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高中物理汇编选修3-4光学部分


选修 3-4 光学部分

高中物理最新试题精选之汇编选修 3-4 光学部分
一、选择题 1.2007 年 3 月 4 日是我国的元宵节,凌晨在我国很多地区都观测到了月食的天象,发生 月食时、太阳、地球的相对位置如图所示.当月球进入图中哪个区域时地球上在夜晚地区的 观察者可以看到月全食( ) A.全部进入区域 I B.全部进入区域 II 或Ⅳ C.全部进入区域Ⅲ D.部分进入区域 I

答案:A 2.1923 年美国物理学家迈克耳逊用旋转棱镜法较准确地测出了光速,其过程大致如下, 选择两个距离已经精确测量过的山峰(距离为 L) ,在第一个山峰上装一个强光源 S,由它发 出的光经过狭缝射在八面镜的镜面 1 上,被反射到放在第二个山峰的凹面镜 B 上,再由凹面 镜 B 反射回第一个山峰,如果八面镜静止不动,反射回来的光就在八面镜的另外一个面 3 上 再次反射,经过望远镜,进入观测者的眼中.如图所示,如果八面镜在电动机带动下从静止 开始由慢到快转动,当八面镜的转速为 ? 时,就可以在望远镜里重新看到光源的像,那么光 速等于( ) A.

4L?

?

B.

8L?

?

C.

16L?

?

D.

32L?

?

答案:B 3.水平地面上物体 M 将站在 A 处的人的视线挡住,如图所示,为了能看到 M 后面的地 面, 在上方水平放一平面镜, 且反光面对着地面, 处的人为了看到 M 后面距 M 较近的地方, A 他应该( ) A.将平面镜平行上移 B.将平面镜平行下移 C.将平面镜水平左移 D.将平面镜水平右移

答案:A 4.如图所示,在 xOy 平面内,人的眼睛位于坐标为(3,0)的点,一个平面镜镜面向下,
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左右两个端点的坐标分别为(-2,3)和(0,3)一个点光源 S 从原点出发,沿 x 轴负方向 匀速运动.它运动到哪个区域内时,人眼能从平面镜中看到 S 的像点,像做什么运动?( ) A.0~-7 区间,沿 x 轴正方向匀速运动 B.-3~一 7 区间,沿 x 轴负方向匀速运动 C.-3~-7 区间,沿 x 轴负方向加速运动 D.-3~- ? 区间,沿 x 轴正方向加速运动

答案:B 5.设大气层为均匀介质,当太阳光照射地球表面时,则有大气层与没有大气层时,太阳 光被盖地球的面积相比( ) A.前者较小 B.前者较大 C.一样大 D.无法判断 答案:B 6.大气中空气层的密度是随着高度的增加而减小的.从大气外射来一束阳光,如图所示 的四个图中,能粗略表示这束阳光射到地面的路径的是( )

答案:B 7.目前,一种用于摧毁人造卫星或空间站的激光武器已研制成功.如图所示,某空间站 位于地平线上方,现准备用一束激光射向该空间站,则应把激光器( ) A.沿视线对着空间站瞄高一些 B.沿视线对着空间站瞄低一些 C.沿视线对准空间站直接瞄准 D.条件不足,无法判别

答案:C 8.在没有月光的夜间,一个池面较大的水池底部中央有一盏灯(可看做光源) ,小鱼在水 中游动,小鸟在水面上方飞翔,设水中无杂质且水面平静,下面的说法中正确的是( ) A.小鱼向上方水面看去,看到水面到处都是亮的,但中部较暗 B.小鱼向上方水面看去,看到的是一个亮点,它的位置与鱼的位置无关 C.小鸟向下方水面看去,看到水面中部有一个圆形区域是亮的,周围是暗的 D.小鸟向下方水面看去,看到的是一个亮点,它的位置与鸟的位置有关 答案:BD 解析: 突破口在于镜面反射原理和折射定律 9.如图所示,一束圆锥体形的单色光在空气中传播,将会聚于 P,在到达 P 之前若先进 入水中,圆锥的轴垂直于水面,圆锥的顶角为 ? 。P 到水面的距离一定,则( ? 很小时,
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? ? sin ? ? tan ? ) ) ( ? 很大,锥体内的光线不能全部聚于一点 A.若 B.若 ? 很小,锥体内的光线不能全部聚于一点水面 C. ? 很大时,光线与轴的交点从 P 点开始至无限远 D. ? 很小时,光线与轴的交点无限靠近 P

答案:A 10. “不经历风雨怎么见彩虹” ,彩虹的产生原因是光的色散,如图所示为太阳光射到空气 中的小水珠发生色散形成彩虹的光路示意图,a、b 为两种折射出的单色光.以下说法正确的 是( ) A.a 光光子能量大于 b 光光子能量 B.在水珠中 a 光的传播速度大于 b 光的传播速度 C.用同一双缝干涉装置看到的 a 光干涉条纹间距比 b 光宽 D.如果 b 光能使某金属发生光电效应,则 a 光也一定能使该金属发生光电效应

答案:BC 11.在信息技术迅猛发展的今天,光盘是存储信息的一种重要媒介.光盘上的信息通常是 通过激光束来读取的.若激光束不是平直投射到光盘的盘面上,则光线在通过透明介质层时 会发生折射,从而改变行进的方向.因为光的频率越高,对介质的折射率越大,故红色与蓝 色激光的偏折程度不同,如图所示下列相关的说法正确的是( ) A.图中①是红光,②是蓝光 B.利用光电效应的原理,采用蓝色激光时,某光敏元件可将光信息转换成电信号,若电 路及元件无故障,则采用红色激光也一定行 C.激光光子比普通色光光子的能量要高 D.激光是一种能发生干涉与衍射的横波

答案:D 12.如图所示,真空中有一个半径为 R,质量分布均匀的玻璃球,频率为 f 的细激光束在 真空中沿直线 BC 传播,并于玻璃球表面的 C 点经折射进入小球,并在玻璃球表面的 D 点又 经折射进入真空中.已知 ?COD ? 120 ,玻璃球对该激光束的折射率为 3 ,则下列说法中正
?

确的是( ) A.激光束的入射角 ? ? 45
?

