高考物理必备专题18之17 光学的联系实际的新情景问题（解析版）

专题17光学物理的最新“联系实际的新情景问题”本章内容分为“几何光学”、“波动光学”和“光的颜色、色散、激光”三部分。其中对几何光学复习，一是理解折射率的概念、折射定律和全反射规律；重点掌握折射和全反射现象的分析，即通过作光路图来确定光线的传播方向和弄清光路中的边、角关系.同时注意将这些知识与现代科技、生产、生活实际结合。《光的波动性》主要介绍了建立这些理论的实验基础和一些重要的物理现象．重点有光的干涉现象，衍射现象，光的偏振，双缝干涉，薄膜干涉，单缝衍射；这些只是从理论上作了初步的解释，或者就是从实验现象观察的结果，没有严格的推导，要求我们在复习这部分知识时，必须重视有关实验和结论，另一方面要注意这些知识的实际应用，如增透膜、劈尖干涉等，这也是学生的难点所在。1.（2022·.浙江高考试题）如图所示，王亚平在天宫课堂上演示了水球光学实验，在失重环境下，往大水球中央注入空气，形成了一个空气泡，气泡看起来很明亮，其主要原因是（）A.气泡表面有折射没有全反射B.光射入气泡衍射形成“亮斑”C.气泡表面有折射和全反射D.光射入气泡干涉形成“亮纹”【答案】C【解析】当光从水中射到空气泡的界面处时，一部分光的入射角大于或等于临界角，发生了全反射现象；还有一部分光折射到内壁然后再折射出去，所以水中的空气泡看起来比较亮。故选项C正确。2.（2022江苏南京宁海中学4月模拟）用铁环粘上肥皂液，用白炽灯光照射，从反射光的方向去看，呈现如图所示的现象，最上部是较宽的黑色条纹，其下是若干彩色条纹图。已知可见光的频率为3.9×1014Hz~7.5×1014Hz，请估算肥皂膜最上面黑色条纹区域的厚度最大值为（）A.20nm B.80nm C.200nm D.2000nm【答案】C【解析】由于重力作用，肥皂液逐渐向下流动，形成上薄下厚的形状，上部的肥皂膜越来越薄，当厚度恰好等于可见光最长波长的时，从膜的前表面反射回来的光和从后表面反射回来的光的光程差为波长的，叠加的结果是减弱，而且两个反射光与透射光相比能量很小，所以看起来是黑色。即膜的厚度最大值为，故选C。3（2022天津河东二模）下列说法正确的是（）A.图1中，用自然光照射透振方向（箭头所示）互相垂直的前后两个竖直放置的偏振片，光屏依然发亮B.图2为光导纤维示意图，内芯的折射率比外套的折射率小C.图3所示的雷达测速利用了多普勒效应D.图4所示的照相机镜头上呈现的淡紫色是由光的衍射现象引起的【答案】C【解析】用自然光照射透振方向(箭头所示)互相垂直的前后两个竖直放置的偏振片，因透振方向不同，光屏变暗，故A错误；依据光的全反射条件可知，内芯的折射率比外套的折射率大，故B错误；雷达测速利用了多普勒效应，C正确；照相机镜头上呈现的淡紫色是由光的干涉现象引起的，D错误。4（2022江苏南京宁海中学4月模拟）下列图中的有关应用，说法不正确的是（）A.在图甲中，利用光的干涉原理检测物体表面的平整度B.在图乙中，内窥镜利用了光的全反射原理C.在图丙中，全息照片的拍摄利用了光的干涉原理D.在图丁中，超声波测速仪利用波的衍射原理测汽车速度【答案】D【解析】在图甲中，利用光的干涉原理检测物体表面的平整度，选项A正确，不符合题意；在图乙中，内窥镜利用了光的全反射原理，选项B正确，不符合题意；在图丙中，全息照片的拍摄利用了光的干涉原理，选项C正确，不符合题意；在图丁中，超声波测速仪利用多普勒效应原理测汽车速度，选项D错误，符合题意5.（2022·山东烟台市德州市高三下学期一模）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。如图所示为单反照相机取景器的示意图，ABCDE为五棱镜的一个截面，AB⊥BC。光线垂直AB射入，分别在CD和EA上发生全反射，且两次全反射的入射角相等，最后光线垂直BC射出。下列说法正确的是（）A.∠BCD=135°B.∠BAE和∠BCD不相等C.该五棱镜折射率的最小值是D.该五棱镜折射率的最小值是【答案】C【解析】AB．