第14讲 光学、电磁波与相对论初步-最新高考物理二轮复习直击高考热点难点

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第14讲光学、电磁波与相对论初步微波例题1（2021·浙江卷）大功率微波对人和其他生物有一定的杀伤作用。实验表明，当人体单位面积接收的微波功率达到时会引起神经混乱，达到时会引起心肺功能衰竭。现有一微波武器，其发射功率。若发射的微波可视为球面波，则引起神经混乱和心肺功能衰竭的有效攻击的最远距离约为（　　）A．   B．   C．   D．   与光学有关的新情境例题2（2021·山东卷）超强超短光脉冲产生方法曾获诺贝尔物理学奖，其中用到的一种脉冲激光展宽器截面如图所示。在空气中对称放置四个相同的直角三棱镜，顶角为。一细束脉冲激光垂直第一个棱镜左侧面入射，经过前两个棱镜后分为平行的光束，再经过后两个棱镜重新合成为一束，此时不同频率的光前后分开，完成脉冲展宽。已知相邻两棱镜斜面间的距离，脉冲激光中包含两种频率的光，它们在棱镜中的折射率分别为和。取，，。（1）为使两种频率的光都能从左侧第一个棱镜斜面射出，求的取值范围；（2）若，求两种频率的光通过整个展宽器的过程中，在空气中的路程差（保留3位有效数字）。 光的折射与全反射1．常用的三个公式＝n，n＝，sin C＝.2．折射率的理解(1)折射率与介质和光的频率有关，与入射角的大小无关．(2)光密介质指折射率大的介质，而不是指密度大的介质．(3)同一种介质中，频率越大的色光折射率越大，传播速度越小．3．求解光的折射和全反射问题的思路(1)根据题意画出正确的光路图，特别注意全反射的临界光线．(2)利用几何关系确定光路中的边、角关系．(3)利用折射定律等公式求解．(4)注意折射现象中光路的可逆性． 例题3(多选)半径为R的半圆柱形玻璃砖，其横截面如图所示，O为圆心，已知该玻璃砖对频率为f的红光的折射率为n＝，与MN平面成 θ＝45°的平行红光束射到玻璃砖的半圆面上，经玻璃砖折射后，部分光束能从MN平面上射出，不考虑多次反射，已知光在真空中的传播速度为c，下列分析判断正确的是(　　)A．玻璃砖对该红光束全反射的临界角C＝60°B．该红光束在玻璃砖中的传播速度为v＝C．该红光束在玻璃砖中的波长为D．MN平面上能射出光束部分的宽度为RE．MN平面上能射出光束部分的宽度为R光的干涉与衍射光的双缝干涉和单缝衍射的比较 双缝干涉单缝衍射产生条件两束光频率相同、相位差恒定障碍物或狭缝的尺寸足够小(明显衍射)图样不同点条纹宽度条纹宽度相等条纹宽度不等，中央最宽条纹间距各相邻条纹间距相等各相邻条纹间距不等亮度情况清晰条纹，亮度基本相等中央条纹最亮，两边变暗与光的偏振的区别干涉、衍射都是波特有的现象；光的偏振现象说明光是横波 例题4（2021·浙江卷）肥皂膜的干涉条纹如图所示，条纹间距上面宽、下面窄。下列说法正确的是（　　）A．过肥皂膜最高和最低点的截面一定不是梯形B．肥皂膜上的条纹是前后表面反射光形成的干涉条纹C．肥皂膜从形成到破裂，条纹的宽度和间距不会发生变化D．将肥皂膜外金属环左侧的把柄向上转动，条纹也会跟着转动几何光学与物理光学的综合应用各种色光特征比较项目红→紫频率越来越高波长越来越短折射率越来越大介质中传播速度越来越小发生全反射时的临界角越来越小光子能量越来越大 例题5随着通信技术的更新换代，无线通信使用的电磁波频率更高，频率资源更丰富，在相同时间内能够传输的信息量更大。第5代移动通信技术(简称5G)意味着更快的网速和更大的网络容载能力，“4G改变生活，5G改变社会”。