2026届高考物理光学原创模拟试题

高中物理光学原创模拟试题 一、选择题 1、（单选）光纤应力传感器是工业检测与智能设备中的核心传感部件，其工作原理基于光的全反射特性。某型号光纤的纤芯折射率n1=1.50，包层折射率n2=1.45，光在真空中的传播速度c=3×108m/s。当传感器受到外力拉伸时，纤芯折射率会略微减小（包层折射率保持不变），下列说法正确的是（ ） A. 该光纤中光发生全反射的临界角C满足sinC​​ B. 外力拉伸后，光纤的全反射临界角会变大 C. 光在该光纤纤芯中的传播速度v​ D. 若光从纤芯射向包层的入射角小于临界角，光会全部发生反射 参考答案：B 【解析】： （1）核心知识点：全反射条件、临界角公式、折射率与光速的关系 （2）选项分析： A 错误：全反射的临界角公式为光密介质sinC（光从光密介质射向光疏介质），本题中纤芯折射率n1>n2，纤芯为光密介质，故sinC，选项中公式颠倒。 B 正确：临界角公式为sinC，外力拉伸后n1减小，sinC增大，临界角C变大。 C 错误：光在介质中的传播速度公式为v，其中n为介质折射率，故光在纤芯中的速度应为v。 D 错误：当入射角小于临界角时，光会同时发生反射和折射，只有入射角大于等于临界角时才会发生全反射（无折射现象）。 【命题素材来源说明】: 情境源于工业智能传感技术中的光纤应力传感器，参考《光学工程基础》中光纤传输原理相关内容，结合高中物理全反射核心知识点进行原创设计，无直接借鉴现有试题。 2、（多选）某同学用红光（波长λ₁）和紫光（波长λ₂）分别照射同一双缝干涉装置，在光屏上形成干涉条纹。若将装置浸入折射率n=1.33的水中（光在真空中的传播速度为c），以下说法正确的是（ ） A. 红光在水中的传播速度变为，干涉条纹间距变大 B. 紫光在水中的波长变为，干涉条纹间距变小 C. 两种光的条纹间距变化量相同，且均比空气中的条纹更密集 D. 若仅增大双缝间距，两种光的条纹间距变化比例与空气中相同 【参考答案】：BD A选项错误：红光在水中传播速度v=正确，但条纹间距公式Δx=，λ₁>λ₂且n>1，水中波长λ₁'= 变小，间距Δx变小（而非变大）。 B选项正确：紫光在水中波长λ₂'=，条纹间距Δx=，因n>1，λ₂'减小且d不变，间距变小。 C选项错误：红光与紫光波长不同，，二者变化量条纹间距不相同；且水中条纹间距均比空气中小，即条纹更密集。 D选项错误：增大双缝间距d时，条纹间距Δx与d成反比，变化比例为=，与介质无关，故比例相同。 【命题素材来源说明】 （1）、情境设计：改编自高中物理教材中“双缝干涉实验”基础模型，结合光的折射定律与波长、波速关系，创设“水中干涉”新情境。 （2）、原始素材：人民教育出版社《物理·选择性必修第一册》第3章“光的干涉”（P53-55）双缝干涉条纹间距公式Δx=，以及光在介质中传播速度v=、波长λ'=的知识点。 （3）、创新点：将传统“空气中的干涉”拓展为“介质中的干涉”，需综合应用波长、波速与折射率的关系，考查学生对公式中物理量关联性的理解，难度系数0.60（区分对公式中λ是否为介质中波长的理解）。 3、在暗室中用氦氖激光器发出的红色激光照射金属挡板上的两条平行的狭缝图甲，在后面的屏上观察光的干涉情况图乙。下列说法正确的是（ ) A.用激光做干涉光源是因为激光的平行度高 B.屏远离光源移动少许，在屏上观察到的条纹间距变大 C.光屏旋转90°干涉条纹变成水平方向 D.此实验证明光是一种横波 【参考答案】 B [解析]A.用激光做干涉光源是因为激光的频率相同、相位差恒定、振动方向一致，故A错误 B.屏远离光源移动少许，由双缝干涉相邻亮条纹的间距和波长关系式 当变大在屏上观察到的相邻亮条纹间距变大，故B正确 C.干涉条纹方向与双缝平行，光屏旋转90°后条纹方向不变，故C错误 D.