高考_专题十六 光学 电磁波 相对论（资料包word版）

专题十六　光学  电磁波  相对论

1.物理探索 (2022河南名校联盟1月联考)(多选)下列说法中正确的是(　　)

A.单缝衍射实验中,缝越宽,条纹越亮,衍射现象越明显

B.在障碍物的尺寸比光的波长大得多的情况下,衍射现象不明显

C.照相机镜头表面涂上增透膜,以增强透射光的强度,是利用了光的衍射现象

D.双缝干涉实验中,若仅将入射光由红光改为紫光,则条纹间距一定变窄

E.水中的气泡看起来特别明亮,是因为光从水射向气泡时,一部分光在界面上发生了全反射

答案　BDE　单缝衍射中,缝越宽,衍射现象越不明显,选项A错误;在障碍物的尺寸与光的波长差不多或比光的波长短时,能发生明显的衍射现象,在比光的波长大得多的情况下,衍射现象不明显,选项B正确;照相机镜头表面涂的增透膜,是利用膜的内外表面反射光发生干涉,从而减少镜头表面的反射光损失,增强透射光的强度,选项C错误;在光的双缝干涉实验中,若仅将入射光由红光改为紫光,根据条纹间距公式Δx=λ,波长变短,则干涉条纹间距变窄,选项D正确;水中的气泡看起来特别明亮,是因为光从水射向气泡时,即从光密介质射向光疏介质时,一部分光在界面上发生了全反射,选项E正确。

2.物理生活 (2022河南新乡二模)(多选)下列说法正确的是(　　)

A.紫外线在生活上可以对碗筷进行消毒

B.光导纤维的内芯是光密介质,外套是光疏介质

C.摄影机镜头前加一个偏振片,这样做是为了增加透射光

D.频率相同的激光在折射率不同的介质中传播时的波长不同

E.水面上的油膜呈现彩色条纹,是油膜表面反射光与入射光叠加的结果

答案　ABD　紫外线有杀菌消毒的作用,在生活上可以对碗筷进行消毒,故A正确;光导纤维传输信息利用光的全反射原理,所以内芯是光密介质,外套是光疏介质,故B正确;摄影机镜头前加一个偏振片,以减弱反射光的强度,不是为了增加透射光,故C错误;由n=,v=λν,两式联立可得λ=,可知频率相同的激光在折射率不同的介质中传播时的波长不同,故D正确;水面上的油膜呈现彩色条纹,是光在油膜的前后表面的反射光干涉的结果,故E错误。

3.(2022山东青岛一模,9)(多选)如图,有一透明材料制成的空心球体,内径R=1 m,外径为2R,在过球心的某截面内有一束单色光从球面上A点射入,光线与AO间夹角i=60°,经折射后恰好与内球面相切,已知光速c=3×108 m/s,下列说法正确的是(　　)

A.光线射入球体后频率变小

B.光线射入球体后波长变大

C.透明材料对该单色光的折射率为

D.从A点射入球体的光线经反射再次回到A点所用时间为6×10-8 s

答案　CD　光线射入球体后频率不变,故A错误;光线射入球体后速度变小,根据λ=vf,可知波长变小,故B错误;根据几何关系得在透明材料中的折射角的正弦值 sin r==,根据折射定律得n==,故C正确;由几何关系可得光在透明材料中的路程为s=6×2R cos 30°=6 m,光在透明材料中的传播速度为v==×108 m/s,则时间为t==6×10-8 s,故D正确。

4.(2022常德一模,17)(多选)彩虹是由阳光进入水滴,先折射一次,然后在水滴的背面反射,最后离开水滴时再折射一次形成的。彩虹形成的示意图如图所示,一束白光L由左侧射入水滴,a、b是白光射入水滴并经过反射和折射后的两条出射光线(a、b是单色光)。下列关于a光与b光的说法正确的是(　　)

