正确;太阳照到沙面上,接近沙面的热空气层比上层空气的密度小,折射率也小,即上层空气的折射率大,B错误;远处物体反射的光在海面空气层中不断折射,甚至发生全反射,人们逆着光线看去就看到远处物体的虚像,故A是蜃景,B是景物,C正确;同理可知,C是蜃景,D是景物,D正确。

3.从两只手电筒射出的光,当它们照射到同一点时看不到干涉条纹,是因为 (　　)

A.手电筒射出的光不是单色光

B.周围环境的漫反射光太强

C.干涉图样太细小看不清楚

D.两个光源是非相干光源

答案　D　两只手电筒是两个各自独立发光的光源,二者发出的光频率不一定相同,是非相干光,因此它们照射到同一点时不发生干涉,无干涉条纹,A、B、C错误,D正确。

4.(2020山东济南中学模拟)两个偏振片紧靠在一起,将它们放在一盏灯的前面调整至没有光通过。如果将其中的一片旋转180°,在旋转过程中,将会产生下述的哪一种现象              (　　)

A.通过偏振片的光强先增强,然后又减少到零

B.通过偏振片的光强先增强,然后减少到非零的最小值

C.通过偏振片的光强在整个过程中都增强

D.通过偏振片的光强先增强,再减弱,然后又增强

答案　A　两偏振片的透振方向垂直时,没有光通过;透振方向平行时,通过的光强度达到最大。将其中一个偏振片转动180°的过程中,两偏振片的透振方向由垂直到平行再到垂直,所以通过的光先增强,然后又减小到零。故A正确。

【知识链接】 起偏振器与检偏振器

自然光通过偏振片后,变为偏振光,前面的偏振片称为起偏振器,后面的偏振片称为检偏振器,偏振光的振动方向与偏振片的透振方向是否一致影响着透射光的强度,当两者平行时,透射光光强最大,当两者垂直时,透射光的光强为零。

5.(2020山东临沂模拟)如图所示是一种利用光纤温度传感器测量温度的装置,一束偏振光射入光纤,由于温度的变化,光纤的长度、芯径、折射率发生变化,从而使偏振光的振动方向发生变化,光接收器接收的光强度就会变化。设起偏振器和检偏振器透振方向相同,关于这种温度计的工作原理,正确的说法是              (　　)

A.到达检偏振器的光的振动方向变化越小,光接收器所接收的光强度就会越小,表示温度变化越大

B.到达检偏振器的光的振动方向变化越大,光接收器所接收的光强度就会越小,表示温度变化越大

C.到达检偏振器的光的振动方向变化越小,光接收器所接收的光强度就会越小,表示温度变化越小

D.到达检偏振器的光的振动方向变化越大,光接收器所接收的光强度就会越小,表示温度变化越小

答案　B　根据题意知,温度变化越大,光通过光纤时振动方向变化越大,由于起偏振器和检偏振器的透振方向是相同的,所以光从光纤中通过时振动方向变化越大,透过检偏振器的光强度就越小,光接收器接收的光强度也就越小,因此B正确,A错误;同理,C、D错误。

6.关于各种电磁波的应用,下列说法中正确的是 (　　)

①夏天太阳光把地面晒得发热是因为可见光的热效应在各种电磁波中是最强的

②医院里用X射线进行人体透视,是因为它是各种电磁波中穿透本领最大的

③科学家关注南极臭氧层空洞是因为它对动植物有害

④在热学中所说的热辐射就是红外线辐射

A.①②　　B.①③

C.②④　　D.③④

答案　D　热效应最强的是红外线,热辐射即红外线辐射,①错误,④正确;穿透本领最强的是γ射线,②错误;臭氧层能吸收紫外线,使地球上的动植物免受过强紫外线的伤害,③正确,故选D。

7.(2020北京丰台月考)如图所示是一个水平放置的圆环形玻璃小槽,槽内光滑,槽宽度和深度处处相同。现将一直径略小于槽宽的带正电小球放在槽中,让它受绝缘棒打击后获得一初速度v0。与此同时,有一变化的磁场垂直穿过圆环形玻璃小槽外径所对应的圆面积,磁感应强度B的大小跟时间成正比,方向竖直向下。设小球在运动过程中所带电荷量不变,那么              (　　)

