高考物理必備專題18之17 光學的聯(lián)系實際的新情景問題（解析版）

專題17光學物理的最新“聯(lián)系實際的新情景問題”本章內(nèi)容分為“幾何光學”、“波動光學”和“光的顏色、色散、激光”三部分。其中對幾何光學復習，一是理解折射率的概念、折射定律和全反射規(guī)律；重點掌握折射和全反射現(xiàn)象的分析，即通過作光路圖來確定光線的傳播方向和弄清光路中的邊、角關系.同時注意將這些知識與現(xiàn)代科技、生產(chǎn)、生活實際結合。《光的波動性》主要介紹了建立這些理論的實驗基礎和一些重要的物理現(xiàn)象．重點有光的干涉現(xiàn)象，衍射現(xiàn)象，光的偏振，雙縫干涉，薄膜干涉，單縫衍射；這些只是從理論上作了初步的解釋，或者就是從實驗現(xiàn)象觀察的結果，沒有嚴格的推導，要求我們在復習這部分知識時，必須重視有關實驗和結論，另一方面要注意這些知識的實際應用，如增透膜、劈尖干涉等，這也是學生的難點所在。1.（2022·.浙江高考試題）如圖所示，王亞平在天宮課堂上演示了水球光學實驗，在失重環(huán)境下，往大水球中央注入空氣，形成了一個空氣泡，氣泡看起來很明亮，其主要原因是（）A.氣泡表面有折射沒有全反射B.光射入氣泡衍射形成“亮斑”C.氣泡表面有折射和全反射D.光射入氣泡干涉形成“亮紋”【答案】C【解析】當光從水中射到空氣泡的界面處時，一部分光的入射角大于或等于臨界角，發(fā)生了全反射現(xiàn)象；還有一部分光折射到內(nèi)壁然后再折射出去，所以水中的空氣泡看起來比較亮。故選項C正確。2.（2022江蘇南京寧海中學4月模擬）用鐵環(huán)粘上肥皂液，用白熾燈光照射，從反射光的方向去看，呈現(xiàn)如圖所示的現(xiàn)象，最上部是較寬的黑色條紋，其下是若干彩色條紋圖。已知可見光的頻率為3.9×1014Hz~7.5×1014Hz，請估算肥皂膜最上面黑色條紋區(qū)域的厚度最大值為（）A.20nm B.80nm C.200nm D.2000nm【答案】C【解析】由于重力作用，肥皂液逐漸向下流動，形成上薄下厚的形狀，上部的肥皂膜越來越薄，當厚度恰好等于可見光最長波長的時，從膜的前表面反射回來的光和從后表面反射回來的光的光程差為波長的，疊加的結果是減弱，而且兩個反射光與透射光相比能量很小，所以看起來是黑色。即膜的厚度最大值為，故選C。3（2022天津河東二模）下列說法正確的是（）A.圖1中，用自然光照射透振方向（箭頭所示）互相垂直的前后兩個豎直放置的偏振片，光屏依然發(fā)亮B.圖2為光導纖維示意圖，內(nèi)芯的折射率比外套的折射率小C.圖3所示的雷達測速利用了多普勒效應D.圖4所示的照相機鏡頭上呈現(xiàn)的淡紫色是由光的衍射現(xiàn)象引起的【答案】C【解析】用自然光照射透振方向(箭頭所示)互相垂直的前后兩個豎直放置的偏振片，因透振方向不同，光屏變暗，故A錯誤；依據(jù)光的全反射條件可知，內(nèi)芯的折射率比外套的折射率大，故B錯誤；雷達測速利用了多普勒效應，C正確；照相機鏡頭上呈現(xiàn)的淡紫色是由光的干涉現(xiàn)象引起的，D錯誤。4（2022江蘇南京寧海中學4月模擬）下列圖中的有關應用，說法不正確的是（）A.在圖甲中，利用光的干涉原理檢測物體表面的平整度B.在圖乙中，內(nèi)窺鏡利用了光的全反射原理C.在圖丙中，全息照片的拍攝利用了光的干涉原理D.在圖丁中，超聲波測速儀利用波的衍射原理測汽車速度【答案】D【解析】在圖甲中，利用光的干涉原理檢測物體表面的平整度，選項A正確，不符合題意；在圖乙中，內(nèi)窺鏡利用了光的全反射原理，選項B正確，不符合題意；在圖丙中，全息照片的拍攝利用了光的干涉原理，選項C正確，不符合題意；在圖丁中，超聲波測速儀利用多普勒效應原理測汽車速度，選項D錯誤，符合題意5.