2022-2023高二下学期物理人教版（2019）选择性必修一册 第四章 光 章末测试 （答案）考试试卷

第四章 光 章末测试
本试卷共4页，15小题，满分100分，考试用时75分钟。
一、单项选择题：本题共7小题，每小题4分，共28分。在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的。
1. 某地下工事壁距地面的厚度为，为了从工事内部更好地观察外界的目标，需在工事壁上开一个竖直的圆柱形孔，并在孔内嵌入折射率的玻璃砖，如图所示。要使工事内部人员观察到外界视野的最大张角为，则这个圆柱形孔的直径至少为( )
A.
B.
C.
D.
2. 单镜头反光相机简称单反相机，它用一块放置在镜头与感光部件之间的透明平面镜把来自镜头的图像投射到对焦屏上。对焦屏上的图像通过五棱镜的反射进入人眼中。如图为单反照相机取景器的示意图，为五棱镜的一个截面，。光线垂直射入，分别在和上发生反射，且两次反射的入射角相等，最后光线垂直射出。若两次反射都为全反射，则该五棱镜折射率的最小值是( )
A.
B.
C.
D.
3. 中国古人对许多自然现象有深刻认识，唐人张志和在玄真子。涛之灵中写道：“雨色映日而为虹”，从物理学的角度看，虹时太阳光经过雨滴的两次折射和一次反射形成的，下图是彩虹成因的简化示意图，其中是两种不同频率的单色光，则两光（ ）
A. 在同种玻璃种传播，光的传播速度一定大于光
B. 以相同角度斜射到同一玻璃板透过平行表面后，光侧移量大
C. 分别照射同一光电管，若光能引起光电效应，光一定也能
D. 以相同的入射角从水中射入空气，在空气张只能看到一种光时，一定是光
4. 图为“水流导光”，实验装置．长直开口透明塑料瓶内装有适量清水，在其底侧开一小孔，水从小孔流出形成弯曲不散开的水流，用细激光束透过塑料瓶水平射向该小孔，观察到激光束没有完全被限制在水流内传播，下列操作有助于激光束完全被限制在水流内传播的是( )
A. 增大该激光的强度
B. 向瓶内再加适量清水
C. 改用频率更低的激光
D. 改用折射率更小的液体
5. 如图，光导纤维由内芯和外套两部分组成，内芯折射率比外套的大，光在光导纤维中传播时，光在内芯和外套的界面上发生全反射。假设外套为空气，一束红光由光导纤维的一端射入内芯，红光在内芯与空气的界面上恰好发生全反射，经时间从另一端射出；另让一束绿光也从光导纤维的一端射入，绿光在内芯与空气的界面上也恰好发生全反射，经时间，从另一端射出。下列说法正确的是( )
A. 内芯对红光的折射率与对绿光的折射率之比为
B. 内芯对红光的折射率与对绿光的折射率之比为
C. 红光在内芯中的传播速度与绿光在内芯中的传播速度之比为
D. 红光在内芯中的传播速度与绿光在内芯中的传播速度之比为
6. 下列说法中正确的是( )
A. 分别用蓝光和红光在同一装置上做双缝干涉实验，蓝光的条纹间距宽
B. 光纤通信利用了全反射的原理
C. 肥皂泡呈现彩色条纹是由光的折射现象造成的
D. 动车组高速行驶时，在地面上测得车厢的长明显变短
7. 年，科学家利用激光干涉方法探测到由于引力波引起的干涉条纹的变化，这是引力波存在的直接证据．关于激光，下列说法中正确的是( )
A. 激光是自然界中某种物质直接发光产生的，不是偏振光
B. 激光相干性好，任何两束激光都能发生干涉
C. 用激光照射不透明挡板上小圆孔时，光屏上能观测到等间距的光环
D. 激光全息照片是利用光的干涉记录下物体三维图象的信息
二、多项选择题：本题共3小题，每小题6分，共18分。在每小题给出的四个选项中，有多项符合题目要求。全部选对的得6分，选对但不全的得3分，有选错的得0分。
8. 下列说法中正确的是( )