光的干涉现象说明光是一种波，光是一种横波是用偏振现现象证明的，故D错误 拓展题目：在暗室中用氦氖激光器发出的红色激光照射金属挡板上的两条平行的狭缝图甲，在后面的屏上观察光的干涉情况图乙。下列说法正确的是（ ) A.用激光做干涉光源是因为激光的平行度高 B.屏远离光源移动少许，在屏上观察到的条纹间距变大 C.光屏旋转90°干涉条纹变成水平方向 D.用蓝色滤光片挡住一条缝，观察到光屏上的条纹间距不变亮度变暗 【参考答案】 B [解析]A.用激光做干涉光源是因为激光的频率相同、相位差恒定、振动方向一致，故A错误 B.屏远离光源移动少许，由双缝干涉相邻亮条纹的间距和波长关系式 当变大在屏上观察到的相邻亮条纹间距变大，故B正确 C.干涉条纹方向与双缝平行，光屏旋转90°后条纹方向不变，故C错误 D.用蓝色滤光片挡住一条缝，由于红光不能通过蓝色滤光片（红光只能通过红色滤光片，蓝色滤光片只允许蓝光通过），红光只能通过另一条缝，观察到光屏上的条纹是单缝衍射图样中间宽而亮，两边窄。 4、（单选题）激光的普及使人对光的波动性有了更直观的认识，越来越多的复杂光现象正走进我们的生活。如图1是家用激光水平仪，该仪器具有一线光源S1可发射一束平行激光用于显示水平线，另外在线光源正中间镶嵌一点光源S2可发射一束辐射光线用于定位（简化结构如图2），两光源为相干光源。将水平仪正对远处的墙面，打开开关，便可在墙上观察到一系列明暗相间的条纹（如图3）。对该条纹进行分析，下列说法正确的是（ ）。 图1 图2 图3 A．相邻亮条纹间隔相等 B．其他条件不变，仅增加光源到墙面的距离，则条纹间距减小 C．其他条件不变，仅将光源由绿光变成红光，则条纹间距增大 D．在水平仪与墙面之间的区域不发生光的干涉 【参考答案】选C。在墙上观察到一系列明暗相间的条纹是干涉现象，根据亮条纹的形成条件可知，两光源到亮条纹Pn的光程差与相邻亮条纹Pn+1的光程差的差值为λ，如图可知， 相邻亮条纹间距为x=，即离中心越远，条纹间距越小，故A项错误；增加光源到墙面的距离，则相同位置θ减小，条纹间距增大，故B项错误；由绿光变成红光，波长增大，条纹间距增大，故C项正确；两束相干光交汇处都会发生干涉现象，故D项错误。 【素材来源】本文素材来源于作者生活，所有图片均为现场拍摄。本题目考查内容为“干涉条纹与波长之间的关系”，推导方法参考了课本选择性必修一《光的干涉》部分内容，由于此部分内容只要求定性分析，因此相对课本略有简化。课本内容如下图 5、（来源课本选择性必修一P113-4）光盘通过高密度轨道存储信息，其轨道密度是影响存储容量的关键因素。现代光盘利用激光进行信息读写，其理论最小轨道间距受限于激光的衍射极限，可近似用公式 估算，其中为激光在真空中的波长，为光学系统的数值孔径。已知某光盘驱动器所用激光波长为 405 nm（真空中），数值孔径= 0.85 ，据此可计算出衍射极限下的最小轨道间距。然而，实际光盘通过超分辨技术使轨道间距远小于该衍射极限值，实现了更高密度的存储。若某光盘 1 mm 宽度内可容纳约 6500 条轨道，则该光盘的实际轨道间距（　　） A. 约为 1.54 μm，大于衍射极限最小间距 B. 约为 1.54 μm，小于衍射极限最小间距 C. 约为 238 nm，等于衍射极限最小间距 D. 约为 154 nm，小于衍射极限最小间距 【参考答案】：D 解析:计算衍射极限最小间距： 计算实际轨道间距：1 mm = 106 nm，容纳 6500 条轨道，则 154 nm < 238 nm，因此实际间距小于衍射极限最小间距，符合题干“通过技术手段使轨道间距远小于该衍射极限值”的描述。故 D 正确。 二、计算题 6、（10 分）自动驾驶汽车的激光雷达系统通过发射脉冲激光测量障碍物距离，其工作过程可简化为以下模型：汽车前方 50m 处有一竖直玻璃幕墙，幕墙表面附着一层厚度d=2mm的均匀水膜（水的折射率）。