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B.一个光子在穿过玻璃球的过程中能量逐渐变小 C.此激光束在玻璃球中穿越的时间为 t ?

D.改变入射角 ? 的大小,细激光束可能在球的内表面发生全反射

3R (其中 c 为真空中的光速) c

解析:C 由折射率的关系 n ?

sin ? 3 ? ,可知:sin ? ? n sin r ? ,因此 ? ? 60 ,A 错; sin r 2 s ,其中 v

由于光的频率与光源有关,所以光的频率不变,光子的能量不变,B 错;根据 t ?

c 3R n ? , s ? 2 R cos 300 ? 3R ,因此 t ? ,C 对;只要光束能射入,则就不可能在球内发 v c
生全反射,D 错误。 13.如图所示,两束单色光 a、b 分别照射到玻璃三棱镜 AC 面上,穿过三棱镜后互相平 行,则( ) A.a 光频率高 B.b 光频率高 C.a 光穿过棱镜时间短 D.b 光穿过棱镜时间短

答案:BC 14.如图所示,P、Q 是两种透明材料做成的两块形状相同的直角梯形棱镜,登合在一起 组成一个长方体.某单色光自 P 的上表面斜射入,折射光线正好垂直通过两棱镜的界面,已 知材料的折射率 nP ? nQ .射到 P 的上表面的光线与 P 的上表面之间的夹角为 ? .下列说法正 确的是( ) A.光线有可能不从 Q 的下面射出 B.从 Q 的下表面射出的光线一定与入射到 P 的上表面的光线平行 C.如果光线从 Q 的下表面射出,出射光线与下表面的夹角一定大于 ? D.如果光线从 Q 的下表面射出,出射光线与下表面的夹角一定小于 ?

答案:AD 15.如图所示,一束复色可见光入射到置于空气中的平行玻璃砖 MNPQ 上,穿过玻璃后 从下表面射出 a、b 两束单色光,则下列说法正确的是( ) A.玻璃对 a 光的折射率较大
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B.b 光子的能量较大 C.a、b 两束单色光互相平行 D.若增大 MN 面上的入射角,a 光可能在 PQ 面上发生全反射

答案:BC 16. 两束单色光 A、 同时由空气射到某介质的界面 MN 上, B 由于折射而合成一复色光 C, 如图所示,下列说法正确的有( ) A.A 光光子的能量大于 B 光光子的能量 B.两种光照射同一种金属,B 光更容易使金属发生光电效应 C.在同一种介质中,A 光的折射率小于 B 光的折射率 D.用同样的装置做光的双缝干涉实验,A 光比 B 光得到的干涉条纹间距大

答案:AC

17.如图所示为一直角棱镜的横截面 ?bac ? 90 , ?abc ? 60 ,一平行细光束从 O 点沿
? ?

垂直于 bc 面的方向射入棱镜.已知棱镜材料的折射率 n = 的反射光,则有光线( ) A.从 ab 面射出 B.从 ac 面射出 C.从 bc 面射出,且 bc 面斜交 D.从 bc 面射出,且与 bc 面垂直

2 ,若不考虑原入射光在 bc 面上

答案:BD 18.如图所示,截面为 ABC 的玻璃直角三棱镜放置在空气中,宽度均为 d 的紫、红两束 光垂直照射三梭镜的一个直角边 AB,在三棱镜的另一侧放置一平行于 AB 边的光屏,屏的距 离远近可调,在屏上出现紫、红两条光带,可能是( ) A.紫色光带在上,红色光带在下,紫色光带较宽 B.紫色光带在下,红色光带在上,紫色光带较宽 C.红色光带在上,紫色光带在下,红色光带较宽 D.红色光带在下,紫色光带在上,红色光带较宽
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答案:CD 19.一块透明的光学材料,AB 为其一个端面,建立平面直角坐标系如图甲所示,设该光 学材料的折射率沿 y 轴正方向 (即 BA 方向) 均匀减小, 有一光线 PO 从空中以某一入射角 ? 射 向 O 点,并进入该材料内部,则该光线在光学材料内部可能的传播路径是图乙中的( )

答案: D 解析:光线由 O 点射入,折射光线应靠近法线,即 x 轴光线射入材料后,法线应与 y 轴平 行,入射角逐渐增大,当入射角大于临界角时,发生全反射,因此只有 D 正确. 20.如图,一个棱镜的顶角为 ? =41.30 ,一束白光以较大的入射角从棱镜的左侧面射入,
?

在光屏上形成从红到紫排列的彩色光带,各色光在棱镜中的折射率和临界角见表.当入射角 逐渐减小到 0 的过程中,彩色光带的变化情况是( )
?

A.紫光最先消失,最后只剩红光、橙光 B.紫光最先消失,最后只剩红光、橙光、黄光 C.红光最先消失,最后只剩紫光 D.红光最先消失,最后只剩紫光、蓝光

答案:A 21.如图所示,一根粗细均匀的半圆形玻璃棒,折射率为 1. 5,半径为 R,两端面 A、B 均为正方形,宽度为 d。令一束平行光垂直于端面 A 入射,要使入射光线全都从另一端面 B 射出,则 R 与 d 之比的最小值应为( ) A.2 B.1 C.3 D.1.5

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答案:A 22.如图甲所示,在一块平板玻璃上放置一平凸薄透镜,在两者之间形成厚度不均匀的空 气膜,让一束单一波长的光垂直入射到该装置上,结果在上方观察到如图乙所示的同心内疏 外密的圆环状干涉条纹,称为牛顿环,以下说法正确的是( ) A.干涉现象是由于凸透镜下表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的 B.干涉现象是由于凸透镜上表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的 C.干涉条纹不等间距是因为空气膜厚度不是均匀变化的 D.干涉条纹不等间距是因为空气膜厚度是均匀变化的

