新教材适用2023_2024学年高中物理第4章光学业质量标准检测新人教版选择性必修第一册

第四章　学业质量标准检测

本卷分第Ⅰ卷(选择题)和第Ⅱ卷(非选择题)两部分。满分100分，时间90分钟。

第Ⅰ卷(选择题　共40分)

一、选择题(共10小题，每小题4分，共40分，在每小题给出的四个选项中，第1～7小题只有一个选项符合题目要求，第8～10小题有多个选项符合题目要求，全部选对的得4分，选不全的得2分，有选错或不答的得0分)

1．下列关于光的干涉、衍射、偏振以及激光的说法中，不正确的是( B )

A．激光全息照相利用了激光相干性好的特性

B．3D电影利用了光的干涉特性

C．日落时分拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上偏振滤光片可以使景象更清晰

D．通过手指间的缝隙观察日光灯，可以看到彩色条纹，这是光的衍射现象

解析：激光全息照相利用了激光相干性好的特性，获得两频率相同的光，从而进行光的干涉，故A正确；3D电影利用了光的偏振现象，出现立体画面，故B错误；日落时分拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上偏振滤光片可以使景象更清晰，这是利用光的偏振现象，故C正确；通过手指间的缝隙观察日光灯，可以看到彩色条纹，这是光的衍射现象，故D正确。

2．如图所示，口径较大、充满水的薄壁圆柱形浅玻璃缸底有一发光小球，则( D )

A．小球必须位于缸底中心，才能从侧面看到小球

B．小球所发出的光能从水面任何区域射出

C．小球所发出的光从水中进入空气后频率变大

D．小球所发出的光从水中进入空气后传播速度变大

解析：当发光小球不在缸底中心时，仍有光线从侧面射出，A错误；光从水面射入空气时，当入射角大于或等于临界角时，会发生全反射现象，B错误；光从一种介质进入另一种介质时，频率保持不变，C错误；光在水中传播速度v＝，光在空气中的传播速度近似等于真空中的传播速度c，D正确。

3．关于甲、乙、丙、丁四个实验，以下说法正确的是( D )

甲：单色光通过劈尖产生明暗条纹

乙：单色光通过牛顿环产生明暗条纹

丙：单色光通过双缝产生明暗条纹

丁：单色光通过单缝产生明暗条纹

A．四个实验产生的条纹均为干涉条纹

B．甲、乙两实验产生的条纹均为等距条纹

C．丙实验中，产生的条纹间距越大，该光的频率越大

D．丁实验中，产生的明暗条纹为光的衍射条纹

解析：丁实验中，单色光通过单缝产生的明暗条纹为光的衍射条纹，其他三个均为光的干涉条纹，选项A错误，D正确；牛顿环产生明暗条纹是不等距的，选项B错误；丙实验中，产生的条纹间距越大，该光的波长越大，频率越小，选项C错误；故选D。

4．回归反光膜是由高折射率透明陶瓷圆珠、高强度黏合剂等组成的复合型薄膜材料，夜间行车时，它能把各种角度车灯射出的光逆向返回，使标志牌上的字特别醒目。如图，一束平行光(宽度远大于陶瓷圆珠直径和圆珠间距)，沿垂直基板方向照射到圆珠上，为使折射入陶瓷圆珠的光能发生全反射，则制作陶瓷圆珠材料的折射率n至少为( B )

A.　　  B．　　

C．　　  D．

解析：考虑临界情况，设折射角为C，

则有sin C＝，由几何关系可知，2C＝90°

解得n＝。故选B。

5．如图所示，在水面下同一深度并排紧挨着放置分别能发出红光、黄光、蓝光和紫光的四个灯泡，一人站在这四盏灯正上方离水面有一定距离处观察，他感觉离水面最近的那盏灯发出的光是( D )