A.水滴对a光的折射率大于对b光的折射率

B.a光在水滴中的传播速度等于b光在水滴中的传播速度

C.用同一台双缝干涉仪做光的双缝干涉实验,a光相邻的亮条纹间距小于b光的相邻亮条纹间距

D.a、b光在由空气进入水滴后波长要变长

E.若a光、b光在同一介质中,以相同的入射角由介质射向空气,若b光能够发生全反射,则a光也一定能够发生全反射

答案　ACE　由图可知,b光的折射角大于a光的折射角,根据n=可知,水滴对a光的折射率大于对b光的折射率,故A正确;因为水滴对a光的折射率大于对b光的折射率,根据公式n=可知,a光在水滴中的传播速度小于b光在水滴中的传播速度,故B错误;折射率越大,波长越短,则a光波长比b光的波长短,根据双缝干涉条纹间距公式Δx=λ可知,用同一台双缝干涉仪做光的双缝干涉实验,a光相邻的亮条纹间距小于b光的相邻亮条纹间距,故C正确;设光在真空中的波长为λ0,光在介质中的波长为λ,根据公式n=可得n=,则λ0=nλ,故a、b光在由空气进入水滴后波长要变短,故D错误;因为水滴对a光的折射率大于对b光的折射率,根据公式 sin C=可知,a光的临界角小于b光的临界角,若a光、b光在同一介质中,以相同的入射角由介质射向空气,若b光能够发生全反射,则a光也一定能够发生全反射,故E正确。

5.(2022南开一模,3)如图所示,有一束平行于等边三棱镜截面ABC的复色光从空气射向AB边的中点D,入射方向与边AB的夹角为θ=30°,经三棱镜折射后分为a、b两束单色光,单色光a偏折到BC边的中点E,单色光b偏折到F点,则下列说法正确的是(　　)

A.a光的频率小于b光的频率

B.棱镜对单色光b的折射率小于

C.在棱镜中a光的传播速度大于b光的传播速度

D.分别通过同一双缝干涉装置,a光的相邻亮条纹间距大

答案　B　频率越高,折射率越大,由于棱镜对b光的折射率小于棱镜对a光的折射率,因此a光的频率大于b光的频率,A错误;如图,由几何关系可知,入射角i=60°,a光的折射角r=30°,因此棱镜对a光的折射率na==,由于棱镜对b光的折射率小于棱镜对a光的折射率,因此棱镜对单色光b的折射率小于,B正确;折射率越大,传播速度越小,由于棱镜对b光的折射率小于对a光的折射率,因此在棱镜中,a光的传播速度较小,C错误;由于a光的频率高,因此a光的波长短,根据Δx=λ可知,通过同一双缝干涉装置,a光的相邻亮条纹间距小,D错误。

6.(2022十二区模拟,6)(多选)关于教科书中出现的以下四张图片,下列说法正确的是(　　)

A.图1所示疾驰而过的急救车使人感觉音调变化,是由多普勒效应引起的

B.图2所示竖直的肥皂膜看起来常常是水平彩色横纹,是由光的衍射产生的

C.图3所示泊松亮斑现象是由光的偏振产生的

D.图4所示水中的气泡看上去特别明亮,是由光的全反射引起的

答案　AD　图1所示疾驰而过的急救车使人感觉音调发生变化,当急救车靠近时,感觉声调变高,当急救车远离时,感觉声调变低,这是由多普勒效应引起的,故A正确;图2所示竖直的肥皂膜看起来常常是水平彩色横纹,是由光的干涉产生的,故B错误;图3所示泊松亮斑现象是由光的衍射产生的,故C错误;图4所示水中的气泡看上去特别明亮,是由于光从水进入气泡时发生了全反射引起的,故D正确。

7.(2022河西一模,2)下列现象中可以用薄膜干涉来解释的是(　　)

A.雨后的彩虹

B.水面上的油膜在阳光照射下呈彩色

C.透过昆虫的翅膀看阳光呈彩色

D.荷叶上的水珠在阳光下晶莹透亮

答案　B　雨后的彩虹是色散现象,故A错误。水面上的油膜在阳光照射下呈彩色,是干涉现象,故B正确。透过昆虫的翅膀看阳光呈彩色,是衍射现象,故C错误。荷叶上的水珠在阳光下晶莹透亮,是光的全反射的结果,故D错误。