与4G相比，5G使用的电磁波（　　）A．光子能量更大 B．衍射更明显C．传播速度更大 D．波长更长 光的波动性　电磁波　相对论1．光的干涉现象和光的衍射现象证明了光的波动性，光的偏振现象说明光为横波。2．光的干涉和光的衍射产生的条件：发生干涉的条件是两光源频率相等，相位差恒定；发生明显衍射的条件是障碍物或小孔的尺寸跟光的波长相差不多或比光的波长小。3．光的双缝干涉条纹间距Δx＝λ。(1)l、d一定时，Δx∝λ，可见光中的红光条纹间距最大，紫光最小。(2)单色光条纹间隔均匀，亮度均匀，中央为亮条纹。(3)如用白光做实验，能观察到中央为白色，两边为由紫到红的彩色条纹。4．光的干涉现象：薄膜干涉(油膜、空气膜、增透膜、牛顿环)；光的衍射现象：圆孔衍射、泊松亮斑。 例题6(多选)下列说法中正确的是(　　)A．白光经三棱镜折射后可以在光屏上形成彩色条纹B．检测工件表面的平整度利用了光的偏振现象C．根据麦克斯韦电磁场理论，电磁波中的电场和磁场相互垂直，电磁波是横波D．利用红外摄影从高空拍摄地面的景物是因为红外线的波长比较长，绕过障碍物的能力较强E．如果测量到来自遥远星系上某些元素发出的光波波长比地球上这些元素静止时发出的光波波长长，这说明该星系正在靠近我们 电磁波1．电磁波谱：按照电磁波的频率或波长的大小顺序把它们排列成谱叫作电磁波谱．按波长由长到短排列的电磁波谱为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线．2．电磁波传播不需要介质，在介质中传播时速度与介质材料和电磁波频率有关． 例题7(多选)(2020·江苏卷·13B(1))电磁波广泛应用在现代医疗中．下列属于电磁波应用的医用器械有(　　)A．杀菌用的紫外灯B．拍胸片的X光机C．治疗咽喉炎的超声波雾化器D．检查血流情况的“彩超”机光学传感器例题8（2021·广东卷）如图所示，一种光学传感器是通过接收器Q接收到光的强度变化而触发工作的。光从挡风玻璃内侧P点射向外侧M点再折射到空气中，测得入射角为，折射角为；光从P点射向外侧N点，刚好发生全反射并被Q接收，求光从玻璃射向空气时临界角的正弦值表达式。 一、单选题1．截面为等腰直角三角形的三棱镜如图所示，一束含有单色光a和单色光b的复色光，垂直BC面射入三棱镜，单色光b恰好发生全反射，单色光a射出，下列说法正确的是（　　）A．单色光b在该三棱镜中的折射率B．单色光a的折射率大于单色光b的折射率C．单色光a的波长比单色光b的波长长D．单色光a在该三棱镜中的速度小于单色光b2．如图甲所示为一块平行玻璃砖，一束复色光穿过平行玻璃砖后，分成a、b两束光，如图乙所示，则下列说法正确的是（　　）A．a光在该玻璃中传播的速度比b光小B．单色光a、b由该玻璃中射向空气时，a光的临界角较小C．单色光a、b通过相同的单缝衍射实验装置，b光的中央亮条纹较宽D．若用单色光a、b照射同一金属均能发生光电效应，b光使其逸出的光电子的最大初动能较大3．一束激光垂直照射在光屏上，形成一圆形光斑如图甲所示。现在光屏前放置一透明的玻璃圆柱体，让激光垂直圆柱体轴线入射，光束经过圆柱体后照射在光屏上，如图乙所示。则在光屏上观察到的光斑形状可能为（　　） A． B．C． D．4．雨后太阳光射入空气中的水滴，先折射一次，然后在水滴的背面发生反射，最后离开水滴时再折射一次，就形成了彩虹。如图，太阳光从左侧射入球形水滴，a、b是其中的两条出射光线，在这两条出射光线中，一条是红光，另一条是紫光，下列说法正确的是（　　）A．