由题意画出光路图如图所示，设光线在CD面上的入射角为根据光路图和反射定律可知得由四边形内角和为360°和角度关系可得∠BCD=∠BAE=90°+=112.5°故AB错误；CD．光线在CD和AE界面上恰好发生全反射时，对应着五棱镜折射率的最小值，则解得故C正确，D错误。故选C。6．如图甲所示，某汽车大灯距水平地面的高度为81cm，该大灯结构的简化图如图乙所示。现有一束光从焦点处射出，经旋转抛物面反射后，垂直半球透镜的竖直直径AB从C点射入透镜。已知透镜直径远小于大灯离地面高度，，半球透镜的折射率为，tan15°≈0.27，则这束光照射到地面的位置与大灯间的水平距离为（）A．3m B．15m C．30m D．45m【答案】A【解析】如图所示设光线从C点水平射向半球玻璃时的入射角为α，从半球玻璃折射后的出射光线与水平面成β角，依题意有根据折射定律有设这束光照射到地面的位置与车头大灯间的水平距离为x，根据几何关系有联立得x=3m故选A。7．如图所示，一束光与某材料表面成角入射，每次反射的光能量为入射光能量的k倍（0<k<1）。若这束光最终进入材料的能量为入射光能量的倍。设真空中的光速为c，则（）A．该材料折射率至少为B．该材料折射率至少为C．光在该材料中的传播速度为(1+k)cD．光从空气进入该材料，光的频率变小【答案】A【解析】AB．这束光最终进入材料的能量为入射光能量的倍，说明光经过两次反射进入材料后会发生全反射，光路图如图所示设折射率为n，在B点的折射角为θ，设在C点刚好发生全反射，则全反射角为90°-θ，根据折射定律知联立解得则该材料折射率至少为，A正确，B错误；CD．光从空气进入材料，频率不变，速率变小，由知光在材料中传播的速度与材料的折射率有关，与入射角大小以及反射光的能量无关，故CD错误。故选A。8．导光管采光系统是一套采集天然光，并经管道传输到室内的采光系统，如图为过装置中心轴线的截面。上面部分是收集阳光的半径为R的某种均匀透明材料的半球形采光球，O为球心，下面部分是内侧涂有反光涂层的导光管，MN为两部分的分界面，M、N为球面两点。若一束平行MN且与MN相距的细光束从空气入射到采光球表面时，经折射绿光恰好照射到N点。则（）A．绿光在采光球中的传播速度为B．红光一定能从N点上方射出C．紫光有可能直接折射经过O点D．要使光束在导光管中发生全反射，涂层折射率应小于管壁折射率【答案】B【解析】A．如图所示根据几何关系，折射率绿光在采光球中的传播速度为故A错误；B．红光折射率小，折射角大，则红光一定能从N点上方射出，故B正确；C．紫光不可能直接折射经过O点，如果过的话，折射角为0°，故C错误；D．光由光密到光疏可能发生全反射，则涂层折射率应大于管壁折射率，故D错误。故选B。9.（2022·湖北八市高三下学期二模）一种“光开关”的“核心区”如图虚框区域所示，其中1、2是两个完全相同的截面为等腰直角三角形的棱镜，直角边与虚框平行，两斜面平行，略拉开一小段距离，在两棱镜之间可充入不同介质以实现开关功能。单色光a从1的左侧垂直于棱镜表面射入，若能通过2，则为“开”，否则为“关”，已知棱镜对a的折射率为2，下列说法正确的是（）A.若不充入介质，则能实现“关”功能B.若充入的介质相对棱镜是光疏介质，则有可能实现“开”功能C.若充入的介质相对棱镜是光密介质，则有可能实现“关”功能D.单色光a通过“光开关”后传播方向一定改变【答案】AB【解析】A．若不充入介质，单色光a从1的左侧垂直于棱镜表面射入，在斜边界面入射角为45°，由全反射的条件可知临界角为不充入介质，就会产生全反射，光不能通过2，即不充入介质，则能实现“关”功能，A正确；B．若充入的介质相对棱镜是光疏介质，单色光a将向下偏折，则有可能实现“开”功能，B正确；C．若充入的介质相对棱镜是光密介质，单色光a将向上偏折，则处于开状态，不可能实现“关”功能，C错误；D．单色光a通过“光开关”后传播方向不会改变，D错误。故选AB。10．小宇同学参加科技嘉年华，设计了一个光电烟雾探测器。如图，S为光源，射出光束，当有烟雾进入探测器时，来自S的光会被烟雾散射进入光电管C。当光射到光电管中的钠表面（极限频率为6.0×1014Hz），会产生光电子。当光电流大于或等于10-8A时，便会触发报警系统报警。