高中物理单元测试——第四章光及其应用（较难版01）

高中物理单元测试 —— 第四章 光及其应用（较难版01）（原卷版） 学校:___________姓名：___________班级：___________考号：___________ 一、单选题 1．（本题4分）某同学在游泳时，发现射入池水的太阳光在池底形成美丽的彩色条纹，导致这种各色光分离的现象主要是由于光的（     ） A．干涉 B．衍射 C．折射 D．反射 2．（本题4分）如图，将偏振片和太阳镜的镜片平行共轴放置，让太阳光平行中心轴线照射偏振片，当绕中心轴旋转偏振片时观察到亮度发生明显变化。此现象说明（　　） A．光具有粒子性 B．该太阳镜镜片为偏振片 C．光是机械波 D．光通过偏振片前后频率发生变化 3．（本题4分）北宋沈括在《梦溪笔谈》中记载：“铜镜久置，表面常生玄色薄层，日光下视之，纹彩隐然若虹霓。”古人认为此现象是“油膜之气与日光相薄”所致。关于此现象，下列说法正确的是（　　） A．古人所述“油膜之气”实为光的全反射现象 B．纹彩成因与光在薄膜上下表面的反射叠加有关 C．此现象因光透过薄膜时发生色散，类似雨后彩虹 D．若薄膜厚度逐渐剥落，镜面纹彩颜色始终不变 4．（本题4分）关于光的干涉，下列说法正确的是（　　） A．在双缝干涉现象中，相邻两亮条纹和相邻两暗条纹的间距是不等的 B．在双缝干涉现象中，把入射光由波长较长的红光换成波长较短的紫光，相邻两个亮条纹间距将变宽 C．在双缝干涉现象中，将绿光换为红光，相邻两个亮条纹间距将变宽 D．在双缝干涉现象中，入射光为白光时得到的彩色条纹为内红外紫 5．（本题4分）如图所示为双缝干涉装置示意图，双缝到光屏的距离为l，双缝的中垂线与光屏交于O点。某种单色光照射到双缝上，观察到光屏上P点为第4级亮条纹的中心位置（图中黑色表示亮条纹）。现将光屏向右平移l，此时观察到光屏上P点为（　　） A．第8级亮条纹的中心位置 B．第5级亮条纹的中心位置 C．第2级亮条纹的中心位置 D．第1级亮条纹的中心位置 6．（本题4分）如图所示，有一截面为矩形的玻璃砖，一束光线从边上的点入射，改变入射角，折射光始终打在边，不考虑光在边上的反射。下列说法正确的是（    ） A．若，则在点无反射光 B．若，则在点无反射光 C．若，则从边射出的光线与入射光线平行 D．若增大，则从边射出的光线相对入射光线的侧移减小 7．（本题4分）如图所示是一光导纤维简化为一长直玻璃丝的示意图，玻璃丝足够长，为其端面，为使不管以多大入射角从端面射入的光都能从玻璃丝的另一端面射出，则玻璃丝的折射率n应满足（　　） A． B． C． D． 二、多选题 8．（本题6分）日晕是由于太阳光穿过云层中小冰晶时发生折射或反射形成的光学现象，如图所示为平面内一束太阳光射到正六边形冰晶截面的光路图，为其中的两种不同单色光。不考虑多次反射和折射，则（　　） A．冰晶对光的折射率小于对光的折射率 B．光的波长小于光的波长 C．射出冰晶时光和光都有可能发生全反射 D．光在冰晶中的传播速度小于光在冰晶中的传播速度 9．（本题6分）如图所示为红光、蓝光经过狭缝装置得到的三个图样，下列说法正确的是（    ） A．三个图均为衍射图样 B．三个图均为干涉图样 C．入射光的频率相同，狭缝越窄，中央亮纹的宽度越宽 D．狭缝宽度不变，入射光的波长越长，中央亮条纹越宽 10．（本题6分）如图所示，将一个半圆形线状光源水平放在水池水面下，通过支架（图中未画出）可以调节光源距离水面的深度H，随着H不同，人们在水面上会看到不同形状的发光区域。