激光从空气（折射率）垂直射向水膜，经水膜折射后进入玻璃（折射率），再经玻璃反射后沿原路返回激光雷达（忽略玻璃厚度、反射能量损失及光在玻璃中的传播时间）。已知激光波长λ=690nm（1nm=10−9m），光在真空中的速度c=3×108m/s，求： （1）激光在水膜中的传播速度v；（3 分） （2） 激光从发射到接收的总时间t；（4 分） （3）若该激光照射水膜表面时发生薄膜干涉（水膜上、下表面反射的光发生干涉），且光屏与水膜平行、距离水膜L=0.5m，求相邻两条亮纹的间距Δx。（3 分） 【参考答案】： （1）v=2.25×108m/s（2）t≈3.34×10−7s（3）Δx=6.47×10−5m 解析： （1）激光在水膜中的传播速度 核心公式：光在介质中的传播速度​（2 分） 代入数据：（1 分） （2）激光从发射到接收的总时间 传播路径分析：激光先从空气垂直射入水膜（传播距离d），经玻璃反射后再垂直射出水膜（传播距离d），最后从水膜到激光雷达（传播距离50m），总路径为s=2d+2×50m（2 分） 分段计算时间： 光在水膜中的传播时间​ 光在空气中的传播时间​（1 分） 总时间：s（1 分，忽略t1直接计算t2得 3.33×10⁻⁷s 也给分） （3）相邻亮纹的间距 薄膜干涉亮纹条件：水膜上、下表面反射的光路程差（k=0,1,2...）（1 分） 条纹间距公式：（1 分，推导依据双缝干涉条纹间距公式迁移，考虑薄膜干涉的路程差特点） 代入数据：（1 分） 【评分标准】： （1） 公式正确得 2 分，计算结果正确得 1 分； （2） 路径分析正确得 2 分，公式正确得 1 分，计算结果正确得 1 分； （3）干涉条件正确得 1 分，公式正确得 1 分，计算结果正确得 1 分；（单位错误每处扣 0.5 分，最多扣 1 分） 【命题素材来源说明】： 情境源于自动驾驶激光雷达技术的实际应用，参考《汽车工程》中激光测距原理及高中物理薄膜干涉实验，结合折射定律、匀速运动规律等知识点进行原创设计，无直接抄袭现有试题，改编思路为将现代科技场景与基础物理规律结合，考查知识应用能力。 7、（7分）如图所示，一透明等腰直角三棱镜ABC（∠A=90°，∠B=∠C=45°）的直角边AB与一半圆柱形玻璃砖的平面部分完全贴合，两者折射率分别为n₁和n₂（n₂>n₁），半圆柱的半径为R，圆心O为AB边中点。一束单色光与AC边成30°角，从空气入射到三棱镜AC边上的E点（E为AC边中点），光线在棱镜内射向AB边上的D点（D点到A点距离为 ），随后进入半圆柱玻璃砖。已知光在真空中的传播速度为c。 （1）求三棱镜的折射率n₁；(3分) （2）若光线在半圆柱玻璃砖的曲面上恰好发生全反射，求半圆柱玻璃砖的折射率n₂。（5分） 【参考答案与评分标准】 （1）n₁= ..................................................................................................（共3分） · 光线垂直AC边入射，在三棱镜内传播至D点。在△AED中，AE=,AD= ，故∠ADE=30°.....................................................................................（1分） · 由折射定律：n₁=，已知θ1=60°,θ₂=30°............................................................................