8.(2022北京西城一模,2)如图所示,光束沿AO方向从空气射向某种介质,折射光线沿OB方向。已知空气中光速c,下列说法正确的是(　　)

A.这束光从空气进入介质后频率会增大

B.这束光从空气进入介质后波长会增大

C.这束光在该介质中的传播速度小于在空气中的传播速度

D.若这束光沿BO方向从介质射向空气,可能会发生全反射现象

答案　C　光的频率由自身性质决定,与介质无关,A错。波长λ=,n=,由空气进入介质v变小,λ减小,B错,C对。若光沿BO从介质射向空气,发生全反射,θ1应为90°,由光路可逆知沿BO方向从介质射向空气不发生全反射,D错。

9.(2022北京丰台一模,2)有关红、绿、紫三束单色光,下述说法正确的是(　　)

A.红光频率最大

B.在空气中红光的波长最小

C.红光光子的能量大于绿光光子的能量

D.用同一双缝干涉装置看到的紫光相邻两条亮条纹间距最小

答案　D　红、绿、紫三种单色光,紫光频率最大,A错。空气中红光波长最长,B错。根据E=hν,紫光光子能量最强,红光光子能量最弱,C错。发生双缝干涉时,根据Δx=λ,紫光条纹间距最小,故选D。

10.干涉图样和衍射图样 (2019北京理综,14,6分)利用图1所示的装置(示意图),观察光的干涉、衍射现象,在光屏上得到如图2中甲和乙两种图样。下列关于P处放置的光学元件说法正确的是(　　)

A.甲对应单缝,乙对应双缝   B.甲对应双缝,乙对应单缝

C.都是单缝,甲对应的缝宽较大  D.都是双缝,甲对应的双缝间距较大

答案　A　单缝衍射图样中心亮纹较宽,两侧亮纹宽度逐渐变窄,故甲图样为单缝衍射图样;双缝干涉图样相邻两条亮纹的宽度相同,对应乙图样。故A正确,B、C、D均错。

易混提醒　单色光双缝干涉图样是明暗相间的等间距的条纹;单色光的衍射图样为中间宽且亮的单色条纹,两侧是明暗相间的条纹,条纹宽度比中央窄且暗。

11.易错:LC振荡电路的频率 (多选)LC振荡电路的固有频率为f,则(　　)

A.电容器内电场变化的频率为f

B.电容器内电场变化的频率为2f

C.电场能和磁场能转化的频率为f

D.电场能和磁场能转化的频率为2f

答案　AD　电场能和磁场能是标量,只有大小在做周期性变化,所以电场能和磁场能转化的周期是电磁振荡周期的一半,转化的频率为电磁振荡频率的两倍,电容器内电场变化的频率等于电磁振荡的频率。故选A、D。

易错警示　在一个振荡周期过程中,电容器正向充电(或放电)和反向充电(或放电)各一次,所以在一个振荡周期内正向电场强度(或反向电场强度)变化也是一次,即LC振荡电路的频率为f时,电容器的正向电场强度的变化频率为f。在一个振荡周期内,电容器正向充电(或放电)和反向充电(或放电)各一次,所以在一个振荡周期内电场能和磁场能的变化为两次,即LC振荡电路的频率为f时,电场能和磁场能转化的频率为2f。

12.(2022江苏南京三模,6)一束激光沿光路1从空气射入盛水的侧壁厚度相同的方形玻璃容器中,并沿光路4射出玻璃,如图所示。该激光在空气中的折射率设为1.00,在水中的折射率为1.33,在玻璃中的折射率为1.65。若不考虑每个界面的反射光,则(　　)