（2022·山東煙臺市德州市高三下學期一模）單鏡頭反光相機簡稱單反相機，它用一塊放置在鏡頭與感光部件之間的透明平面鏡把來自鏡頭的圖像投射到對焦屏上。對焦屏上的圖像通過五棱鏡的反射進入人眼中。如圖所示為單反照相機取景器的示意圖，ABCDE為五棱鏡的一個截面，AB⊥BC。光線垂直AB射入，分別在CD和EA上發(fā)生全反射，且兩次全反射的入射角相等，最后光線垂直BC射出。下列說法正確的是（）A.∠BCD=135°B.∠BAE和∠BCD不相等C.該五棱鏡折射率的最小值是D.該五棱鏡折射率的最小值是【答案】C【解析】AB．由題意畫出光路圖如圖所示，設光線在CD面上的入射角為根據(jù)光路圖和反射定律可知得由四邊形內(nèi)角和為360°和角度關系可得∠BCD=∠BAE=90°+=112.5°故AB錯誤；CD．光線在CD和AE界面上恰好發(fā)生全反射時，對應著五棱鏡折射率的最小值，則解得故C正確，D錯誤。故選C。6．如圖甲所示，某汽車大燈距水平地面的高度為81cm，該大燈結構的簡化圖如圖乙所示?，F(xiàn)有一束光從焦點處射出，經(jīng)旋轉(zhuǎn)拋物面反射后，垂直半球透鏡的豎直直徑AB從C點射入透鏡。已知透鏡直徑遠小于大燈離地面高度，，半球透鏡的折射率為，tan15°≈0.27，則這束光照射到地面的位置與大燈間的水平距離為（）A．3m B．15m C．30m D．45m【答案】A【解析】如圖所示設光線從C點水平射向半球玻璃時的入射角為α，從半球玻璃折射后的出射光線與水平面成β角，依題意有根據(jù)折射定律有設這束光照射到地面的位置與車頭大燈間的水平距離為x，根據(jù)幾何關系有聯(lián)立得x=3m故選A。7．如圖所示，一束光與某材料表面成角入射，每次反射的光能量為入射光能量的k倍（0<k<1）。若這束光最終進入材料的能量為入射光能量的倍。設真空中的光速為c，則（）A．該材料折射率至少為B．該材料折射率至少為C．光在該材料中的傳播速度為(1+k)cD．光從空氣進入該材料，光的頻率變小【答案】A【解析】AB．這束光最終進入材料的能量為入射光能量的倍，說明光經(jīng)過兩次反射進入材料后會發(fā)生全反射，光路圖如圖所示設折射率為n，在B點的折射角為θ，設在C點剛好發(fā)生全反射，則全反射角為90°-θ，根據(jù)折射定律知聯(lián)立解得則該材料折射率至少為，A正確，B錯誤；CD．光從空氣進入材料，頻率不變，速率變小，由知光在材料中傳播的速度與材料的折射率有關，與入射角大小以及反射光的能量無關，故CD錯誤。故選A。8．導光管采光系統(tǒng)是一套采集天然光，并經(jīng)管道傳輸?shù)绞覂?nèi)的采光系統(tǒng)，如圖為過裝置中心軸線的截面。上面部分是收集陽光的半徑為R的某種均勻透明材料的半球形采光球，O為球心，下面部分是內(nèi)側涂有反光涂層的導光管，MN為兩部分的分界面，M、N為球面兩點。若一束平行MN且與MN相距的細光束從空氣入射到采光球表面時，經(jīng)折射綠光恰好照射到N點。則（）A．綠光在采光球中的傳播速度為B．紅光一定能從N點上方射出C．紫光有可能直接折射經(jīng)過O點D．要使光束在導光管中發(fā)生全反射，涂層折射率應小于管壁折射率【答案】B【解析】A．如圖所示根據(jù)幾何關系，折射率綠光在采光球中的傳播速度為故A錯誤；B．紅光折射率小，折射角大，則紅光一定能從N點上方射出，故B正確；C．紫光不可能直接折射經(jīng)過O點，如果過的話，折射角為0°，故C錯誤；D．光由光密到光疏可能發(fā)生全反射，則涂層折射率應大于管壁折射率，故D錯誤。