已知半圆形线光源的半径为R，水的折射率为，下列说法中正确的有（　　） A．当时，水面上的发光区域面积为 B．当时，水面上的发光区域类似“爱心”形状 C．当时，水面上的发光区域面积为 D．当时，水面上的发光区域为“半圆”形状 三、实验题 11．（本题6分）如图为双缝干涉的实验装置，双缝间距为，双缝到屏的距离为。用波长为的黄光照射，在屏上形成干涉条纹，则相邻两亮条纹中心间距的表达式为__________（用、、表示），代入数据可得_______。若其它条件不变，改用绿光照射，则相邻两亮条纹中心间距比黄光的_______（选填“大”或“小”）。 12．（本题9分）在“测玻璃的折射率”实验中： (1)如图1所示，用插针法测定玻璃砖折射率的实验中，下列说法正确的是（　　） A．若P1、P2间的距离较大，通过玻璃砖会看不到P1、P2的像 B．为减小测量误差，过P1、P2插点的直线与法线NN′的夹角应尽量小些 C．为减小作图误差，P3、P4间的距离应适当大些 (2)如果有宽度不同的平行玻璃砖可供选择，为了减小误差，应选用宽度___________（填“大”或“小”）的玻璃砖来测量。 (3)在该实验中，光线是由空气射入玻璃砖，根据测得的入射角和折射角的正弦值画出的图线如图2所示，从图线可知玻璃砖的折射率为___________。 (4)在用插针法测定玻璃砖折射率的实验中，甲、乙两位同学在纸上画出的界面aa′、bb′与玻璃砖位置的关系如图3所示，其中甲同学用的是矩形玻璃砖，乙同学用的是梯形玻璃砖，他们的其他操作均正确，且均以aa′、bb′为界面画光路图，则甲同学测得的折射率与真实值相比___________，乙同学测得的折射率与真实值相比___________。（均填“偏大”“偏小”或“不变”） 四、解答题 13．（本题10分）随着经济的发展，高层建筑林立，但因楼间距等受限造成了采光问题，在室内即便是白天也比较昏暗。巴西科学家莫泽利用塑料瓶和水设计了一种简易灯具，可以将太阳光导入室内，提供较强的照明效果。一位工程师参考莫泽灯原理设计了如下的装置，将太阳光导入室内。该装置由某种均匀透明材质制成，上下两端为半球体，半径为R，分别置于室外和室内；中间部分为圆柱体，高度为L＝6R，圆柱体侧边用特殊的反光膜包裹，安装在建筑材料中。在测试中发现，当太阳光与AB夹角θ＝30°时，照射到球面顶点的光经折射后恰好到达B点，求： (1)该材料的折射率； (2)已知光线在反光膜上每反射一次，能量就变为反射前的。求此时，A点入射的光线从室外到室内后，能量保留的比例η（不计光线在A点的能量损失，）。 14．（本题13分）如图，某三棱镜的横截面为等腰直角三角形ABC，BC长度为d，O为BC中点。在ABC所在平面内，光线PO垂直BC边入射，恰好在AB边界发生全反射，求： （1）三棱镜的折射率多大？ （2）已知光速为c，求光线在三棱镜中的传播时间是多少？ （3）保持光线PO入射点O不变，入射方向逐渐向CO方向偏转，求AB边有光线射出的区域宽度？ 15．（本题16分）为弄清水中气泡格外明亮的原因，某同学找到一个中空玻璃球模拟研究。玻璃球截面如图所示，球心为，外半径为。在横截面所在平面内，用一单色细光束从球面上点射入玻璃球。当入射角由缓慢增大到时，观察到光在玻璃球的内表面恰好发生了全反射；继续增大入射角，当入射角增至时，观察到折射光线恰与内圆相切，已知，，求 (1)内圆半径的值； (2)玻璃球对该单色光的折射率。 