A．红光　　 B．黄光　　

C．蓝光　　 D．紫光

解析：从空气中观察灯泡时，灯泡P发出的光经水面折射后进入观察者的眼睛，折射光线的延长线交于P′点，P′就是灯P的虚像，P′的位置比实际位置P离水面的距离要近些，如图所示。

当入射角β较小时，P′的位置在P的正上方，有：

sin α＝，sin β＝，

n＝，

竖直向下看时，d接近于零，故n＝，

即：h＝H，

因紫光的折射率最大，故紫光的视深最小。

6．1966年华裔科学家高锟博士提出一个理论：直径仅几微米的玻璃纤维就可以用来作为光的波导来传输大量信息，43年后高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖，他被誉为“光纤通信之父”。以下哪个实验或现象的原理和光导纤维是相同的( A )

A．图甲中，弯曲的水流可以导光

B．图乙中，用偏振眼镜看3D电影，感受到立体的影像

C．图丙中，阳光下的肥皂薄膜呈现彩色

D．图丁中，白光通过三棱镜，出现色散现象

解析：图甲中，弯曲的水流可以导光是因为光在水和空气界面上发生了全反射现象，故与光导纤维原理相同，A正确；图乙中，用偏振眼镜看3D电影，感受到立体的影像是因为光的偏振现象，B错误；图丙中，阳光下的肥皂薄膜呈现彩色是因为光的干涉现象，C错误；图丁中，白光通过三棱镜，出现色散现象是因为光发生了折射现象，D错误。

7．如图所示是指纹识别原理图，其原理是利用光学棱镜的全反射特性，在指纹谷线(凹部)，入射光在棱镜界面发生全反射，在指纹脊线(凸部)，入射光的某些部分被吸收或者漫反射到别的地方，这样，在指纹模块上形成明暗相间的指纹图像。已知水的折射率约为1.33，透明玻璃的折射率约为1.5。下列说法正确的是( B )

A．指纹模块接收光线较暗的部位是指纹谷线

B．指纹模块接收光线较亮的部位是指纹谷线

C．没有手指放入时，若光源正常发光，指纹模块会接收到全暗图像

D．手指湿润时，指纹识别率低，是因为光在棱镜界面不能发生全反射

解析：在指纹凸部(脊线)，入射光的某些部分被吸收或者漫反射到别的地方，指纹模块接收到光线较暗，在指纹凹部(谷线)，入射光在棱镜界面发生全反射，指纹模块接收到光线较亮，因此指纹模块接收光线较暗的部位是指纹脊线，较亮的部位是指纹谷线，选项A错误，B正确；没有手指放入时，若光源正常发光，入射光在棱镜界面发生全反射，指纹模块上会接收到全亮图像，选项C错误；因透明玻璃的折射率大于水的折射率，因此，手指湿润时，棱镜界面仍然有部分光能发生全反射，也可能有部分光无法发生全反射，使得指纹识别率低，选项D错误。故选B。

8．(2022·浙江高二期中)如图甲所示，在平静的水面下深h处有一个点光源S，它发出的两种不同颜色的a光和b光在水面上形成了一个有光线射出的圆形区域，该区域的中间为由ab两种单色光所构成的复色光圆形区域，周围为环状区域，且为a光的颜色(见图乙)设b光的折射率为n，则下列说法正确的是( BCD )

A．在水中，a光的波长比b光小

B．水对a光的折射率比b光小

C．在水中，a光的传播速度比b光大

D．复色光圆形区域的面积为S＝

 解析：a光在水面上形成的圆形亮斑面积较大，知a光的临界角较大，根据sin C＝知a光的折射率较小，再由v＝＝λf，可知，在水中，a光的传播速度比b光大，a光的波长比b光大，故B、C正确，A错误；根据sin C＝结合几何关系，可知＝，而复色光圆形区域的面积为S＝πr2＝，故D正确。故选BCD。

9．P是一偏振片，P的透振方向(用带箭头的实线表示)为竖直方向。下列四种入射光束中哪几种照射P时能在P的另一侧观察到透射光( ABD )