A.小球受到的向心力大小不变

B.小球受到的向心力大小不断增加

C.洛伦兹力对小球做了功

D.小球受到的洛伦兹力大小与时间成正比

答案　B　根据麦克斯韦电磁场理论可知,磁感应强度随时间线性增大时将产生稳定的感应电场,根据楞次定律可知感应电场的方向与小球初速度方向相同,因小球带正电,故电场力对小球做正功,其速率增大,小球受到的向心力的大小()随之增大,A错误,B正确。带电小球所受的洛伦兹力F=qBv,因为速率v随时间逐渐增大,且B∝t,故D错误。洛伦兹力对运动电荷不做功,故C错误。

8.(2020湖北武汉高三质量监测)洛埃德在1834年提出了一种更简单的观察干涉现象的装置。如图所示,从单缝S发出的光,一部分入射到平面镜后反射到屏上,另一部分直接投射到屏上,在屏上两光束交叠区域里将出现干涉条纹。单缝S通过平面镜成的像是S'。

(1)通过洛埃德镜在屏上可以观察到明暗相间的干涉条纹,这和双缝干涉实验得到的干涉条纹一致。如果S被视为其中的一个缝,　　　　相当于另一个“缝”; 

(2)实验表明,光从光疏介质射向光密介质界面发生反射,在入射角接近90°时,反射光与入射光相比,相位有π的变化,即半波损失。如果把光屏移动到和平面镜接触,接触点P处是　　　　(填“亮条纹”或“暗条纹”); 

(3)实验中已知单缝S到平面镜的垂直距离h=0.15 mm,单缝到光屏的距离D=1.2 m,观测到第3个亮条纹中心到第12个亮条纹中心的间距为22.78 mm,则该单色光的波长λ=　　　　m(结果保留三位有效数字)。 

答案　(1)S'　(2)暗条纹　(3)6.33×10-7

解析　(1)根据平面镜成像原理,经镜面反射的光线可认为是从S的像S'发出的,故S'相当于双缝干涉中的另一个“缝”。

(2)根据题意,如果把光屏移动到和平面镜相接触,直接射到光屏上P点的光和经平面镜反射的光相位差为π,故接触点P处形成暗条纹。

(3)相邻亮条纹中心间距Δx= mm≈2.53 mm,根据双缝干涉相邻条纹间距公式有Δx=λ,得该单色光的波长λ== m≈6.33×10-7 m。

9.(2020江苏徐州模拟)如图所示,△ABC为玻璃三棱镜的横截面,∠A=∠B=30°,某单色光从距离A点L处的D点,垂直射入。若在AC边涂有反射膜,则反射膜反射后的光射到AB边上的F点(未标出),已知玻璃对该单色光的折射率为n=,求:

(1)在介质外AC边折射光线与AC边的夹角;

(2)设光在真空中光速为c,则反射光线第一次到达BC边过程中在介质中运动的时间。

答案　(1)30°　(2)

解析　(1)根据几何知识,光在射向AC边时,在介质中的入射角i=30°,光路图如甲:

甲

已知介质对该光的折射率为n=,根据折射定律可知n=,可得r=60°,故介质外AC边折射光线与AC边夹角为30°。

(2)光在介质中运动的光路图如乙

乙

根据几何知识,α=60°,发生全反射的临界角 sin C=,由此可知,光线在F处发生全反射。光在第一次到达BC边过程中,在介质中的路程长度s=DE+EF+FG

DE=AD tan 30°=0.5L,EF=FG=L

光在介质中的传播速度v=

所以t==

10.(2020东北三校二模)如图所示,某种透明材料制成的直角三棱镜ABC,折射率n=,∠A=,在与BC边相距为d的位置,放置一平行于BC边的竖直光屏;现有一细光束射到棱镜AB面上的P点,入射光线与AB面垂线CP的夹角为i,PB的长度也为d,试求:

(1)当i=且光束从BC面出射时,光屏上的亮斑与P点间的竖直距离;

(2)当光束不从BC面出射时,i的正弦值应满足的条件。

答案　(1)d　(2)0< sin i≤

解析　(1)光路图如图:

由n=,解得:α=

由几何知识可知,α+β=i=

则光线射到BC面上的入射角为30°,而n=

故i'=

由几何知识可知,光屏MN上的亮斑与P点间的竖直距离为:

Δy=BP cos · tan (i-α)+d tan i'

代入数据可得:Δy=d

(2)要使光线不从BC边射出,则需满足β≥C

 sin C=

而n=且α+β=

得:=

即: sin i= sin (-β)≤ sin (-C)

得:0< sin i≤