a光线是红光，b光线是紫光B．遇到同样的障碍物，b光比a光更容易发生明显衍射C．a光在水滴中的传播时间比b光在水滴中的传播时间短D．增大太阳光在水滴表面的入射角，则可能没有光线从水滴中射出5．把一个上表面为平面、下表面为球面的凸透镜放在水平玻璃板上，如图所示，现用单色光垂直于透镜的上表面向下照射，从上方向下观察，可以看到一系列亮暗相间的同心圆环状条纹，这些同心圆环状条纹叫做牛顿环。下列说法正确的是（　　）A．这是光的干涉现象，同心圆环状条纹间隔均匀B．这是光的干涉现象，同心圆环状条纹间隔不均匀C．这是光的衍射现象，同心圆环状条纹间隔均匀D．这是光的衍射现象，同心圆环状条纹间隔不均匀6．正定南城门护城河水下装有红绿两色彩灯，如图，A、B为水下同一深度处两个相距较远的彩灯（均可看做点光源），夜晚站在桥上附看平静的水面，灯A在水面形成的亮斑的半径较大，下列说法正确的是（　　） A．灯A是绿色光源B．在水中灯A发出的光的传播速度小于灯B发出的光的传播速度C．灯A发出的光的光子能量大于灯B发出的光的光子能量D．灯A、B发出的光用同一装置做双缝干涉实验，屏幕上相邻亮条纹间距7．劈尖干涉是一种薄膜干涉，如图甲所示，将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，在一端夹入两张纸片，从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜，当红光从上方入射后，从上往下看到如图乙所示的干涉条纹。下列说法错误的是（　　）A．任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等B．任意相邻明条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定C．若在装置中抽去一张纸片，则干涉条纹间距变大D．若把红光换成紫光，则干涉条纹间距变大8．光学技术在生产、生活中有着广泛的应用，下列说法正确的是（　　）A．用标准平面样板检查光学平面的平整程度是利用光的反射现象B．雪地眼镜镜片镀有一层增反膜，是利用了光的全反射现象C．光导纤维束利用了光的全反射现象D．观看立体电影时的眼镜利用了光的折射现象二、多选题9．半径为R的半圆形玻璃砖置于水平桌面上，O为圆心。一束光线从P点垂直下表面入射后，恰好在玻璃砖的圆形表面发生全反射、另一束光线从半圆形玻璃砖上表面的某处以的入射角入射，该光线从半圆形玻璃砖的底部下表面出射的方向恰好与入射方向平行，如图所示，已知真空中的光速为c，则（　　）A．玻璃砖的折射率为 B．之间的距离为C．光在玻璃砖内的传播速度为 D．光从玻璃到空气的临界角为10．双缝干涉实验装置的截面图如图所示。光源S到、的距离相等，O点为、连线中垂线与光屏的交点。光源S发出的光在真空中的波长为，经出射后垂直穿过玻璃片传播到O点，经出射后直接传播到O点。现在已知玻璃片的厚度为d，玻璃对该光的折射率为1.5，真空中的光速为c，不计光在玻璃片内的反射。以下判断正确的是（　　） A．若玻璃片的厚度，则O点处为亮条纹B．若玻璃片的厚度，则O点处为暗条纹C．无论玻璃片的厚度d为何值，O点处始终为亮条纹D．若用该波长的光完成实验，O点处为亮条纹，保持其他条件不变的情况下，用另一种波长的光实验，O点处也可能成为暗条纹11．关于电磁波，下列说法正确的是（　　）A．电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率无关B．