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像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红外线脉冲信号来变换频道的
9. 一般认为激光器发出的是频率为的“单色光”，实际上它的频率并不是真正单一的，激光频率是它的中心频率，它所包含的频率范围是（也称频率宽度），其中和分别记为“上限频率”和“下限频率”如图所示，某红宝石激光器发出的激光（其“上限频率”和“下限频率”对应的分别记为光和光）由空气斜射到平行液膜的上表面，射入时与液膜上表面成角则下列说法正确的是( )
A. 逐渐减小角，光在液膜下表面先发生全反射
B. 光从下表面射出时与入射光线间偏移的距离较大
C. 光更容易发生明显的衍射现象
D. 用相同装置做“双缝干涉”实验时，光产生的干涉条纹间距较小
10. 水面下深处有一点光源，发出两种不同颜色的光和，光在水面上形成了如图所示的一个有光线射出的圆形区域，该区域的中间为由、两种单色光所构成的复色光圆形区域，周围为光构成的圆环。若光的折射率为，下列说法正确的是( )
A. 在水中，光的波长比光小
B. 水对光的折射率比光小
C. 在水中，光的传播速度比光大
D. 复色光圆形区域的面积为
三、实验题：本题共2小题，每空2分，共14分。
11. 在“用双缝干涉测光的波长”实验中（实验装置如图）：
下列说法哪一个是错误的 填选项前的字母）
A.调节光源高度使光束沿遮光筒轴线照在屏中心时，应放上单缝和双缝．
B.测量某条干涉亮纹位置时，应使测微目镜分划板中心刻线与该亮纹的中心对齐
C.为了减小测量误差，可用测微目镜测出条亮纹中心间的距离，求出相邻两条亮纹间距
将测量头的分划板中心刻线与某亮条纹的中心对齐，将该亮条纹定为第条亮条纹，此时手轮上的示数如图甲所示然后同方向转动测量头，使分划板中心刻线与第条亮条纹中心对齐，此时手轮上的示数如图乙所示，则图乙读数为 ，求得这种色光的波长 已知双缝间距，双缝到屏间的距离
12. 在双缝干涉测光的波长实验中：
先用黄光滤光片，后换用红光滤光片，则先后看到的图样是 、
若双缝间距为，屏与双缝间的距离为，单色光波长，则双缝到第一条暗条纹的路程差是
若用某单色光照射，双缝间距为，双缝到屏的距离为，今测得屏上第条亮纹到第第亮条纹之间距离为，则单色光波长为
四、计算题：本题共3小题，13题12分，14题14分，15题14分，共40分。
13. 一赛艇停在平静的水面上，赛艇前端有一标记离水面的高度为，尾部下端略高于水面；赛艇正前方离赛艇前端处有一浮标，示意如图所示．一潜水员在浮标前方处下潜到深度为时，看到标记刚好被浮标挡住，此处看不到船尾端；继续下潜，恰好能看见求：
水的折射率；
塞艇的长度可用根式表示）
14. 如图所示，直角三角形是一玻璃砖的横截面，。一束单色光从边上的点射入玻璃砖，入射角为，，折射光恰好射到玻璃砖边的中点，已知光在真空中的传播速度为．
求：(1)玻璃砖的折射率；
(2)该光束从边上的点射入玻璃砖到第一次射出玻璃砖所需的时间．
15. 如图所示某种透明材料制成的光学元件，该元件是一个中间圆柱形中空的立方体，其某一横截面如图所示，其中，中空圆形半径为，一束单色光（纸面内）从外正方柱面上的点由空气中射入，入射角度为，光束经折射后恰好与内球面相切于点。已知此材料对该单色光的折射率为，真空中的光速为。求
入射光的入射角度以及该单色光从到经历的时间；
如果改变入射光的入射角度，恰好在内球面上发生全反射，则入射角为多少度
答案解析
【答案】
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
8. 9. 10.