故選B。9.（2022·湖北八市高三下學期二模）一種“光開關”的“核心區(qū)”如圖虛框區(qū)域所示，其中1、2是兩個完全相同的截面為等腰直角三角形的棱鏡，直角邊與虛框平行，兩斜面平行，略拉開一小段距離，在兩棱鏡之間可充入不同介質(zhì)以實現(xiàn)開關功能。單色光a從1的左側垂直于棱鏡表面射入，若能通過2，則為“開”，否則為“關”，已知棱鏡對a的折射率為2，下列說法正確的是（）A.若不充入介質(zhì)，則能實現(xiàn)“關”功能B.若充入的介質(zhì)相對棱鏡是光疏介質(zhì)，則有可能實現(xiàn)“開”功能C.若充入的介質(zhì)相對棱鏡是光密介質(zhì)，則有可能實現(xiàn)“關”功能D.單色光a通過“光開關”后傳播方向一定改變【答案】AB【解析】A．若不充入介質(zhì)，單色光a從1的左側垂直于棱鏡表面射入，在斜邊界面入射角為45°，由全反射的條件可知臨界角為不充入介質(zhì)，就會產(chǎn)生全反射，光不能通過2，即不充入介質(zhì)，則能實現(xiàn)“關”功能，A正確；B．若充入的介質(zhì)相對棱鏡是光疏介質(zhì)，單色光a將向下偏折，則有可能實現(xiàn)“開”功能，B正確；C．若充入的介質(zhì)相對棱鏡是光密介質(zhì)，單色光a將向上偏折，則處于開狀態(tài)，不可能實現(xiàn)“關”功能，C錯誤；D．單色光a通過“光開關”后傳播方向不會改變，D錯誤。故選AB。10．小宇同學參加科技嘉年華，設計了一個光電煙霧探測器。如圖，S為光源，射出光束，當有煙霧進入探測器時，來自S的光會被煙霧散射進入光電管C。當光射到光電管中的鈉表面（極限頻率為6.0×1014Hz），會產(chǎn)生光電子。當光電流大于或等于10-8A時，便會觸發(fā)報警系統(tǒng)報警。下列說法正確的是（）A．要使該探測器正常工作，光源S發(fā)出的光波長不能小于0.5μmB．若S發(fā)出的光能使光電管發(fā)生光電效應，則光波的頻率越高、光電煙霧探測器靈敏度越高C．光束遇到煙霧發(fā)生散射，是一種折射現(xiàn)象D．若射向光電管C的光子有5%會激發(fā)出光電子，當報警器報警時，每秒射向C中鈉表面的光子最少數(shù)目是1.25×1012個【答案】D【解析】A.根據(jù)光電效應方程光源S發(fā)出的光波長要使該探測器正常工作，光源S發(fā)出的光波長不能大于0.5μm，故A錯誤；B.光的頻率決定光是否發(fā)生光電效應，光的頻率一定時，光電流的大小取決于光的強度，故B錯誤；C.光束遇到煙霧發(fā)生散射，是一種反射現(xiàn)象，故C錯誤；D.當光電流大于或等于10-8A時，每秒產(chǎn)生的光電子的個數(shù)每秒射向C中鈉表面的光子最少數(shù)目是故D正確。故選D。11．我們有時候可以觀察到太陽周圍的明亮光暈圈，如圖1所示。這種光學現(xiàn)象是由太陽光線在卷層云中的冰晶折射而產(chǎn)生的。為了理解光暈現(xiàn)象，我們將問題簡化為二維。如圖3為一束紫光在冰晶上H點入射后的折射光線，θ1表示冰晶上的入射角，θ2表示為經(jīng)過第一界面的折射角，θ0表示為光線離開晶體的折射角，以及θD表示為入射和出射光線之間的偏轉(zhuǎn)角。假設冰晶可以在二維上看成一個正六邊形且不考慮其他的反射、折射。則以下說法中正確的是（）A．在冰晶內(nèi)紅光的波長比紫光短B．若圖3中紫光滿足，則可知冰晶對該光折射率C．對于從H點以相同入射角入射的光線，紅光的偏轉(zhuǎn)角θD，比紫光的偏轉(zhuǎn)角θD大D．光暈內(nèi)側為藍色，外側為紅色【答案】BD【解析】A．