电磁波在真空中传播时，其传播方向与电场强度、磁感应强度方向均垂直C．利用电磁波传递信号可以实现无线通信，但电磁波不能通过电缆、光缆传输D．电磁波可以由电磁振荡产生，若波源的电磁振荡停止，空间的电磁波随即消失12．电磁波按波长大小的顺序把它们排列成谱，如图所示，下列关于电磁波说法正确的是（       ） A．红外线可以灭菌消毒B．紫外线的波长比红外线长C．振荡电路生成电磁波的频率随电容C的增大而减小D．X射线能在磁场中偏转，但穿透力较强，可用来进行人体透视13．如图所示，三棱镜的截面为直角三角形，∠A=30°，一束单色光从AB边上的D点平行AC边射入棱镜，在AC边发生全反射，反射光线与AB边平行，已知，则下列说法正确的是（　　） A．单色光在D点的折射角为30° B．三棱镜的折射率为C．三棱镜的折射率为 D．单色光不能从BC边射出14．回归反光材料是现代化交通安全标志用的新型材料，它可以使人们在光源处观察到明亮的图案符号反光表面，属于无机和有机相结合的新型功能性复合材料。各种标准的公路上，都有用“回归反光膜”制成的标志牌。夜间行车时，标牌上的标志能把车灯射出的光逆向返回，标牌上的各种标志特别醒目，这种“回归反光膜”是用球体反射元件制成的，反光膜内均匀分布着一层直径非常小的玻璃球。如图所示，玻璃球的半径为R，所用玻璃的折射率为n＝，一光线沿平行于球直径AB方向射入球中，只在里面发生一次反射后就通过球体折射出来，出射光线与入射光线反向，则（　　）A．该光线在玻璃球内不能发生全反射B．该入射光线离AB的距离d是C．所有平行AB方向照射到玻璃球上的光线中，射入球内只经一次反射后射出玻璃球，其在球内经过的最长时间为D．所有平行AB方向照射到玻璃球上的光线中，射入球内只经一次反射后射出玻璃球，其在球内经过的最长时间为15．如图所示，某小区喷水池底部水平，在底部处装有红色和紫色的灯（视为点光源），可在水面形成红色和紫色的光斑。水面较宽且平静，灯距水面的深度为。已知水对红光和紫光的折射率分别为和，且。下列说法正确的是（　　） A．红光在水中的传播速度是紫光在水中传播速度的倍B．红光在水中发生全反射的临界角是紫光在水中发生全反射临界角的倍C．红光在水面形成的光斑的面积大小是D．红光在水面形成的光斑面积小于紫光在水面形成的光斑面积16．有一用透明材料制成的中空圆柱体，内径为R，外径为2R，其截面如图所示。一束细单色光从圆柱面上的A点与AO直径成夹角i=60°射入，经折射后恰好与内柱面相切，已知真空中光速为。则（　　）A．单色光在该材料中的折射率为 B．单色光在该材料中的折射率为C．单色光在该材料中传播的时间为 D．单色光在该材料中传播的时间为17．如图所示的4种明暗相间的条纹分别是红光、紫光各自通过同一个双缝干涉仪器和同一个单缝衍射仪器后形成的干涉图样和衍射图样（黑色部分表示亮条纹）。关于这4幅图样，下列说法正确的是（　　）A．图样甲为红光的衍射图样 B．图样乙为紫光的衍射图样C．图样丙为紫光的干涉图样 D．图样丁为红光的干涉图样18．1927年，戴维孙和汤姆孙分别完成了电子衍射实验，该实验是荣获诺贝尔奖的重大近代物理实验之一、如图甲所示是该实验装置的简化图，如图乙所示为电子束的衍射图样，下列说法正确的是（　　） A．亮条纹是电子到达概率大的地方 B．暗条纹是电子一定不到达的地方C．该实验说明实物粒子具有粒子性 D．该实验说明实物粒子具有波动性19．下列说法正确的是（　　）A．泊松亮斑是光通过圆孔发生衍射时形成的B．增透膜的作用是为了减少光的反射损失，增强透射光的强度C．