11. ；；
12. ；；；
13. 解：设过点光线，恰好被浮子挡住时，入射角、折射角分别为、，则：
则水的折射率为
由联立，代入数据解得：
潜水员和点连线与竖直方向的夹角刚好为临界角，则：
则得
又由几何知识解得：
由得：
14. 解：(1)作出光路图，如图所示
过点的法线是三角形的中位线，由几何关系可知为等腰三角形，
由几何知识可知光在边折射时折射角为，
所以玻璃砖的折射率为
(2)设临界角为，有，可解得
由光路图及几何知识可判断，光在边上的入射角为，大于临界角，则光在边上发生全反射
光在边的入射角为，小于临界角，所以光从第一次射出玻璃砖
根据几何知识可知
则光束从边射入玻璃砖到第一次射出玻璃砖所需要的时间为
而，可解得：
15. 解：光经过立方体表面折射后到达内圆面上的点，由题意可知，入射角为，折射角为，由折射定律有
代入数据解得
根据几何关系可得
根据
解得
所以从到的时间
如图
光束以入射角由点进入光学元件内折射到内圆面点，如果点发生全反射，则光束在球面上的入射角
等于临界角，则有
代入数据得，
由正弦定理有
代入数据可得
由折射率
解得
解得
【解析】
1. 【分析】
本题考查了光的折射，对于光学问题关键是能够正确做出光路图，根据几何关系结合折射定律求解。
根据折射定律计算折射角，再由几何关系表示折射角，进而可以确定直径。
【解答】
根据折射定律，由题意可知，，根据几何知识可知，可得，即圆柱形孔的直径至少，故A正确，BCD错误。
故选A。
2. 【分析】
根据几何关系求出入射角，通过折射定律求出五棱镜折射率的最小值。
本题主要考查光的折射定律及折射率。
【解答】
根据题意画出光路图如图所示：
，
设入射到面上的入射角为，因为在和上发生全反射，且两次反射的入射角相等。
根据几何关系有：，解得：，
根据解得最小折射率，故A正确，
故选A。
3. 【分析】
由图看出第一次折射时，光折射角较大，其折射率较小，频率较小，波长较长．由公式得到，光在玻璃中的传播速度较大；结合发生光电效应的条件分析；折射率较小，则临界角大，不容易发生全反射。
该题结合光的折射考查折射率、折射率与光的频率、速度的关系以及光电效应的条件等知识点的内容，关键之处是画出光路图，分析第一次折射时折射角的关系，要注意运用反射的对称性作图。
【解答】
画出光路图，分析可知，第一次折射时，光的折射角较大，而入射角相等，根据折射率公式得知，光的折射率较小，频率较小，波长较长。再由，可知，折射率越小，则波长越长。
A.由公式得知，光的折射率较小，在同种玻璃中传播，光的传播速度一定小于光，故A错误；
B.光的折射率较小，以相同角度斜射到同一玻璃板透过平行表面后，光的折射角较大，所以光侧移量小，故B错误；
C.光的折射率较小，频率较小，分别照射同一光电管，若光能引起光电效应，光也一定能，故C正确；
D.光的折射率较小，则临界角大，不容易发生全反射，所以以相同的入射角从水中射入空气，在空气中只能看到一种光时，一定是光，故D错误。
故选C。
4. 【分析】
根据光的全反射原理，让光完全限制在水束中，改变频率或改变光的强度均不能实现，只有从全反射条件的角度入手考虑，从而即可求解．
考查光的全反射现象的应用，注意光的全反射现象的条件，并掌握折射率与临界角的关系是解题的关键
【解答】
A、增大该激光的强度，激光的临界角不变，现象不会改变，故 A错误
B、当向瓶内加一些清水，则从孔中射出的水流速度会变大，水流轨迹会变得平直，激光在水和空气界面处的入射角会变大，则会有大部分光会在界面处发生全反射，这种现象相当于光导纤维的导光现象，故 B正确；
C、水从小孔流出形成弯曲的水束，激光没有完全被限制在水束内，是因为光从水射向空气的入射角小于临界角，出现折射现象，当换用频率更低的激光，临界角变大，更不容易发生全反射，将有更多激光不能被限制在水流内传播，故 C错误
D、水从小孔流出形成弯曲的水束，激光没有完全被限制在水束内，是因为光从水射向空气的入射角小于临界角，出现折射现象，改用折射率更小的液体时，临界角变大，更不容易发生全反射，将有更多激光不能被限制在水流内传播，故 D错误