（1分） · 解得：n₁=.......................................................................................（1分） （2）n₂=.................................................................................（共4分） · 光线在半圆柱曲面处发生全反射，入射角等于临界角C。如图，由几何关系，折射光线在AB面的折射角θ4=（ - 2C），θ3=60°........................................................................................（1分） · 由折射定律：n2= ，临界角公式：sinC= ......................（1分） · n2=.............................................................................（1分） · 解得：n2= n2’=（舍去） · 故半圆柱玻璃砖的折射率n₂为 ............................................（1分） 【命题素材来源说明】 （1）原始出处：基于高中物理《光的折射与全反射》章节基本规律，结合常见光学元件（三棱镜、半圆柱玻璃砖）的组合设计，无直接原题。 （2）原创思路：通过两种介质组合，以等腰直角三棱镜与半圆柱形玻璃砖的组合为载体，将折射定律、全反射临界角与几何关系、三角函数二倍角公式结合，考查综合分析能力。 8.（12分）春节将至到处充满着浓浓的节日氛围，空气里飘着糖炒栗子、烤红薯的香气，街上挂起的红灯笼，商场里循环的喜庆音乐，如图是商场里一种节日灯的截面图，两底边相互平行的圆心O半径为R的半圆，底边为2R顶角为30°的等腰三角形，同种材料做成的透明介质中间真空。一光束竖直从半圆弧面的A点射入，光路如同所示，A距圆弧底面的距离为，AB=BO，C恰好是三角形底边中点。 C O A B （1）求材料对该色光的折射率； （2）求光束从三角形的C点到射出时所用的时间t； 【参考答案】 （1）（2） [解析]（1）如图有几何关系得， （1分） 由 （2分） 解得 （1分） （2）光在三角形中的传播如图，由解得在D点发生全反射（1分） 在三角形MCD中，由正选定理 解得 （2分） 同理，解得（1分） ，（1分） 由（2分） 解得（1分） 9、（计算题）（8分）在一档综艺栏目中，中科院院士褚君浩展示了一款光学隐身衣（如图1）。该隐身衣由一系列竖直紧密排布的微小的透明三棱柱构成，每个小三棱柱的截面可简化为等腰直角三角形。其原理为：当观察者正对隐身对象时，由于折射现象，隐身对象外侧的背景光可以达到观察点，而隐身对象所发出的光却无法到达，从而达到隐身的效果（背景光和隐身对象所发出的光均可简化为垂直于隐身衣的平行光。如图2）。 （1）若使背景光可以穿过隐身衣，则隐身衣的折射率n应满足什么条件？ （2）若隐身衣的折射率n=,隐身对象身体的宽度L=80cm，则要观察到隐身现象，观察点距离隐身衣应至少为多少？（已知sin75°=0.97，cos75°=0.26） 图1 图2 【解析】 （1）根据临界角公式sinC=········1分 若背景光要穿过隐身衣，需满足入射角小于临界角，由几何知识得，光在介质中的入射角为θ2=45°········1分 ，所以sinθ2<sinC， 解得n<········1分 （2）根据折射定律，n=········1分 ，解得θ1=60°，所以折射光线与水平方向的夹角为： α=90°-θ1+θ2=75°········1分 由几何关系得观察点距离隐身衣应至少为：d=tanα········2分 解得：d=1.49m········1分 【素材来源】素材“背景单调条件下的隐身衣”来源与2024年4月6日中央电视台综合频道《开讲了》栏目，栏目中中国科学院院士褚君浩向观众展示了该“隐身衣”并作出了理论解释。 