答案:C 23.用绿光做双缝干涉实验,在光屏上呈现出绿、暗相间的条纹,相邻两条绿条纹间的距 离为 ?x .下列说法中正确的有( ) A.如果增大单缝到双缝间的距离, ?x 将增大 B.若将像屏向右平移一小段距离,屏上仍有清晰的干涉条纹 C.如果增大双缝到光屏之间的距离, ?x 将增大 D.如果减小双缝的每条缝的宽度,而不改变双缝间的距离, ?x 将增大 答案:BC 24.高级光学仪器的光学镜片常镀有一层增透膜,以下说法中正确的是( ) A.增透膜的原理是利用光的干涉原理使透射光互相干涉而加强 B.增透膜虽然利用了薄膜干涉的原理,但并不会产生干涉条纹 C.增透膜的反射光中没有干涉条纹,可见没有发生光的干涉现象 D.有些地摊上或流动小贩的劣质望远镜为了提高身价,特意在镜片上镀一层“薄膜”而 显现出鲜明的金黄色,号称“镀膜镜片” ,这样的“膜”其实反而会有“减透”的恶果 答案:D 25.物理学家托马斯·杨最先验证了光的干涉现象,实验装置如图甲所示,M 为竖直(水 平)的线光源 a(b) 和 O 均为有狭缝的遮光屏、P 像屏,下列说法正确的是( ) ,N A.若 M 选 a(竖直线光源) 应选图乙中的 3,O 应选图甲中的 4,干涉图样为图乙 5 ,N B.若 M 选 a(竖直线光源) 应选图乙中的 1,O 应选 2,干涉图样为图乙 6 ,N C.若 M 选 b(水平线光源) 应选图乙中的 1,O 应选 2,干涉图样为图乙 6 ,N D.若 M 选 b(水平线光源) 应选图乙中的 3,O 应选 4,干涉图样为图乙 5 ,N

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答案:BD 26.将铁丝圈在肥皂水中蘸一下,让它挂上一层薄薄的液膜.液膜竖直放置时,由于重力 作用,上面薄,下面厚,且时间越长,下面越厚.在酒精灯的火焰上撤上一些食盐,用酒精 灯的黄光照射竖直放置的液膜,液膜反射的光使我们看到灯焰的像,可观察到像上有亮暗相 间的条纹,如图所示.则下列的说法中正确的是( ) A.像上有亮暗相间的条纹,这是光的波动性的表现 B.像上有亮暗相间的条纹,说明光反射后出现了偏振现象 C.像上亮暗相间的条纹是肥皂膜前后两表面反射的光叠加而形成的 D.用同一块竖直放置的液膜观察灯焰的像时,在一个不太长的时间段里,应该会看到像 上亮暗相间的条纹间隔逐渐变密

答案:ACD 27.两细束平行光 a、b 的间距为 ?x1 ,斜射到一块矩形玻璃砖的同一表面上.已知在玻璃 中的传播速度 va ? vb ,设经玻璃砖两次折射后的出射光线间距为 ?x2 ,则下列说法正确的是 ( ) A. ?x2 可能等于零 C. ?x2 不可能等于 ?x1 B. ?x2 不可能小于 ?x1 D. ?x2 不可能大于 ?x1

答案:A 28.关于电磁波,下列说法中正确的是( ) A.在真空中,频率高的电磁波速度较大 B.在真空中,电磁波的能量越大,传播速度越大 C.电磁波由真空进鹅介质,速度变小,频率不变 D.只要发射电路的电磁振荡停止,产生的电磁波立即消失 答案:C 29.如图,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?( ) 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:ABD 当光的振动方向与偏振光的方向平行时,透光最强;垂直时,无光透过;若 为某一角度时,有部分光透过。而太阳光是自然光,沿各个方向的振动都存在,因此 A、B、 D 选项正确。
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[点评]该题为识记题,考查了光的偏振。只要记住偏振现象即可解出。 、识记、易) (Ⅰ 命题思路:本题考查了光的偏振性,关键是弄清光的振动方向、传播方向和偏振片的透振 方向三者间的美系,此题较易. 30.下列说法正确的是( ) A.用三棱镜观察太阳光谱是利用光的干涉现象 B.在光导纤维束内传送图象是利用光的全反射现象 C.用标准平面检查光学平面的平整程度是利用光的偏振现象 D.电视机遥控器是利用发出紫外线脉冲信号来变换频道的 解析:B 三棱镜观察太阳光谱是光的折射现象,A 项不正确;利用光的干涉可以检测光 学平面的平整程度,C 项不正确;电视机遥控器利用红外线变换频道,D 项不正确。 [点评]此题是简单题,考查了光的性质及应用,涉及的知识都以记忆为主。 (I、识记、易) 命题思路:本题考查对光的干涉、光的衍射、光的全反射、光的偏振现象的理解及具体应 用,难度较小. 31.光的偏振现象说明光是横波,下列现象中不能反映光的偏振特性的是( ) A.一束自然光相继通过两个偏振片,以光束为轴旋转其中一个偏振片,透射光的强度发 生变化 B.一束自然光入射到两种介质的分界面上,当反射光与折射光线之间的夹角恰好是 90 时,反射光是偏振光 C.日落时分,拍摄水面下的景物,在照相机镜头前装上偏振光片可以使景象更清晰 D.通过手指间的缝隙观察日光灯,可以看到秋色条纹 解析:D 自然光经过偏振片或经过界面反射和折射后(反射光线与折射光线夹角为 90 ) 会形成偏振光。经指缝观察日光灯看到彩色条纹是光的衍射现象,D 不正确。 [点评]该题为识记题,主要考查了偏振光的产生和性质。 (I、识记、易) 命题思路:本题考查光的偏振知识和光的衍射现象等概念,属于较易题目. 32.2004 年“阜阳假奶粉”事件闹得沸沸扬扬,奶粉的碳水化合物(糖)的含量是一个重 要指标,可以用“旋光”来测量糖溶液的浓度,从而鉴定含糖量,偏振光通过糖的水溶液后, 偏振方向会相对于传播方向向左或向右旋转一个角度 ? ,称为“旋光度” ? 的值只与糖溶液 , 的浓度有关,将 ? 的测量值与标准值相比较,就能确定被测样品的含糖量.如图所示,S 是自 然光源,A、B 是偏振片,转动 B,使到达 O 处的光最强,然后将被测样品 P 置于 A、B 之间, 则下列说法中正确的是( ) A.到达 O 处光的强度会减弱 B.到达 O 处钓强度不会减弱 C.将偏振片 B 转过一个角度,使得 O 处强度再次最大,偏振片 B 转过的角度等于 ? D.将偏振片 A 转过一个角度,使得 O 处强度再次最大,偏振片 A 转过的角度等于 ?
? ?