故选：。
5. 【分析】
根据光发生全反射以及折射率与光速的关系联立分析可得结果，难度一般。
【解答】
设光导纤维长为，对红光而言
红光通过光导纤维路程
红光的光速为
因此所用时间
整理得
同理绿光通过光导纤维所用时间
因此
故A正确，B错误；
红光在内芯中的传播速度与绿光在内芯中的传播速度之比
故CD错误；
故选 A。
6. 【分析】
条纹间距与波长成正比，光导纤维利用了光的全反射原理；肥皂泡呈现彩色是光在前后膜的反射光叠加产生的干涉形成的；速度接近光速时，沿着速度方向长度明显变短．
本题考查了干涉和全反射的知识，会对生活中的现象用物理知识去解释．在学习的过程中多加积累即可做好这一类的题目．
【解答】
解：、双缝干涉实验中条纹间距与波长成正比，由于红色光的波长比蓝色光的波长大，所以相邻红光干涉条纹间距大于相邻蓝光干涉条纹间距，故A错误；
B、光纤通信利用了全反射的原理，故B正确；
C、肥皂泡呈现彩色是光在前后膜的反射光叠加产生的干涉形成的，故C错误；
D、根据狭义相对论可知，当列车的速度接近光速时，沿着速度方向长度才明显变短。故D错误；
故选：。
7. 【分析】
激光相干性好、平行度好、亮度高；激光全息照片是利用光的干涉记录下强度、频率和相位．
本题考查了激光的特性，要明确干涉条件是两列光波的频率相等，基础题目．
【解答】
A、激光是人造光，也是偏振光，故A错误；
B、激光相干性好，只有频率相同的两束激光才会发生干涉，故B错误；
C、用激光照射不透明挡板上小圆孔时，光屏上能观测到衍射条纹，间距不等，故C错误；
D、激光全息照片是利用光的干涉记录下物体三维图象的信息，故D正确；
故选：．
8. 【分析】
三棱镜观察太阳光谱是利用光的折射色散现象；在光导纤维束内传送图象是利用光的全反射现象；检查光学平面的平整程度是利用光的干涉现象；遥控器是利用发出红外线脉冲信号；从而即可分析求解。
本题考查了光的全反射、干涉与衍射原理及其区别与联系，注意光的偏振的意义，同时理解干涉色散与折射色散的不同。
【解答】
A.三棱镜观察太阳光谱，是利用光的折射率不同，出现光的折射色散现象，故A错误；
B.在光导纤维束内传送图象是利用光的全反射现象，故B正确；
C.用标准平面检查光学平面的平整程度，是利用光的空气薄层的反射面，得到频率相同的光，进行相互叠加，利用光的干涉现象，故C错误；
D.遥控器是利用发出红外线，波长较长，容易发生衍射，故D正确。
故选BD。
9. 【分析】
频率越大，介质对这种色光的折射率越大，通过平行液膜后侧移越大；根据光路可逆性分析光线能否在液膜下表面发生全反射；波长越大，波动性越强，越容易发生衍射现象；干涉条纹的间距与波长成正比。
本题可用假设法，由折射率不同，从而假设是紫光，是红光，则可根据红光与紫光的特性来确定出正确答案。
【解答】
A.由于平行液膜的上表面与下表面平行，光在上表面的折射角等于下表面的入射角，根据光路的可逆性得知，两种光都不可能在液膜下表面发生全反射，故A错误；
B.由题知，光的频率大于光的频率，液膜对光的折射率大于对光的折射率，则光通过平行液膜后偏移的距离较大，故B正确；
C.由波速公式得知，光的波长大于光的波长，光的波动性较强，更容易发生明显的衍射现象，故C正确；
D.干涉条纹的间距与波长成正比，所以相同装置做双缝干涉实验，光产生的干涉条纹间距较大，故D错误。
故选BC。
10. 解：、光在水面上形成的圆形亮斑面积较大，知光的临界角较大，根据，知光的折射率较小，再由，可知，在水中，光的波长比光大，光的传播速度比光大，故A错误，BC正确；
D、依据，结合几何关系，可知，，而复色光圆形区域的面积为，故D正确。
故选：。
在水面上被照亮的圆形区域边缘光线恰好发生全反射，入射角等于临界角通过照亮的圆形区域，知道光照射的面积较大，从而比较出两束光的临界角大小，折射率大小，以及波长大小。根据比较出光在水中传播的速度大小，运用面积公式，结合几何知识，即可求解圆形区域的面积大小，根据波长关系分析双缝干涉条纹间距的大小。
解决本题的关键是知道光线圆形区域边缘恰好发生全反射，从临界角入手，比较出折射率的大小，从而得出波长、介质中的速度大小关系。