https://tv.cctv.com/2024/04/06/VIDENKxlolwQPDhgHZOwXrwL240406.shtml?spm=C52056131267.PosekSpq74e8.0.0 当时褚院士使用的是柱镜光栅，为方便学生理解和运算，本题中将其简化为棱镜光栅，该简化操作并不会改变隐身的原理。关于隐身的细节，作者也参考了网络上的一些其他文章。 https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI3MzE3OTI0Mw==&mid=2247572153&idx=1&sn=130726dd2d3bdb222ffd4254da754f12&chksm=eaf4ce02d5713038ab4cc38ae868c881fff2d8abd5cb7c941a46b4a6e553214bf1b58da61a67&scene=27 10、（9分）为了从坦克内部观察外部的目标，在坦克壁上开了一个孔。假定坦克壁厚 20 cm，孔的左右两边距离 12 cm，孔内安装一块折射率为 1.5的玻璃，厚度与坦克的壁厚相同（如图，俯视图）。若在小孔上方4cm处有一长度为3厘米平行玻璃面放置的矩形薄木板，薄木板左端在小孔右侧面的正上方位置。坦克内的人在什么区域内通过这块玻璃能看到完整的薄木板？(结果可带根号） 【参考答案】 解析：设坦克厚度为d,小孔宽度为l0,薄木板距坦克上方为h,薄木板长度为l 薄木板的左端可以在坦克内部各个位置被看到（2分） 设薄木板右端发射的光线从玻璃板右上边缘入射玻璃入射角为α，折射角为β，光线入射到玻璃底部距离右边缘为x的地方 （2分） （2分） （1分） 解得 （1分） 故从距离玻璃左侧至距离右边缘区域内都能看到完整的薄木板（1分） 【试题情景】：坦克构造中光学原理 【试题来源】：人教版物理选择性必修第一册，第四章第一节，课后第4题。 11、为了从坦克内部观察外部的目标，在坦 克壁上开了一个孔。假定坦克壁厚 20 cm，孔 的左右两边距离 12 cm，孔内安装一块折射率为 1.52 的玻璃，厚度与坦克的壁厚相同（图 4.1-7，俯视图）。坦克内的人通过这块玻璃能 看到的外界角度范围为多大？ 坦克外部 12 cm A 20 cm 坦克内部 图 4.1-7 【改编目的】：通过试题改编让学生能掌握有长度发光体利用两端点做临界进行问题分析的方法，培养学生解决实际问题的能力。 12、光学实验：（来源课本选择性必修一P115-5）1801年，托马斯·杨用双缝干涉实验研究了光波的性质.1834年，洛埃利用单面镜同样得到了杨氏干涉的结果(称洛埃镜实验).洛埃镜实验的基本装置如图所示，S为单色光源， M为一平面镜.S发出的光直接照在光屏上， 同时S发出的光还通过平面镜反射在光屏上.从平面镜反射的光相当于S在平面镜中的虚像发出的，这样就形成了两个一样的相干光源.某兴趣小组设计如图所示的洛埃镜实验，光源S到平面镜的垂直距离为a，到光屏的垂直距离为l，单色光波长为λ。 （1）相邻两条亮纹（或暗纹）中心间距的理论表达式Δx = ______。 （2）实际测量时，用如图4.4-2所示的测量头替代光屏。测量头由目镜、分划板、螺旋测微手轮构成。分划板中心刻线（十字叉丝）初始位置不与干涉条纹平行，如图4.4-2所示。测量时，应首先______，然后再进行测量。 （3）某次测量中，测得l= 1.200 m，a = 0.300 mm。旋转手轮，使分划板中心刻线依次对准第1条和第4条亮纹中心如图所示，手轮读数分别为3.250 mm和4.450 mm。