A．太阳光

B．沿竖直方向振动的光

C．沿水平方向振动的光

D．沿与竖直方向成45°角振动的光

解析：只要光的振动方向不与偏振片的透振方向垂直，光都能通过偏振片。太阳光、沿竖直方向振动的光、沿与竖直方向成45°角振动的光均能通过偏振片。

10．(2023·天津市重点中学高二联考)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，如图乙所示为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( AB )

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

解析：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，由c＝λf，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。

第Ⅱ卷(非选择题　共60分)

二、填空题(本题共2小题，共18分。把答案直接填在横线上)

11．(8分)如图所示，用某种透光物制成的直角三棱镜ABC；在垂直于AC面的直线MN上插两枚大头针P1、P2，在AB面的左侧透过棱镜观察大头针P1、P2的像，调整视线方向，直到P1的像_让P2的像挡住__，再在观察的这一侧先后插上两枚大头针P3、P4，使P3_挡住P1、P2的像__，P4_挡住P3以及P1、P2的像__。记下P3、P4的位置，移去大头针和三棱镜，过P3、P4的位置作直线与AB面相交于D，量出该直线与AB面的夹角为45°。则该透光物质的折射率n＝ 　，并在图中画出正确完整的光路图。

解析：通过作图找出BC面上的反射点和AB面上的出射点，则由几何知识可得各角的大小，如图所示，则n＝＝，其实验原理与用两面平行的玻璃砖相同，故P1的像让P2的像挡住、P3挡住P1、P2的像，P4应挡住P3以及P1、P2的像。

12．(10分)在“用双缝干涉测量光的波长”的实验中，将双缝干涉实验仪按要求安装在光具座上(如图甲)，并选用缝间距为d的双缝屏。从仪器注明的规格可知，毛玻璃屏与双缝屏间的距离为L。接通电源使光源正常工作，发出白光。

(1)组装仪器时，图甲中a为_单__缝，b为_双__缝(均选填“双”或“单”)。

(2)若取下红色滤光片，其他实验条件不变，则在目镜中_C__；

A．观察不到干涉条纹

B．可观察到明暗相间的白条纹

C．可观察到彩色条纹

(3)若实验中在屏上得到的干涉图样如图乙所示，毛玻璃屏上的分划板刻线在图中c、d位置时，游标卡尺的读数分别为x1、x2(x2>x1)，则入射的单色光波长的计算表达式为λ＝ 　；分划板刻线在某条明条纹位置时游标卡尺如图丙所示，其读数为_31.10__mm。

解析：(1)按题图所示组装仪器时，a处应固定单缝，b为双缝。

(2)若取下红色滤光片，白光干涉图样为彩色条纹，故C正确，A、B错误。

(3)条纹间距为Δx＝，根据Δx＝λ，解得λ＝；游标卡尺读数为31 mm＋0.05 mm×2＝31.10 mm。

三、论述、计算题(本题共4小题，共42分。解答应写出必要的文字说明、方程式和重要演算步骤，只写出最后答案不能得分，有数值计算的题，答案中必须明确写出数值和单位)

13．(9分)平行光垂直射向一半径为R的透明介质半球的平面，其截面如图所示，发现只有P、Q之间所对圆心角为60°的球面上有光射出，已知光在真空中的传播速度为c＝3.0×108 m/s，求：

(1)介质球对该入射光的折射率；

(2)该光在介质球中的传播速度。

答案：(1)2　(2)1.5×108 m/s

解析：(1)由题意知光在介质球界面处的临界角为 C＝30°，

由sin C＝得n＝＝2。

(2)光在介质球中的传播速度为v＝＝1.5×108 m/s。

14．(10分)我国的光伏产业很发达，街道上的很多电子显示屏，其核心部件是发光二极管。有一种发光二极管，它由半径为R＝4 mm的半球体介质和发光管芯组成，发光管芯区域是一个圆面，其圆心与半球体介质的球心O重合，圆弧ABC是半球体介质过球心O的纵截面， B为圆弧ABC的中点，D为圆弧BDC的中点，PQ为发光管芯圆面的直径，如图所示。由PQ上的某点发出的一条光线与半径OC的夹角为θ＝75°，这条光线经D点后的出射光线平行于半径OB。为使从发光圆面射向半球面上的所有光线都能直接射出，求发光管芯区域圆面的最大面积。(结果保留两位有效数字)