试卷第1页（共3页） 试卷第1页（共3页） 学科网（北京）股份有限公司 2 / 2 $ 高中物理单元测试 —— 第四章 光及其应用（较难版01）（解析版） 学校:___________姓名：___________班级：___________考号：___________ 一、单选题 1．（本题4分）某同学在游泳时，发现射入池水的太阳光在池底形成美丽的彩色条纹，导致这种各色光分离的现象主要是由于光的（     ） A．干涉 B．衍射 C．折射 D．反射 【答案】C 【详解】太阳光是复色光，包含各种频率的单色光。当太阳光从空气射入水中时，会发生折射现象。由于水对不同频率（颜色）的光的折射率不同，导致各种色光在水中的偏折程度不同，从而在池底形成彩色条纹，这种现象称为光的色散，其本质是光的折射。 故选C。 2．（本题4分）如图，将偏振片和太阳镜的镜片平行共轴放置，让太阳光平行中心轴线照射偏振片，当绕中心轴旋转偏振片时观察到亮度发生明显变化。此现象说明（　　） A．光具有粒子性 B．该太阳镜镜片为偏振片 C．光是机械波 D．光通过偏振片前后频率发生变化 【答案】B 【详解】AC．偏振是横波特有的现象，该现象证明了光的波动性，不能说明光具有粒子性，且光本质是电磁波，不是机械波，故AC错误； B．太阳光为自然光，包含各个方向的振动；若太阳镜镜片不是偏振片，旋转前方偏振片时，透过光的亮度不会发生明显变化；只有太阳镜镜片本身也是偏振片时，两个偏振片透振方向的夹角改变，透过光的强度会随之变化，因此会观察到明显亮度变化，故B正确； D．光的频率由光源决定，光通过偏振片后频率不发生改变，故D错误。 故选B。 3．（本题4分）北宋沈括在《梦溪笔谈》中记载：“铜镜久置，表面常生玄色薄层，日光下视之，纹彩隐然若虹霓。”古人认为此现象是“油膜之气与日光相薄”所致。关于此现象，下列说法正确的是（　　） A．古人所述“油膜之气”实为光的全反射现象 B．纹彩成因与光在薄膜上下表面的反射叠加有关 C．此现象因光透过薄膜时发生色散，类似雨后彩虹 D．若薄膜厚度逐渐剥落，镜面纹彩颜色始终不变 【答案】B 【详解】AC．“油膜之气”并非全反射，实为干涉现象，故AC错误； BD．薄膜上下表面反射的光因光程差发生干涉，特定波长的光加强，干涉条纹的颜色由薄膜厚度决定，若薄膜厚度变化，则干涉条纹的颜色会随之改变，故B正确，D错误。 故选B。 4．（本题4分）关于光的干涉，下列说法正确的是（　　） A．在双缝干涉现象中，相邻两亮条纹和相邻两暗条纹的间距是不等的 B．在双缝干涉现象中，把入射光由波长较长的红光换成波长较短的紫光，相邻两个亮条纹间距将变宽 C．在双缝干涉现象中，将绿光换为红光，相邻两个亮条纹间距将变宽 D．在双缝干涉现象中，入射光为白光时得到的彩色条纹为内红外紫 【答案】C 【详解】A．在双缝干涉现象中，相邻两亮条纹和相邻两暗条纹的间距是相等的，A错误； BC．在双缝干涉现象中，把入射光由波长较长的红光换成波长较短的紫光，由干涉条纹的间距公式可知，相邻两个亮条纹间距将变窄；将绿光换为红光，红光的波长比绿光的波长长，相邻两个亮条纹间距将变宽，B错误，C正确； D．在双缝干涉现象中，入射光为白光时得到不同间距的彩色条纹，红光的条纹最宽，紫光的条纹最窄，因此彩色条纹应为内紫外红，D错误。 故选C。 5．（本题4分）如图所示为双缝干涉装置示意图，双缝到光屏的距离为l，双缝的中垂线与光屏交于O点。