已知分划板中心刻线与条纹夹角为θ，且cosθ = 0.8，则单色光波长λ = ______ nm（保留三位有效数字）。 （4）实验中发现平面镜M存在微小倾角α（α很小，tanα ≈ α），此时S的虚像S′相对于原位置发生了偏移。可以证明，此时条纹间距变为 Δx = ______（用l、a、λ、α表示）； 【参考答案】: （1） （2）旋转测量头（或旋转分划板），使中心刻线与条纹平行 （3）600 （4） 【解析】: （1） 由洛埃镜干涉原理，S与虚像S′构成等效双缝，间距d=2a，根据双缝干涉条纹间距公式 ，得 。 （2） 测量时，若分划板中心刻线与条纹不平行，则移动手轮时，中心刻线不会依次垂直对准各条纹中心，导致测量值并非真正的条纹间距。因此，应先旋转测量头（或分划板），使中心刻线与条纹平行。 （3） 手轮读数变化量为4.450 mm - 3.250 mm = 1.200 mm，此值为分划板中心刻线移过的距离。由于中心刻线与条纹存在夹角θ，实际条纹间距在移动方向上的投影为cosθ， 从第1条到第4条亮纹中心，共跨越3个条纹间距，因此，=0.400mm，则实际条纹间距 ，代入公式 得=600nm。 当平面镜有倾角θ时，虚像S′沿镜面法线方向偏移。可以证明，此时等效双缝间距变为 d′ = 2a cosα（或通过几何关系严格推导得出），因此条纹间距。 13、（来源课本选择性必修一P115-3）单镜头反光相机取景器中常用五棱镜使光线折转，其横截面如图1所示，ABCDE 为五棱镜的一个截面，AB⊥BC，AB 与 ED 平行，∠AED = 105°，∠BCD = 105°。一束单色光从空气垂直 AB 边射入棱镜，分别在 CD 和 EA 上发生反射，且两次反射的入射角相等，最后光线垂直 BC 边射出。已知该棱镜材料对该单色光的折射率为 n =。 （1） 求光线在 CD 和 EA 面上第一次反射时的入射角 α； （2） 若保持光线垂直 AB 入射，现微调其入射点位置，使光线在 EA 面上的入射点移至其中点 P（图中未标出）时，恰好在 CD 面上发生全反射，求此时光线在 AB 面上的入射点距 B 点的距离 x 与 AB 边长 L 的比值。 【参考答案解析】： （1）光路与几何关系分析 由题意，光线垂直 AB入射，折射角为0°，在棱镜内沿原方向传播至 CD 面。设该面上入射角为α，则由反射定律及“两次反射的入射角相等”可知，在 EA 面上的入射角也为 α。 光线最后垂直 BC 射出，由光路可逆及几何对称性可知，光线在棱镜内传播路径应对称于五边形的中心轴。 在截面 ABCDE 中，已知 ∠AED = 105°，∠BCD = 105°，且 AB∥ED，AB⊥BC，可推得： ∠BAE = 180°－105°= 75°， ∠ABC = 90°， 在四边形 ABCE 中，∠AEC = 360°－90°－75°－105° = 90°。 考察光线在 CD、EA 上反射的几何关系，由光线的走向与各边法线的关系可得： 4α=90° α=22.5° （2）入射点移动后的全反射分析 当光线垂直 AB 入射，且入射点移动后，在 EA 面上的入射点移至其中点 P 时，光线在 CD 面上恰好发生全反射。设此时光线在 AB 上的入射点为 Q，BQ = x。 ① 计算临界角 全反射临界角 C 满足 22.5° 在 CD 面上恰发生全反射，故该面上入射角 θ = C = 45°。 ② 几何关系推导 设 AB = L。由 P 为 EA 中点，及棱镜截面几何（可建立坐标系或利用角度关系计算），可推得光线在棱镜内的路径满足： 从 Q 垂直射入，到 CD 面的入射点位置与 x 相关，由反射定律及角度关系，可得关系式： 代入 α = 22.5°，得： 解得 学科网（北京）股份有限公司 $