答案：2.5×10－5 m2

解析：由几何关系得到光线射到D点的入射角i＝30°，折射角γ＝45°，

根据折射定律n＝；

解得n＝，

从P或Q点垂直于PQ发出的光线射到球面上的入射角最大，设为α，发光圆面PQ的半径为r

则sin α＝

设光发生全反射的临界角为C，则sin C＝，

所有光能直接射出，应满足sin α≤sin C，

解得r≤＝，

管芯发光区域面积最大值为S＝π2＝，

解得S＝2.5×10－5 m2。

15．(11分)如图，在注满水的游泳池的池底有一点光源A，它到池边的水平距离为3.0 m。从点光源A射向池边的光线AB与竖直方向的夹角恰好等于全反射的临界角，水的折射率为。(取＝2.6，＝0.55)

(1)求池内的水深；

(2)一救生员坐在离池边不远处的高凳上，他的眼睛到地面的高度为2.0 m。当他看到正前下方的点光源A时，他的眼睛所接收的光线与竖直方向的夹角恰好为45°。求救生员的眼睛到池边的水平距离(结果保留1位有效数字)。

答案：(1)2.6 m　(2)0.7 m

解析：(1)如图，设到达池边光线的入射角为i。依题意，水的折射率n＝，光线的折射角θ＝90°。由折射定律有

nsin i＝sin θ，①

由几何关系有sin i＝，②

式中，l＝3 m，h是池内水的深度。联立①②式并代入题给数据得

h＝ m≈2.6 m。③

(2)设此时救生员的眼睛到池边的距离为x。依题意，救生员的视线与竖直方向的夹角为θ′＝45°。由折射定律有nsin i′＝sin θ′，④

式中，i′是光线在水面的入射角。设池底点光源A到水面入射点的水平距离为a。由几何关系得

sin i′＝，⑤

x＋l＝a＋x′，⑥

式中x′＝2 m。

联立③④⑤⑥式得x＝m≈0.7 m。

16．(12分)(2023·山东省潍坊七县(市)高二联考)如图所示，为某种透明介质的截面图，△AOC为等腰直角三角形，BC为半径R＝10 cm的四分之一圆弧，AB与水平屏幕MN垂直并接触于A点。由红光和紫光两种单色光组成的复色光射向圆心O，在AB分界面上的入射角i＝45°，结果在水平屏幕MN上出现两个亮斑。已知该介质对红光和紫光的折射率分别为n1＝，n2＝。

(1)判断在AM和AN两处产生亮斑的颜色；

(2)求两个亮斑间的距离。

答案：(1)在AM处产生的亮斑颜色为红色，在AN处产生的亮斑颜色为红色与紫色的混合色

(2)(5＋10)cm

解析：(1)设红光和紫光的临界角分别为C1、C2，sin C1＝＝，C1＝60°，同理C2＝45°，i＝45°＝C2，i＝45°<C1所以紫光在AB面发生全反射，而红光在AB面一部分折射，一部分反射，且由几何关系可知，反射光线与AC垂直，所以在AM处产生的亮斑P1为红色，在AN处产生的亮斑P2为红色与紫色的混合色。

(2)画出如图光路图，设折射角为r，两个光斑分别为P1、P2。根据折射定律

n1＝，

求得sin r＝，

由几何知识可得：tan r＝，解得AP1＝5 cm，

由几何知识可得△OAP2为等腰直角三角形，

解得AP2＝10 cm，所以P1P2＝(5＋10)cm。