答案:ACD 33.自从 1862 年麦克斯韦从理论上预言电磁波的存在、1888 年赫兹通过实验证实了电磁
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波的存在后,利用电磁波的技术雨后春笋般相继问世:无线电报、无线电广播、无线电导航、 无线电话、电视、雷达,以及遥控、遥感、卫星通讯、射电天文学??它们使整个世界面貌 发生了深刻的变化.下列有关的说法中正确的是( ) A.无线电波波速在任何情况下都等于真空中的光速 c B.微波在传播过程中遇到金属导体时,会在其中产生相应的感应电动势或感应电流 C.手机所用的微波在传播过程中比无线电广播所用的中波更容易绕过障碍物 D.在无线电通讯中,声音信号通常要通过检波加载在高频信号上后,才向外发射 答案:B 34.信息时代,我们的生活越来越离不开电磁波,下列叙述中,正确反映电磁场和电磁波 理论的是( ) A.电磁场是指有内在联系、相互依存的电场与磁场的统一体的总称 B.有电场就会产生磁场,有磁场就会产生电场 C.真空中电磁场总是以光速向四周传播,形成电磁波,它有自身的反射、折射、散射以 及干涉、衍射、偏振等现象 D.电磁场在空间的传播,靠的是电磁场的内在联系和相互依存,不依赖任何弹性介质 答案:ACD 35.下列说法正确的是() A.收音机的原理:通过改变接收机的频率选出需要的无线电信号,这是电谐振现象.把 接收到的信号进行调制、放大,通过扬声器还原为声音 B.电子束通过某一晶体窄缝时可能产生衍射图样 C.一切物体都在向外辐射红外线,物体温度越高,辐射红外线越强,波长越长 D.自然光是光振动沿各个方向均匀分布的光,偏振光是光振动沿着特定方向的光 答案:BD 36.如图所示是产生 X 射线的装置,叫做 X 射线管,图中的 K 是阴极,A 是阳极,通电 时,由阴极发出的电子,打在阳极上,从阳极上激发出 X 射线(也称 X 光) ,设其中光子能量 的最大值等于电子到达阳极时的动能,已知阴极与阳极之间电势差 U、普朗克常量 h、电子电 荷量 e 和光速 c,则(设电子初速为零) ) ( A.高压电源的 a 端为正极 B.高压电源的 a 端为负极

hc eU hc D.X 射线管发出的 X 光的最短波长为 eU
C.X 射线管发出的 X 光的最长波长为

答案:AD 37.两种单色光 a 和 b,a 光照射某金属时有光电子逸出,b 光照射该金属时没有光电子逸 出,则( ) A.在真空中,a 光的传播速度较大 B.在水中,a 光的波长较小 C.在真空中,b 光光子能量较大 D.在水中,b 光的折射率较小
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解析:BD 由于 a 光能使金属发生光电效应,故光子能量大,则频率高波长小,在水中 的折射率大。由 n ?

? c ?0 ? 可知 ? ? 0 ,由于 ?0 小 n 大,所以 ? 小,所 B、D 正确。 v ? n

[点评]该题是简单综合题,考查了光子的频率与能量和波长、折射率等物理量的关系。只 要基础知识掌握的较好,即可得出正确答案。(II、简单理解、中) 38.以下说法不正确的是( ) A.利用超声波的穿透能力很强,可以制成超声波探伤仪探查金属内部有无气泡或裂缝等 B.医学上用来检查人体的“B 超” ,是利用超声波的穿透能力很强来探查人体内部的各种 器官有无异常 C.多普勒效应是由于波源和观察者之间发生相对运动,使观察者感觉到频率发生变化的 现象 D.干涉、衍射是一切波都具有的特征 答案:B 39.某高层建筑物外墙大量使用的幕墙玻璃,在白天时外面的人看不清室内的物体,而室 内的人却能较清楚地看见外面的事物,其原因是( ) A.在玻璃的外表面涂有增透膜 B.在玻璃的外表面涂有高反射膜 C.在玻璃的外表面涂有大量吸收光的物质 D.在玻璃的外表面涂有不透光的彩色薄膜 答案:B 40.如图所示的 4 种明暗相间的条纹,分别是红光、蓝光各自通过同一个双缝干涉仪器形 成的干涉图样以及黄光、 紫光各自通过同一个单缝形成的衍射图样 (灰黑色部分表示亮纹) 则 . 在下面的四个图中从左往右排列,亮条纹的颜色依次是( ) A.红黄蓝紫 B.红紫蓝黄 C.蓝紫红黄 D.蓝黄红紫

答案:B 41.如图所示的 4 个图形中哪个是著名的泊松亮斑的衍射图样( )

答案:B 42.目前雷达发射的电磁波频率多在 200~1 000 MHz 的范围内.下列关于雷达和电磁波 说法正确的是( ) A.真空中上述雷达发射的电磁波的波长范围在 0.3 m 至 1.5 m 之间 B.电磁波是由恒定不变的电场或磁场产生的 C.测出从发射电磁波到接收反射波的时间间隔可以确定雷达和目标的距离 D.波长越短的电磁波,反射性能越强
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答案:ACD 43.频率为? 的光子,具有的能量为 h? 、动量为

h? .将这个光子打在处于静止状态的电 c

子上,光子将偏离原运动方向,这种现象称光子的散射.下列关于光子散射说法中正确的是 ( ) A.光子改变原来的运动方向,且传播速度变小 B.光子由于在与电子碰撞中获得能量,因而频率增大 C.由于受到电子碰撞,散射后的光子波长小于入射光子的波长 D.由于受到电子碰撞,散射后的光子频率小于入射光子的频率 答案:D 44.关于光电效应的规律,下列说法中不正确的是( ) A.当某种色光照射金属表面时,能产生光电效应,则入射光的频率越大,产生的光电子 的最大初动能越大 B.当某种色光照射金属表面时,能产生光电效应,则入射光的强度越大,产生的光电子 数越多 C.同一频率的光照射不同金属,如果都能产生光电效应,则逸出功大的金属产生的光电 子的最大初动能也越大 D.对于某金属,入射光波长必须小于某一极限波长,才能产生光电效应 答案:C 45.激光制冷原理,可以根据如图所示的能级图简单说明:激光射入到介质中,引起介质 离子(或原子、分子)从基态跃迁到激发态 n=11,一些处于激发态 n=11 的离子很快吸收声子 (热量)转移到激发态 n=12,离子从激发态 n=11 和 n=12 向基态跃迁辐射荧光,辐射光的能 量大于入射光的能量,上述过程重复下去实现对介质的冷却,下列说法正确的是( ) A.激光制冷原理可行,但违背了热力学第二定律,是不可能实现的 B.两种荧光从水中射向空气,一种荧光若刚好发生全反射,另一种荧光不一定发生全反 射 C.两种荧光分别做光的干涉实验,测得相邻暗条纹的宽度不相同 D.两种荧光分别照射同一金属都能产生光电效应,光电子的最大初动能相同