拍摄玻璃橱窗内的物品时，往往在镜头前加装一个偏振片以减弱玻璃的反射光D．我们在地球上接收到来自遥远星球的光波的波长变长，可以判断该星球正在离我们远去E．根据麦克斯韦的电磁场理论，在变化的电场周围一定产生变化的磁场，在变化的磁场周围一定产生变化电场20．关于光的偏振现象，下列说法正确的是（　　）A．光的偏振现象说明光是纵波B．拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上偏振滤光片可以使影像更清晰C．一束自然光通过某偏振片时，只有振动方向与该偏振片透振方向垂直的光波才能通过D．一束自然光入射到两种介质的分界面上，一定有反射光且反射光是偏振光三、解答题21．如图所示，一根长为l=5.0 m的光导纤维用折射率n=的材料制成。一束激光由其左端的中心点以45°的入射角射入光导纤维内，经过一系列全反射后从右端射出，求：（计算结果保留两位有效数字）（1）该激光在光导纤维中的速度。（2）该激光在光导纤维中传播的时间。22．光纤已普遍应用到通信领域，具有可弯曲、传输速度快、信息量大等优点。如图是一段弯成圆弧的光纤材料，一束光紧贴光纤材料内侧垂直射入材料一端。已知光可从另一端射出且没有损失，光纤材料的直径为2cm，光在光纤材料中的折射率n=1.5，光在真空中的传播速度为c=3×108m/s。求∶（1）光在光纤材料中的传播速度大小；（2）光纤材料内侧对应的最小弯曲半径。23．如图为透明的球状玻璃砖的横截面。O为球心位置，OA=OB=R。玻璃对红光的折射率，一束红光从C点照向球面上的P点，经折射后恰好从OB的中点D垂直于OB射出。回答下面问题。(1)求AC两点间的距离；(2)若将入射光换成蓝光，光线仍从D点垂直OB射出，则入射点C´应在C点的哪侧？24．一斜劈形透明介质劈尖，尖角为，高为.   今以尖角顶点为坐标原点，建立坐标系如图(a)所示；劈尖斜面实际上是由一系列微小台阶组成的，在图(a)中看来，每一个小台阶的前侧面与xz平面平行，上表面与yz平面平行.   劈尖介质的折射率n随而变化，，其中常数.   一束波长为的单色平行光沿轴正方向照射劈尖；劈尖后放置一薄凸透镜，在劈尖与薄凸透镜之间放一挡板，在挡板上刻有一系列与方向平行、沿y方向排列的透光狭缝，如图(b)所示. 入射光的波面（即与平行入射光线垂直的平面）、劈尖底面、挡板平面都与轴垂直，透镜主光轴为x轴.   要求通过各狭缝的透射光彼此在透镜焦点处得到加强而形成亮纹. 已知第一条狭缝位于y=0处；物和像之间各光线的光程相等. (1).   求其余各狭缝的y坐标；(2).   试说明各狭缝彼此等距排列能否仍然满足上述要求. 25．（1）静电场可以用电场线和等势面形象描述，电场线的疏密反映了电场强度的大小。(a)请根据电场强度的定义和库仑定律推导出点电荷Q的场强表达式；(b)点电荷的电场线和等势面分布如图所示，等势面S1、S2到点电荷的距离分别为r1、r2。请计算S1、S2上单位面积通过的电场线条数之比。（2）宇宙中的天体在不断向外辐射电磁波，人们利用射电望远镜收集来自天体的电磁波进行观测，如图所示。假设A、B两个天体辐射功率相同，且都在均匀持续地辐射．天体A距地球1万光年，天体B距地球5万光年．(忽略电磁波传播过程中的损耗)(a)用一架射电望远镜接收到A发出的电磁波功率为P1，则该望远镜接收到的来自天体B的电磁波功率P2是多大?(b)为收集足够强的信号，增大望远镜口径是一一种常用方法，为使接受到天体B的信号功率和天体A一样强，可将望远镜口径增大为原来的多少倍?