11. 【分析】
在“用双缝干涉测光的波长”的实验中，让光源通过滤光片获得单色光，让单色光通过单缝，获得线光源，让单色的线光源通过双缝在光屏上产生干涉条纹．螺旋测微器的读数等于固定刻度读数加上可动刻度读数，需估读．根据双缝干涉的条纹宽度的公式：计算出该单色光的波长．本题第一小题关键会用螺旋测微器读数并且明确“用双缝干涉测光的波长”的实验中的操作步骤与注意事项，第二小题要会使用双缝干涉的条纹宽度的公式；同时还要明确实验原理，了解构造及作用，能对故障进行分析和纠正．
【解答】
解：、调节光源高度使光束沿遮光筒轴线照在屏中心时，不需放单缝和双缝．故A错误．、测量某条干涉亮纹位置时，应使测微目镜分划板中心刻线与该亮纹的中心对齐．故B正确．、条亮纹之间有个间距，相邻条纹的间距故C正确．本题选错误的，故选：；
甲图螺旋测微器固定刻度的读数是，可动刻度的读数是：，螺旋测微器的读数等于：同理，乙图螺旋测微器固定刻度的读数是，可动刻度的读数是：，螺旋测微器的读数等于：相邻条纹间距为；根据双缝干涉的条纹宽度的公式：，这种单色光的波长：；
故答案为：；，。
12. 【分析】
根据条纹间距公式判断先后看到的干涉图样；
根据光程差与波长的关系，得到双缝到第一条暗条纹的路程差；
将数据代入得到单色光的波长。
【解答】
先用黄光滤光片，后换用红光滤光片，由于波长增大，所以相邻条纹间距增大，且单色光相邻暗纹与亮纹间距相等，则先看到的图样是，后看到的图样是；
两狭缝到屏上的路程差等于半波长的奇数倍时，出现暗条纹，故到第一条暗条纹的路程差为；
根据，得。
故答案为：；；；。
13. 由题意可作出光路图，由几何关系可知入射角和折射角，则可求得折射率；
由题意可知潜水员和点的连线与竖直方向夹角刚好为临界角，由几何知识可解得赛艇的长度．
本题以光的直线传播为基础，利用几何知识，研究光传播到两种介质的界面时发生的反射、折射、全反射、色散等现象和它们表现的规律，即光的反射和折射定律，难点是光的全反射及其应用．
解：设过点光线，恰好被浮子挡住时，入射角、折射角分别为、，则：
则水的折射率为
由联立，代入数据解得：
潜水员和点连线与竖直方向的夹角刚好为临界角，则：
则得
又由几何知识解得：
由得：
14. (1)先据题意作出光路图，由几何知识求出光在边折射时的折射角，即可求得折射率．
(2)设临界角为，由，求出临界角，可判断出光在边上发生了全反射，在边第一次射出玻璃砖，由光路图及几何知识求出光束从边射入玻璃砖到第一次射出玻璃砖通过的路程，由公式求光在玻璃中的传播速度，即可求得时间．
解决本题关键是作出光路图，再运用几何知识求解入射角折射角，要掌握几何光学常用的三个规律：折射定律、临界角公式和光速公式．
解：(1)作出光路图，如图所示
过点的法线是三角形的中位线，由几何关系可知为等腰三角形，
由几何知识可知光在边折射时折射角为，
所以玻璃砖的折射率为
(2)设临界角为，有，可解得
由光路图及几何知识可判断，光在边上的入射角为，大于临界角，则光在边上发生全反射
光在边的入射角为，小于临界角，所以光从第一次射出玻璃砖
根据几何知识可知
则光束从边射入玻璃砖到第一次射出玻璃砖所需要的时间为
而，可解得：
15. 根据几何关系求得折射角的正弦值，根据求得入射角，再由几何关系求出长度，结合求得光在介质中的传播速度，从而求得该单色光从到经历的时间；
根据发生全反射的条件求得在内表面上的入射角，根据几何关系即可求得在点的入射角。
本题主要考查了折射定律和全反射条件，解题的关键是抓住几何关系即可。
解：光经过立方体表面折射后到达内圆面上的点，由题意可知，入射角为，折射角为，由折射定律有
代入数据解得
根据几何关系可得
根据
解得
所以从到的时间
如图
光束以入射角由点进入光学元件内折射到内圆面点，如果点发生全反射，则光束在球面上的入射角
等于临界角，则有
代入数据得，
由正弦定理有
代入数据可得
由折射率
解得
解得
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