答案:BC 46.家用微波炉是一种利用微波的电磁能加热食物的新型炊具,微波的电磁作用,使食物 内的分子高频地运动而内外同时生热,迅速熟透,并能最大限度地保存食物中的维生素.下 列说法中正确的是( ) A.微波产生的微观机理是原子外层电子受到激发 B.微波的频率大于红外线的频率 C.相同功率的微波和光波,每秒钟微波发出的“光子”数少 D.实验中微波比光波更容易产生衍射现象 答案:D 二、填空题 1.如图所示,在等高且相距较远的甲、乙两地各有一套光学系统.甲处 A 为固定的激光 光源,它竖直向下发出一束又细又亮的激光.B 是正多面反射棱镜,这里只画出它相邻的三个 反射面,该棱镜可绕水平中心轴 O 顺时针高速旋转.C 是带观察屏的望远镜.当撤去 B 时,
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激光束恰好直接射入望远镜.乙处是安装在水平轴 O ? 上的两块互相垂直的平面镜组成的反射 系统,该系统也可绕 O ? 轴在竖直面内旋转.现调节甲、乙两地系统至某一静态时,激光束经 过图所示的一系列反射后恰好射入望远镜中,试回答下列问题: (1)由此可推导出正多面反射棱镜的面数为 。 (2)保持甲地的整个光学系统不动,让乙地反射系统整个绕 O ? 轴在纸面上缓缓旋转一个 不太大的角度,是否可以保证激光束在这一段时间内总能进入望远镜中?(旋转过程中两平 面镜保持相互垂直且激光在两平面镜中各有一次反射) . 答: (填“是”或“否")。 (3)若让甲地棱镜绕中心轴 O 旋转,其余部分不动.由于甲、乙两地相隔较远,且光是 以一定的速度在空气中传播的,故一般情况下望远镜中不能再看到激光光源的像.但是适当 调节转速,则可重新看到光源的像.若已知甲、乙两地间距离为 s,光速为 c,试求棱镜的最 小转速是 r/s。

答案: (1)8 (2)是 (3) n ?

c 16s

2.为了测定光在透明的有机玻璃中的传播速度,实验室中可提供的器材有:矩形有机玻 璃条(长约 40 cm) 、秒表、平行光光源、刻度尺、三角板、木板、白纸、大头针等.已知真 空中的光速是 c=3.00× 10 m/s. (1)请从上述器材中选出必需的器材来测量光速 (2)说明测量光速的方法和要测量的量,并给出计算光速的公式. .
8

答案: (1)选出的必需的器材有:矩形有机玻璃条、刻度尺、三角板、木板、白板、白纸 和大头针. (2)用插针法测得光通过有机玻璃条的光路,如图所示,在空气和有机玻璃的界面上, AO 是入射光线,OB 是折射光线,作出法线 ON,取 OA ? ? OB ? ,作 A?E 垂直于 ON, B?F 垂 直于 ON, 测出 A?E 和 B?F 。 折射率 n ?

sin i A?E c B?F ? ? , c。 则有机玻璃中的光速为 v ? sin r B?F v A?E

3.在用双缝干涉测光的波长的实验中,准备了下列仪器: A.白炽灯 B.双窄缝片 C.单窄缝片 D.滤光片 E.毛玻璃光屏 (1)把以上仪器安装在光具座上,自光源起合理的顺序是(填字母) (2)在某次实验中,用某种单色光通过双缝在光屏上得到明暗相间的干涉条纹,其中亮 纹 a、c 的位置利用测量头上的分划板确定,如图所示.其中表示 a 纹位置(图甲)的手轮读 数为 mm,c 纹位置(图乙)的手轮读数为 mm。 (3)已知双缝间的距离为 0.18 mm,双缝与屏的距离为 500 mm,则单色光的波长为
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选修 3-4 光学部分

μm 。.

答案: (1) A D C B E(2)1. 790;4.940(3)0.567 4. (1)如图所示,在一薄壁圆柱体玻璃烧杯中,盛上水或其他透明液体,中间竖直插入 一根细直铁丝,沿水平方向观看,会发现铁丝在液面处出现折断现象,这是光的折射现象形 成的.阅读上述材料,回答下列问题: ①若把铁丝插在 位置,无论沿水平方向从什么方向看,铁丝均无折断现象,②如图 所示的情景,与实际观察到的情况相符的是(其中 O 为圆心) 。

(2)利用上述现象,用毫米刻度尺、三角板、三根细直铁丝,可测液体折射率. 实验步骤是: ①如图所示,用刻度尺测量找出直径 AB,并把刻度尺在刻度线的边缘与 AB 重合后固定 并测出半径 R。 ②将一根细铁丝竖直固定于 B 处, 用三角板找出过圆心 O 的垂直 AB 的直线, 交杯缘于 C, 把一根细铁丝竖直固定于 C 点.③ .④ .⑤ .完成上面 的实验步骤,填在相应横线上.

(3)利用上面的测量值,推算出折射率 n 的表达式(要有推算过程) . 答案: (1)①圆心 O 处 ②BC (2)③把另一根铁丝紧靠直尺 AB 边移动,使其折射像与 C 处、B 处的铁丝三者重合。 ④测出铁丝距 B(或 A)的距离。⑤求出折射率。 (3)由上面实验步骤知 P? 是铁丝在 P 时的像,PC 为入射光线, i、r 为对应入射角和折 射角,如图所示,由折射定律得

n?

sin r OP BO R 2 ,又 sin r ? , sin i ? ? ? ? sin i BC 2 PC 2R

R ? PB R ? ( R ? PB)2
2



n?