根據(jù)可得由于紅光的折射率小于紫光的折射率，紅光的頻率小于紫光的頻率，則紅光的波長大于紫光的波長，故A錯誤；B．圖3中紫光滿足根據(jù)幾何關系可知則折射率為代入數(shù)據(jù)解得故B正確；C．紅光的折射率小于紫光的折射率，則紅光的偏轉(zhuǎn)角比紫光的偏轉(zhuǎn)角小，故C錯誤；D．由于藍光的折射率大于紅光的折射率，因此偏折角大，故內(nèi)側為藍光，外側為紅色，故D正確；故選BD。12．光纖通信采用的光導纖維由內(nèi)芯和外套組成，長為L，其側截面如圖所示，一復色光以一定的入射角從軸心射入光導纖維后分為a、b兩束單色光，已知內(nèi)芯材料對a光的折射率為，真空中的光速為c。下列說法正確的是（）。A．在內(nèi)芯介質(zhì)中a單色光的傳播速度比b單色光大B．入射角i由逐漸增大時，a單色光全反射現(xiàn)象先消失C．從空氣射入光導纖維，a、b單色光的波長都變長D．若入射角時，a、b單色光在內(nèi)芯和外套界面都發(fā)生全反射，則a單色光在介質(zhì)中傳播的時間為【答案】ABD【解析】A．由圖可知，在內(nèi)芯介質(zhì)中a單色光的折射角比b單色光大，根據(jù)折射定律可知，在內(nèi)芯介質(zhì)中a單色光的折射率比b單色光小，又由可知，在內(nèi)芯介質(zhì)中a單色光的傳播速度比b單色光大，故A正確；B．根據(jù)折射定律可知，入射角i由逐漸增大時，a、b單色光的折射角都增大，單色光的折射角大于單色光，導致a、b單色光在到達內(nèi)芯和外套界面時的入射角都減小，且單色光入射角小于單色光，由于單色光的折射率比b單色光小，根據(jù)可知，單色光發(fā)生全反射的臨界角大于b單色光，則a單色光全反射現(xiàn)象先消失，故B正確；C．由于光在不同介質(zhì)中的頻率不變，根據(jù)可知，傳播速度減小，由可知，波長減小，故C錯誤；D．當入射角時，設單色光的折射角為，根據(jù)折射定律有可得根據(jù)數(shù)學知識可知根據(jù)幾何關系可知，單色光的傳播距離為由可得，傳播速度為則a單色光在介質(zhì)中傳播的時間為故D正確。故選ABD。13.（2022·廣東省汕頭市普通高中二模）094型戰(zhàn)略核潛艇（如圖甲）是目前我國服役中最先進核動力潛艇，是中國擁有三位一體核戰(zhàn)略的保障，也是國之利器。如果游輪上處于O點的人剛好看到潛艇在其正前方的水下緩慢通過，將人和潛艇均視為質(zhì)點，如圖乙所示，此時人到水面的高度，潛艇的水下深度。水的折射率為，，，求此時潛艇與人的水平距離?！敬鸢浮俊窘馕觥咳鐖D所示根據(jù)折射定律可得解得即由圖中幾何關系可得此時潛艇與人的水平距離為14.（2022·廣東汕頭市第三次模擬）.在天宮課堂第二課“光學水球”實驗中，王亞平老師在水球中注入少量氣體，在水球內(nèi)會形成一個氣泡。在另一側，我們可以觀察到王老師一正一反兩個像，如圖（甲）所示。這是因為有一部分光線會進入水球中的氣泡，形成了正立的人像，而另一部分無法進入氣泡的光線，形成了倒立的人像。為了方便研究，我們簡化為如圖（乙）所示。已知：水球半徑為，氣泡半徑為，兩球為同心球。有兩束平行光射入水球，其中光沿半徑方向射入，光恰好在氣泡表面發(fā)生全反射，水的折射率為。求：兩束平行光之間的距離為多少？【答案】【解析】畫出光部分光路，如圖所示。在點，根據(jù)折射定律有因b光在點發(fā)生全反射，有在三角形中，根據(jù)正弦定理有平行光之間的距離聯(lián)立以上四式解得15.（2022·廣東湛江市一模)如圖所示，深度為2m的游泳池充滿水，泳池底部A點有一單色光源，A點距游泳池壁的距離為1.5m，某人走向游泳池，距游泳池邊緣B點為2m時恰好看到光源，已知人的