某种单色光照射到双缝上，观察到光屏上P点为第4级亮条纹的中心位置（图中黑色表示亮条纹）。现将光屏向右平移l，此时观察到光屏上P点为（　　） A．第8级亮条纹的中心位置 B．第5级亮条纹的中心位置 C．第2级亮条纹的中心位置 D．第1级亮条纹的中心位置 【答案】C 【详解】根据双缝干涉条纹间距公式 现将光屏向右平移l，则 故此时观察到光屏上P点为第2级亮条纹的中心位置。 故选C。 6．（本题4分）如图所示，有一截面为矩形的玻璃砖，一束光线从边上的点入射，改变入射角，折射光始终打在边，不考虑光在边上的反射。下列说法正确的是（    ） A．若，则在点无反射光 B．若，则在点无反射光 C．若，则从边射出的光线与入射光线平行 D．若增大，则从边射出的光线相对入射光线的侧移减小 【答案】C 【详解】A．光射到两种介质的界面上时，总会发生反射，即使垂直入射时，在点也有反射光，故A错误； B．当时，光在点既发生反射也发生折射，所以在点有反射光，故B错误； C．光线通过平行玻璃砖，上表面的折射角等于下表面的入射角，根据折射定律可知，下表面的出射角等于上表面的入射角，所以从边射出的光线与入射光线平行，故C正确； D．若增大，折射角增大，光线在玻璃砖内的偏折程度变大，从边射出的光线相对入射光线的侧移增大，故D错误。 故选C。 7．（本题4分）如图所示是一光导纤维简化为一长直玻璃丝的示意图，玻璃丝足够长，为其端面，为使不管以多大入射角从端面射入的光都能从玻璃丝的另一端面射出，则玻璃丝的折射率n应满足（　　） A． B． C． D． 【答案】B 【详解】为使光能从玻璃丝的AB端面传播到另一端面，则光在光导纤维内发生全反射，光路图如图所示 根据折射定律有， 且有 联立解得 不管以多大入射角（）射入的光都能发生全反射，这意味着对于所有可能的θ值都必须成立。因此，我们需要取的最大值来确定n的最小值，即 故选B。 二、多选题 8．（本题6分）日晕是由于太阳光穿过云层中小冰晶时发生折射或反射形成的光学现象，如图所示为平面内一束太阳光射到正六边形冰晶截面的光路图，为其中的两种不同单色光。不考虑多次反射和折射，则（　　） A．冰晶对光的折射率小于对光的折射率 B．光的波长小于光的波长 C．射出冰晶时光和光都有可能发生全反射 D．光在冰晶中的传播速度小于光在冰晶中的传播速度 【答案】BD 【详解】A．由题图可知太阳光射入冰晶时，a光的偏折程度较大，可知冰晶对a光的折射率大于对b光的折射率，故A错误； B．由于冰晶对a光的折射率大于对b光的折射率，所以a光的频率较大，根据可知，a光的波长小于b光的波长，故B正确； C．由题图可知射出冰晶时a光的入射角等于射入时的折射角，可知a光射出冰晶时不可能发生全反射，故C错误； D．根据可知，光在冰晶中的传播速度小于光在冰晶中的传播速度，故D正确。 故选BD。 9．（本题6分）如图所示为红光、蓝光经过狭缝装置得到的三个图样，下列说法正确的是（    ） A．三个图均为衍射图样 B．三个图均为干涉图样 C．入射光的频率相同，狭缝越窄，中央亮纹的宽度越宽 D．狭缝宽度不变，入射光的波长越长，中央亮条纹越宽 【答案】ACD 【详解】AB．三个图均为衍射图样。故A正确；B错误； C．由前两个图样比较可知，入射光的频率相同，狭缝越窄，中央亮纹的宽度越宽。故C正确； D．红光的波长大于蓝光的波长，由第一个和第三个图样比较可知，狭缝宽度不变，入射光的波长越长，中央亮条纹越宽。故D正确。 故选ACD。 