2 R 2 ? ( R ? PB)2 。 R ? PB

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选修 3-4 光学部分

5.某同学设计了一个“测量金属细丝的直径”的实验:把一根待测金属细丝夹在两块平 板玻璃之间,使空气层形成劈尖(如图所示) . 如用单色光垂直照射,就得到等厚干涉条纹.某次测量结果为:单色光的波长 ? ? 589. 3 nm,金属丝与劈尖顶点间的距离 L=28.880 mm,30 条明纹间的距离为 4. 295 mm.(已知两束单 色光的光程差等于半波长的偶数倍时,干涉条纹为明条纹. )则:相邻两条明纹的间距 l= mm;金属丝直径的计算式 D= ,该金属丝的直径为 mm。 (结果保留四 位有效数字)

答案:0.148 1 mm; D ?

L? ,0. 057 46 mm 2l

三、计算题 1.登山运动员在登雪山时要注意防止紫外线的过度照射,尤其是眼睛更不能长时间被紫 外线照射,否则将会严重地损坏视力.有人想利用薄膜干涉的原理设计一种能大大减小紫外 线对眼睛的伤害的眼镜.他选用的薄膜材料的折射率为 n=1. 5,所要消除的紫外线的频率为 8.1 ?10 Hz,那么它设计的这种“增反膜”的厚度至少是多少?
14

解析:为了减少进入眼睛的紫外线,应该使入射光分别从该膜的前后两个表面反射形成的 光叠加后加强,因此光程差应该是波长的整数倍,因此膜的厚度至少是紫外线在膜中波长的

1 . 2
紫外线在真空中的波长是 ? ?
?7

c ? ? 3.7 ? 10?7 m,在膜中的波长是 ? ? ? ? 2.47 ? 10 ?7 m, v n

因此膜的厚度至少是 1.23 ?10 m。 2.如图所示,不透明的长方体挡板 ABCD 竖直放置在水平地面上,其中 AB 宽为 4 cm, AD 高为 10 cm.质量为 m 的物体(大小不计)从 M 点以 v0 沿 PM 连线方向向右运动,若物 体与地面间动摩擦因数 ? = 0.2, CM=10 cm。 挡板上方水平放置一大平面镜, 现要从 P 点 (PD=20 cm)通过平面镜观察物体经过时间 5s 内的全部情况,则平面镜离地面的最小高度是多少?

解析:如图所示,若平面镜离地面高 h 时,M 发出的光束过 B 点恰好反射到 P,根据平面 镜成像规律及几何知识有 所以 h ?

2h BC ? PM CM

PM ? BC ? 17 cm. 2 ? CM
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选修 3-4 光学部分

此时从 P 观察到的最远点 N 发出的光恰好经平面镜反射过 A 点到达 P。根据平面镜成像 规律及几何知识有

2h AD 2h ? PD ? ? 68 cm , PN ? PN PD AD

又因为物体运动时间为 0 ? v0 ? ?at , a ? ? g 所以 t ?

v0 v2 ? 0.5s, s ? 0 ? 0.25m ?g 2a

又因为 MN ? PN ? PM ? 34cm ? 35cm 所以最小高度应为 17 cm。

3.图中 M 是竖直放置的平面镜,镜离地面的距离可调节.甲、乙二人站在镜前,乙离镜 的距离为甲离镜的距离的 2 倍,如图所示.二人略错开,以便甲能看到乙的像.以 l 表示镜的 长度,h 表示乙的身高,为使甲能看到镜中乙的全身像,l 的最小值为多少?

解析:设甲离镜距离为 s,则乙离镜距离为 2s。 (1)根据平面镜成像的特点,像和物关于镜面对称,作乙经平面镜成的像 h? 。 (2)由甲的眼睛向乙的像两端作两条直线 OD、OC,直线 OD、OC 分别与镜子相交于 B、 A 两点,则线段 BA 就是镜子的最小长度,如图甲所示。 (3)完成光路图如图乙所示. (4)由几何关系知, ?OAB 与 ?OCD 相似,则

l s h? h ? ,l ? ? 。 h? 2s ? s 3 3

4.水池深为 h,一根长棍竖直地插入水底,棍露出水面部分长度为 L,现有与水平面夹角 为 60 的太阳光照射到水面上,已知水的折射率为 n,求棍在水底的影子的长度. 解析:依题意画出如图所示的示意图,且 AO 长为 L,因 ?AO?O ? 60 ,所以
? ?

BC ? O?O ? L tan 30? ?

3 L 3
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选修 3-4 光学部分

sin 30? 因为 ?n sin r
所以 sin r ?

sin 30? 1 h sin r sin r h ? , CD ? h tan r ? ?h ? n 2n cos r 1 ? sin 2 r 4n 2 ? 1

所以水底的影子长为 BD ? DC ? BC ?

3 h 。 L? 3 4n2 ? 1

5.如图,置于空气中的一不透明容器中盛满某种透明液体。容器底部靠近器壁处有一竖 直放置的 6.0cm 长的线光源。 靠近线光源一侧的液面上盖有一遮光板, 另一侧有一水平放置的 与液面等高的望远镜,用来观察线光源。开始时通过望远镜不能看到线光源的任何一部分。 将一光源沿容器底向望远镜一侧平移至某处时,通过望远镜刚好可能看到线光源底端。再将 线光源沿同一方向移动 8.0cm,刚好可以看到其顶端。求此液体的折射率 n。

解析:当线光源上某一点发出的光线射到未被遮光板遮住的液面上时,射到遮光边缘O的 那条光线的入射角最小。 若线光源底端在A点时,望远镜内刚好可以看到此光源底端,设过O点液面的法线为OO 1,则 ?AOO1 ? ? ①

其中 ? 为此液体到空气的全反射临界角。由折射定律有 sin a ?

1 n



同理,若线光源顶端在 B1 点时,通过望远镜刚好可以看到此光源顶端,则 ?BOB1 ? ? 。 设此时线光源底端位于B点。由图中几何关系可得 sin a ?