A.增大入射角θ,激光可能在空气和水的界面发生会全反射

B.减小入射角θ,激光可能在水和玻璃的界面发界发生全反射

C.激光在水中的光路2和在空气中的光路4一定不平行

D.激光在水中的速度比在玻璃中的速度小

答案　C　光必须从光密介质进入光疏介质才可能发生全反射,故A、B错误;当光从空气透过平行玻璃板再进入空气时,入射光和透射光是平行的,故此处的光路2和光路4一定是不平行的,C正确;由v=可知D错误。

13.物理科技 [2022广东深圳一模,16(1)]在2021年12月9日的天宫课堂中,三位航天员观察到水球中的气泡特别亮,这是因为光在气泡表面发生了　　　　现象。如图乙所示,水的折射率为n,发生这个现象的条件是sin θ　　　　(填“≥”或“≤”)。水相对空气是　　　　介质(填“光密”或“光疏”)。 

答案　全反射　≥　光密

解析　水球中的气泡看起来特别明亮,是因为光从水中射向气泡时在气泡表面发生了全反射;发生全反射的条件是光从光密介质射向光疏介质时,入射角大于等于临界角,即sin θ≥,水相对空气是光密介质。

14.物理探索 [2022广东梅州二模,16(1)]利用图(a)所示的装置(示意图),观察蓝光的干涉、衍射现象,在光屏上得到如图(b)中甲和乙两种图样。则甲应是　　　　(选填“干涉”或“衍射”)图样。若将蓝光换成红光,干涉图样中相邻两个亮条纹的中心间距　　　　(选填“变长”“变短”或“不变”)。 

答案　衍射　变长

解析　干涉图样的条纹宽度相等,衍射图样的条纹宽度不等、中央最宽,故甲应是衍射图样,乙是干涉图样。干涉图样中相邻两个亮条纹的中心间距与波长成正比,若将蓝光换成红光,则波长变长,因此条纹间距也变长。

规律总结　双缝干涉中在光屏上观察到的图案是间距相等的条纹图像;衍射条纹图样中,中间亮纹的宽度最大。

15.物理生活 [2022广东佛山一模,16(2)]超声波由水中向空气中传播时,会发生类似于光由光密介质向光疏介质传播的折射及全反射现象,也满足折射定律 =(其中α、β分别为超声波在水中的入射角和空气中的折射角,v1、v2分别为超声波在空气中和水中的传播速度)。已知超声波在水中的传播速度约为在空气中传播速度的4倍,一潜艇静止在水下深度为H的地方,其发出的超声波会向水面传播,若将潜艇看作是一个点声源,求在水面多大面积的区域内有该潜艇发出的超声波从水中传出。

答案　

解析　如图所示,作出超声波刚好发生全反射时的传播路线

根据折射定律有=

tan α==

该潜艇发出的超声波能从水中传出的区域面积为

S=πr2

解得S=

16.物理生活 (2022江苏盐城二模,14)眼球结构类似球体,眼睛发生病变时,会使眼球内不同部位对光的折射率发生变化。现在用一个玻璃球模拟眼球,研究对光的传播的影响。玻璃球用两个折射率不同、半径均为R的半球拼合在一起,拼合面为MN,球心为O,Q为MO的中点,PQ垂直MN交左半球于P点。一束单色光从P点以跟PQ反向延长线成30方向射入。该单色光在左、右半球的折射率分别为n1=和n2=,真空中的光速为c。

(1)通过计算说明此单色光能否从右半球射出?

(2)计算此单色光在玻璃球中传播第一次到达右半球与空气交界面所用时间。

答案　(1)见解析　(2)