10．（本题6分）如图所示，将一个半圆形线状光源水平放在水池水面下，通过支架（图中未画出）可以调节光源距离水面的深度H，随着H不同，人们在水面上会看到不同形状的发光区域。已知半圆形线光源的半径为R，水的折射率为，下列说法中正确的有（　　） A．当时，水面上的发光区域面积为 B．当时，水面上的发光区域类似“爱心”形状 C．当时，水面上的发光区域面积为 D．当时，水面上的发光区域为“半圆”形状 【答案】AB 【详解】AC．取线光源上某一点作为点光源，点光源发出的光在水面上有光射出的水面形状为圆形，设此圆形的半径为，点光源发出的光线在水面恰好发生全反射的光路图如图所示 根据全反射可知，根据几何关系可得，解得 一个点发出的光在水面上能看到半径的圆，对于半圆形线光源在水面上的发光区域，可看作是圆的圆心沿半圆弧时圆扫过的面积，如图所示 当时，解得，根据几何关系，水面上的发光区域面积为 当时，解得，根据几何关系，水面上的发光区域面积为，故A正确，C错误； BD．当时，水面上的发光区域会呈现类似“月牙”形状；当时，水面上的发光区域会呈现类似“爱心”形状 当时，解得，水面上的发光区域类似“爱心”形状；当时，解得，水面上的发光区域会呈现类似“月牙”形状；故B正确，D错误。 故选AB。 三、实验题 11．（本题6分）如图为双缝干涉的实验装置，双缝间距为，双缝到屏的距离为。用波长为的黄光照射，在屏上形成干涉条纹，则相邻两亮条纹中心间距的表达式为__________（用、、表示），代入数据可得_______。若其它条件不变，改用绿光照射，则相邻两亮条纹中心间距比黄光的_______（选填“大”或“小”）。 【答案】 小 【详解】[1][2]根据题意可知，相邻两亮条纹中心间距的表达式为 代入数据可得 [3]若其它条件不变，改用绿光照射，波长变小，则相邻两亮条纹中心间距比黄光的小。 12．（本题9分）在“测玻璃的折射率”实验中： (1)如图1所示，用插针法测定玻璃砖折射率的实验中，下列说法正确的是（　　） A．若P1、P2间的距离较大，通过玻璃砖会看不到P1、P2的像 B．为减小测量误差，过P1、P2插点的直线与法线NN′的夹角应尽量小些 C．为减小作图误差，P3、P4间的距离应适当大些 (2)如果有宽度不同的平行玻璃砖可供选择，为了减小误差，应选用宽度___________（填“大”或“小”）的玻璃砖来测量。 (3)在该实验中，光线是由空气射入玻璃砖，根据测得的入射角和折射角的正弦值画出的图线如图2所示，从图线可知玻璃砖的折射率为___________。 (4)在用插针法测定玻璃砖折射率的实验中，甲、乙两位同学在纸上画出的界面aa′、bb′与玻璃砖位置的关系如图3所示，其中甲同学用的是矩形玻璃砖，乙同学用的是梯形玻璃砖，他们的其他操作均正确，且均以aa′、bb′为界面画光路图，则甲同学测得的折射率与真实值相比___________，乙同学测得的折射率与真实值相比___________。（均填“偏大”“偏小”或“不变”） 【答案】(1)C (2)大 (3)1.5 (4) 偏小 不变 【详解】（1）A．根据光路可逆性原理结合几何关系可知，P1、P2间的距离较大，通过玻璃砖也会看到P1、P2的像，故A错误； B．为减小误差，入射角应适当大一些，即过P1、P2插点的直线与法线的夹角应尽量大些，但也不能太大，故B错误； C．为了减小作图误差，P3、P4间的距离应适当取大些，故C正确。 故选C。 （2）为减小折射角的测量误差，应使折射光线适当长些，故如果有几块宽度不同的玻璃砖可供选择，为了减小误差，应选宽度大的玻璃砖来测量。 （3）根据折射定律可知，玻璃砖的折射率为 则图线斜率的倒数表示折射率，代入数据解得 （4）[1]甲同学测定折射率时，实验所得的折射光线为2，而实际的折射光线为1，如图所示 由图可知，实验所得的折射角偏大，由折射定律可知，甲同学测得的折射率与真实值相比偏小； [2]乙同学测折射率时，光路图如图所示 由图可知，乙同学测得的折射率与真实值一致，只要操作正确，测量的结果与玻璃砖的形状无关。 四、解答题 13．（本题10分）随着经济的发展，高层建筑林立，但因楼间距等受限造成了采光问题，在室内即便是白天也比较昏暗。巴西科学家莫泽利用塑料瓶和水设计了一种简易灯具，可以将太阳光导入室内，提供较强的照明效果。一位工程师参考莫泽灯原理设计了如下的装置，将太阳光导入室内。该装置由某种均匀透明材质制成，上下两端为半球体，半径为R，分别置于室外和室内；中间部分为圆柱体，高度为L＝6R，圆柱体侧边用特殊的反光膜包裹，安装在建筑材料中。在测试中发现，当太阳光与AB夹角θ＝30°时，照射到球面顶点的光经折射后恰好到达B点，求： (1)该材料的折射率； (2)已知光线在反光膜上每反射一次，能量就变为反射前的。求此时，A点入射的光线从室外到室内后，能量保留的比例η（不计光线在A点的能量损失，）。 【答案】(1) (2) 【详解】（1）由题意可知，光路图如图所示 由几何关系可知，入射角为 折射角为 根据折射定律有 （2）设在点的折射角为，根据折射定律有 解得 则有 每次反射光线与反射膜的交点下降距离为 又因为 即反射6次，则能量保留的比例为 14．（本题13分）如图，某三棱镜的横截面为等腰直角三角形ABC，BC长度为d，O为BC中点。在ABC所在平面内，光线PO垂直BC边入射，恰好在AB边界发生全反射，求： （1）三棱镜的折射率多大？ （2）已知光速为c，求光线在三棱镜中的传播时间是多少？ （3）保持光线PO入射点O不变，入射方向逐渐向CO方向偏转，求AB边有光线射出的区域宽度？ 【答案】（1）；（2）；（3） 【详解】（1）光线PO垂直BC边入射，恰好在AB边界发生全反射时，由几何关系可知临界角，所以 解得 （2）光线在三棱镜中的传播路径长度为 传播速度为 所以光线在三棱镜中的传播时间为 （3）光线PO垂直BC边入射时，进入棱镜后在AB边上的E点发生全反射。光线PO入射方向逐渐转向CO方向时，光线从棱镜的出射点由E点逐渐向B点移动。当光线几乎沿CO方向入射时，光线折射后沿OD方向，由折射定律有 解得 由几何关系得 光线射出的区域的宽度 15．（本题16分）为弄清水中气泡格外明亮的原因，某同学找到一个中空玻璃球模拟研究。玻璃球截面如图所示，球心为，外半径为。在横截面所在平面内，用一单色细光束从球面上点射入玻璃球。当入射角由缓慢增大到时，观察到光在玻璃球的内表面恰好发生了全反射；继续增大入射角，当入射角增至时，观察到折射光线恰与内圆相切，已知，，求 (1)内圆半径的值； (2)玻璃球对该单色光的折射率。 【答案】(1) (2)1.6 【详解】（1）根据题意作出光路图如图所示 点界面有 若该单色光在点恰好发生全反射，根据全反射条件可知 在中由正弦定理有 联立解得 （2）当折射光与内表面相切时，在点界面有 其中 结合上述结论 联立解得 试卷第1页（共3页） 试卷第1页（共3页） 学科网（北京）股份有限公司 2 / 2 $