AB AB1



联立② 式得 n ? ③

AB ? BB1 AB

2

2



由题给条件可知 AB ? 8.0cm , BB1 ? 6.0cm ,代入③ 式得 n=1.3

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选修 3-4 光学部分

思路分析:当折射角等于 90 时的入射角等于临界角,画出光路图,根据函数关系和几何 关系即可求出折射率。 [点评]该题属中档题,考查振动、波动图象和光的折射问题。在分析折射现象时,要画出 光路图。利用几何关系和函数关系求解。(II、知识应用、中) 命题思路:本题主要考查的是光的折射和全反射,解决本题的关键在于依据题设条件,找 出相应的几何关系,依据折射定律计算即可. 6.某有线制导导弹发射时,在导弹发射基地和导弹间连一根细如蛛丝的特制光纤,它双 向传输信号,能达到有线制导作用.光纤由纤芯和包层组成,其剖面如图,其中纤芯材料的 折射率 n1 =2,包层折射率 n2 ? 3 ,光纤长度为 3 3 km.(已知当光从折射率为 n1 的介质射入 折射率为 n2 的介质时,入射角 ?1 、折射角 ?2 间满足关系: n1 sin ?1 ? n2 sin ?2 ) (1)试通过计算说明从光纤一端入射的光信号是否会通过包层“泄漏”出去, (2)若导弹飞行过程中,将有关参数转变为光信号,利用光纤发回发射基地经瞬间处理 后转化为指令光信号返回导弹,求信号往返需要的最长时间.

?

解析:如图所示,由题意在纤芯、和包层分界面上全反射临界角 C 满足

n1 sin C ? n2 sin90? ,得 C= 60?
当在端面上的入射角最大( im ? 90? )时,折射角 r 也最大,在纤芯与包层分界面上的入 射角 i ? 最小.在端面上 im ? 90? 时,由 n1 ?

sin 90? ,得 rm ? 30? sin rm

? 这时 imin ? 90? ? 30? ? 60? ? C ,所以,在所有情况中从端面入射到光纤中的信号都不会
从包层中“泄漏”出去.

(2)当在端面上入射角最大时所用的时间最长,这时光在纤芯中总路程为 s ?

2L ,光 cos rm

纤中光速 v ?

c 2Ln1 s 2 ? 3 3 ?103 ? 2 ,时间为 t ? ? ? s ? 8 ?10?5 s 。 8 ? n1 v c ? cos rm 3 ?10 ? cos30
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选修 3-4 光学部分

7.如图所示,一束截面为圆形(半径 R)的平行复色光垂直射向一玻璃半球的平面,经 折射后在屏幕 S 上形成一个圆形彩色亮区.已知玻璃半球的半径为 R,屏幕 S 至球心的距离 为 D(D>3R) ,不考虑光的干涉和衍射,试问: (1)在屏幕 S 上形成的圆形亮区的最外侧是什么颜色? (2)若玻璃半球对(1)中色光的折射率为 n,请你求出圆形亮区的最大半径.

解析: (1)紫色. (2)如图,紫光刚要发生全反射时的临界光线射在屏幕 S 上的点 E 到亮区中心 G 的距离 r 就是所求最关半径.设紫光临界角为 C,由全反射的知识得 sin C ?

1 , n

又 AB ? R sin C ?

R n2 ? 1 , OB ? R cos C ? R , n n

BF ? AB ? tan C ?
所以有 r ? GE ?

R n n2 ? 1

, GF ? D ? (OB ? BF ) ? D ?

GE GF ? n2 ? 1 AB FB ,

nR

GF ? AB ? D ? n 2 ? 1 ? nR 。 FB

8.如图所示,透明介质球的半径为 R,光线 DC 平行于直径 AB 射到介质球的 C 点,DC 与 AB 的距离 H=0.8R。 (1)试证明:DC 光线进入介质球后,第一次再到达介质球的界面时,在界面上不会发生 全反射。 (要求说明理由) (2)若 DC 光线进入介质球后,第二次再到达介质球的界面时,从球内折射出的光线与 入射光线平行,求介质的折射率.

解析: (1)如图(1)所示,DC 光线进入介质球内,发生折射,有

sin i ?n sin r

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选修 3-4 光学部分

折射角 r 一定小于介质的临界角,光线 CE 再到达球面时的入射角∠ OEC=r,小于临界角, 因此一定不发生全反射。 (2)光线第二次到达介质与空气的界面,入射角 i′=r,由折射定律可得折射角 r′=i。若折 射出的光线 PQ 与入射光线 DC 平行, 则∠ POA=∠ COA=i, 光线进入介质球的光路如图 DC (2) 所示,折射角 r=i/2,? sini=0.8,sinr=

5 =0.447? 5

折射率 n=

sin i 4 5 =1.79。? ? i 5 sin( ) 2

9.如图所示,光从长方体透明介质的上表面 AB 射入,射到侧面 AD 上(设 AD 边很长) , 讨论下列问题: (1)不管入射角多大,要使光均不能从 AD 面射出,则介质的折射率应满足什么条件? (2)当介质的折射率为 n 时,光可能从 AD 面射出,要使光真正从 AD 面射出,则必须 满足什么条件?

解析: (1)由折射定律得 sin ? ? cos r ? 1 ? sin r ? 1 ? (
2

sin i 2 ) n
1 ,求得 n ? 1 ? sin 2 i n

要使光不可能从 AD 面射出,不管 i 多大,必须始终满足 sin ? ? 因为 sin i 最大值为 1,所以 n ?

2
1 sin i 2 1 ,即 1 ? ( ) ? n n n

(2)要使光真正从 AD 面射出,必须满足 sin ? ? 求得 sin i ? n2 ?1 ,所以 i ? arcsin n2 ?1 。

10. 如图所示的圆柱形容器中盛满折射率 n=2 的某种透明液体, 容器底部安装一块平面镜, 容器直径 L=2H,在圆心正上方高度 h 处有一点光源 S,要使人从液体表面上任意位置处能够 观察到点光源 S 发出的光,h 应该满足什么条件?
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选修 3-4 光学部分

解析:点光源 S 通过平面镜所成像为 S ? ,如图所示,要使人从液体表面上任意位置处能 够观察到点光源 S 发出的光,即相当于像 S ? 发出的光,则入射角 i≤ i 0 , i 0 为全反射临界角, 有 sin i0 ?