解析　(1)如图所示,根据几何关系可知单色光在P点的入射角为i=30°+30°=60°

设单色光在P点的折射角为r,根据折射定律有

=n1=

解得r=30°

即折射光线沿PQ方向,由几何关系可知单色光在右半球与空气交界面的入射角为i'=30°

单色光在交界面发生全反的射临界角C满足

 sin C=

解得C=45°

则i'<C,即单色光在交界面不会发生全反射,能够从右半球射出。

(2)单色光在左、右半球的传播速度分别为

v1==,v2==

根据几何关系可知单色光在左、右半球的传播距离相等,均为s=PQ=R

所以单色光在玻璃球中传播第一次到达右半球与空气交界面所用时间为t=+=

17.物理模型 (2022安徽宣城二调)如图所示是一个水平横截面为圆形的平底玻璃缸,玻璃缸深度为2h,缸底面圆心处有一单色点光源S,缸中装有某种液体,深度为h,O点为液面的圆心,OS垂直于水平面。用面积为πh2的黑纸片覆盖在液面上,则液面上方恰好无光线射出。若在上述黑纸片上,以O为圆心剪出一个面积为πh2的圆孔,把余下的黑纸环仍放置在液面上原来的位置,使所有出射光线都从缸口射出,则缸口的最小面积为多少?

答案　πh2

解析　用面积为S1=πh2的黑纸片覆盖在液面上,液面上方恰好无光线射出,则从点光源S发出的光线射到黑纸片的边缘处恰发生全反射,临界角为C,光路图如图甲所示

甲

S1=π=πh2

由几何关系得tan C=

由全反射知识有sin C=

解得n=

剪出一个面积为S2=πh2的圆孔后,设透光部分的半径为r2,射出光线的最大入射角为i,对应的折射角为θ,光路图如图乙所示

乙

S2=π=πh2

由几何关系得 tan i=

根据折射定律有n=

缸口的最小半径r3=r2+h tan θ

缸口的最小面积S3=π

解得S3=πh2

18.(2022山东省实验中学期末,15)图示为某种材料制成的透明器件,其横截面由三角形和半圆形组成,∠CAB=75°,半圆的半径为R,圆心在O点,P点在AC上且PC=R。现有一光线MP沿纸面与AC面成θ=30°角从Р点入射到AC面上,折射后恰好通过O点。已知光在真空中的速度大小为c,sin (α+β)=sin α cos β+cos α sin β,求:

(1)透明材料的折射率n;

(2)光从Р点入射到第一次射出透明器件的传播时间t。

答案　(1)　(2)

解析　(1)设折射角为r,光路图如图所示,入射角i=90°-θ=60°

由折射定律有n=

在ΔPOC中,根据正弦定理有=

其中PC=R

解得r=45°,n=

(2)在ΔPOC中,根据正弦定理有

=

解得OP=R

光从P点入射到第一次射出透明器件的传播时间t=

又n=

解得t=

19.(2022湖南新高考教学教研联盟第二次联考,18)1965年香港中文大学校长高锟在一篇论文中提出用石英基玻璃纤维进行长程信息传递,引发了光导纤维的研发热潮,1970年康宁公司最先发明并制造出世界第一根可用于光通信的光纤,使光纤通信得以广泛应用,被视为光纤通信的里程碑之一,高锟也因此被国际公认为“光纤之父”。如图为某种新型光导纤维材料的一小段,材料呈圆柱状,半径为l,长度为3l,将一束光从底部中心P点以入射角θ射入,已知光在真空中的速度为c。

(1)若已知这种材料的折射率为,入射角θ=60°,求光线穿过这段材料所需的时间;

(2)这种材料的优势是无论入射角θ为多少,材料侧面始终不会有光线射出,求材料的折射率的最小值。

答案　(1)　(2)

解析　(1)如图1所示,由折射定律可得n1=,解得α1=30°,根据几何关系,光在这段材料中的路程为s=6l,又n=,传播时间为t=,解得光线穿过这段材料所需的时间为t=。

图1

(2)如图2所示,若将θ逐渐增大,图中α也将不断增大,而光线在侧面的入射角i将不断减小。当θ等于90°时,由折射定律及全反射可知,图中α将等于临界角C,而此时光线射到侧面处时的入射角i将达到最小,若此时刚好发生全反射,则所有到达侧面的光线将全部发生全反射,不会从侧面射出。因此可得 sin i≥ sin C,i+C=90°,sin C=,解得折射率的最小值为n=。

图2s