1 1 ? , i0 ? 30 0 , n 2

tan i=(L/2)/(H+h) ≤tan i 0 ,L=2H, 得到 h≥( 3 -1)H, 正确结果是 H>h≥( 3 -1)H。

11.某脉冲激光器的耗电功率 P= 2 ?10 W,每秒钟输出 10 个光脉冲,每个脉冲持续时间
3

t ? 10?8 s,携带能量为 E=0.2 J,则每个光脉冲的功率是多大?该激光器把电能转化成激光能
的效率是多少?

E 0.2 ? ?8 W ? 2 ? 107 W t 10 10 E 10 ? 0.2 ? ? 0.1% 。 激光器把电能转化成激光能的效率为? ? P 2 ?103
解析:每个光脉冲的功率为 P ? 1 12.氢原子中质子不动,电子绕质子做匀速圆周运动的半径为 r,电子动量大小 mv 与半

h ,h 为普朗克常量.如果把电子换成 ? 子绕质子做匀速圆周运动,产 2? h 子带电量与电子相同、 质量约为电子的 210 倍,? 子动量大小与半径的乘积也等于 , ? 求 2? 子的轨道半径 r ? 。
径 r 的乘积 mvr 等于 解析:电荷绕核做圆周运动,向心力由库仑力提供,有

k

h Qq v2 ? m ,又 mvr ? , 2 2? r r
r h2 1 ,所以 r ? ? 。 ? 2 210 4? kQqm qm

解之得 r ?

13.太阳帆飞船是利用太阳光的压力进行太空飞行的航天器,由于太阳光具有连续不断、
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选修 3-4 光学部分

方向固定等特点,借助太阳帆为动力的航天器无须携带任何燃料.在太阳光光子的撞击下, 航天器的飞行速度会不断增加,并最终飞抵距地球非常遥远的天体.现有一艘质量为 663 ㎏ 的太阳帆飞船在太空中运行,其帆面与太阳光垂直.设帆能 100%地反射太阳光,帆的面积为 66300 m ,且单位面积上每秒接受太阳辐射能量为 E0 ? 1.35 ?103 W/ m ,已知太阳辐射能量
2 2

的绝大多数集中在波长为 2 ?10 m ? 1?10 m 波段,计算时可取其平均波长为 1.0 ?10 m, 且不计太阳光反射时频率的变化.普郎克常量 h ? 6.63 ?10 (1)每秒钟射到帆面的光子数为多少? (2)由于光子作用,飞船得到的加速度为多少? 解析: (1)每秒光照射到帆面上的能量 E ? E0 S ,光子的平均能量 e ? h? ,且? ? 秒射到帆面上的光子数 N ?
?34

?7

?5

?7

J ? s .求:

c

E S? E ? 4.5 ?1025 个。 ,联立得 N ? 0 e hc h (2)每个光子的动量 p ? ,光射到帆而被反弹,由动量定理 Ft ? 2 Ntp ,对飞船,由

?

,每

?

?4 2 牛顿第二定律 F ? ma ,联立得 a ? 9 ?10 m/s 。

10.(江苏省南京市 2008 届高三质量检测卷.物理.32)如图 14 所示,玻璃棱镜 ABCD 可以 看成是由 ADE、ABE、BCD 三个直角三棱镜组成。一束频率 5.3×1014Hz 的单色细光束从 AD 面入射,在棱镜中的折射光线如图中 ab 所示,ab 与 AD 面的夹角 ? ? 60? 。已知光在真空中 的速度 c=3×108m/s,玻璃的折射率 n=1.5,求: (1)这束入射光线的入射角多大? (2)光在棱镜中的波长是多大? (3)该束光线第一次从 CD 面出射时的折射角。 (结果可用三角函数表示) 10. 【解析】 (1)设光在 AD 面的入射角、折射角分别为 i、r r=30° 根据 n ?

sin i sin r

得 sin i ? n sin r ? 1.5 ? sin 30? ? 0.75, i ? arcsin0.75

c c 3 ? 108 (2)根据 n ? ,得v ? ? m / s ? 2 ? 108 m / s v n 1.5
根据 v ? ?f,得? ?

v 2 ? 108 ? m / s ? 3.77 ? 10?7 m 14 f 5.3 ? 10

(2 分)

(3)光路如图 31 所示 ab 光线在 AB 面的入射角为 45°

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选修 3-4 光学部分

设玻璃的临界解为 C,则 sin C ?

1 1 ? ? 0.67 n 1.5

sin45°>0.67,因此光线 ab 在 AB 面会发生全反射 光线在 CD 面的入射角 r′=r=30° 根据 n ? 图 31

sin i ,光线 CD 面的出射光线与法线的夹角 sin r sin ? i ? ? i ? arcsin 0.75 ?n? 3 由折射定律有: sin ?



又由几何关系有: ? ? 2?



解①②得

? ? 60o

光线 PC 离直线 AB 的距离 CD=Rsinα=10 3 cm(1 分) 则距离直线 AB 为 10 3 cm 的入射光线经折射后能到达 B 点.

v 2 ? 108 【答案】 f .75, i (2) sin i ? n sin r ? 1.5 ? sin 30????0,得???arcsin0.75 14 m / s ? 3.77 ? 10?7 m v (1) ? f 5.3 ? 10

o (3) ? ? 60

11. (山东省潍坊市 2008 年高三教学质量检测卷.理综.37) 如图 15 所示,一束截面为圆形 半径为 R 的平行单色光,垂直射向一玻璃半球的平面,经折射后在屏幕 S 上形成一个圆形亮 区,已知玻璃半球的半径为 R,屏幕 S 到球心的距离为 d(d>3R) ,不考虑光的干涉和衍射, 玻璃对该光的折射率为 n,求屏幕上被照亮区域的半径。 11. 【解析】光恰要发生全反射时的临界线射到屏幕 S 上的 E 点到亮区中心 O′的距离 r,就是所求最大半径, 设临界角为 C,如图所示

1 ????① n R 又 OF ? ????② cos C sin ? C

O?E ? (d ? OF ) cotC ????③
解得 r ? O?E ? d ? n 2 ? 1 ? nR ????④ 【答案】 r ? O?E ? d ? n 2 ? 1 ? nR

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