下列说法正确的是（）A．要使该探测器正常工作，光源S发出的光波长不能小于0.5μmB．若S发出的光能使光电管发生光电效应，则光波的频率越高、光电烟雾探测器灵敏度越高C．光束遇到烟雾发生散射，是一种折射现象D．若射向光电管C的光子有5%会激发出光电子，当报警器报警时，每秒射向C中钠表面的光子最少数目是1.25×1012个【答案】D【解析】A.根据光电效应方程光源S发出的光波长要使该探测器正常工作，光源S发出的光波长不能大于0.5μm，故A错误；B.光的频率决定光是否发生光电效应，光的频率一定时，光电流的大小取决于光的强度，故B错误；C.光束遇到烟雾发生散射，是一种反射现象，故C错误；D.当光电流大于或等于10-8A时，每秒产生的光电子的个数每秒射向C中钠表面的光子最少数目是故D正确。故选D。11．我们有时候可以观察到太阳周围的明亮光晕圈，如图1所示。这种光学现象是由太阳光线在卷层云中的冰晶折射而产生的。为了理解光晕现象，我们将问题简化为二维。如图3为一束紫光在冰晶上H点入射后的折射光线，θ1表示冰晶上的入射角，θ2表示为经过第一界面的折射角，θ0表示为光线离开晶体的折射角，以及θD表示为入射和出射光线之间的偏转角。假设冰晶可以在二维上看成一个正六边形且不考虑其他的反射、折射。则以下说法中正确的是（）A．在冰晶内红光的波长比紫光短B．若图3中紫光满足，则可知冰晶对该光折射率C．对于从H点以相同入射角入射的光线，红光的偏转角θD，比紫光的偏转角θD大D．光晕内侧为蓝色，外侧为红色【答案】BD【解析】A．根据可得由于红光的折射率小于紫光的折射率，红光的频率小于紫光的频率，则红光的波长大于紫光的波长，故A错误；B．图3中紫光满足根据几何关系可知则折射率为代入数据解得故B正确；C．红光的折射率小于紫光的折射率，则红光的偏转角比紫光的偏转角小，故C错误；D．由于蓝光的折射率大于红光的折射率，因此偏折角大，故内侧为蓝光，外侧为红色，故D正确；故选BD。12．光纤通信采用的光导纤维由内芯和外套组成，长为L，其侧截面如图所示，一复色光以一定的入射角从轴心射入光导纤维后分为a、b两束单色光，已知内芯材料对a光的折射率为，真空中的光速为c。下列说法正确的是（）。A．在内芯介质中a单色光的传播速度比b单色光大B．入射角i由逐渐增大时，a单色光全反射现象先消失C．从空气射入光导纤维，a、b单色光的波长都变长D．若入射角时，a、b单色光在内芯和外套界面都发生全反射，则a单色光在介质中传播的时间为【答案】ABD【解析】A．由图可知，在内芯介质中a单色光的折射角比b单色光大，根据折射定律可知，在内芯介质中a单色光的折射率比b单色光小，又由可知，在内芯介质中a单色光的传播速度比b单色光大，故A正确；B．根据折射定律可知，入射角i由逐渐增大时，a、b单色光的折射角都增大，单色光的折射角大于单色光，导致a、b单色光在到达内芯和外套界面时的入射角都减小，且单色光入射角小于单色光，由于单色光的折射率比b单色光小，根据可知，单色光发生全反射的临界角大于b单色光，则a单色光全反射现象先消失，故B正确；C．由于光在不同介质中的频率不变，根据可知，传播速度减小，由可知，波长减小，故C错误；D．当入射角时，设单色光的折射角为，根据折射定律有可得根据数学知识可知根据几何关系可知，单色光的传播距离为由可得，传播速度为则a单色光在介质中传播的时间为故D正确。故选ABD。13.（2022·广东省汕头市普通高中二模）094型战略核潜艇（如图甲）是目前我国服役中最先进核动力潜艇，是中国拥有三位一体核战略的保障，也是国之利器。如果游轮上处于O点的人刚好看到潜艇在其正前方的水下缓慢通过，将人和潜艇均视为质点，如图乙所示，此时人到水面的高度，潜艇的水下深度。水的折射率为，，，求此时潜艇与人的水平距离。【答案】【解析】如图所示根据折射定律可得解得即由图中几何关系可得此时潜艇与人的水平距离为14.（2022·广东汕头市第三次模拟）.在天宫课堂第二课“光学水球”实验中，王亚平老师在水球中注入少量气体，在水球内会形成一个气泡。在另一侧，我们可以观察到王老师一正一反两个像，如图（甲）所示。这是因为有一部分光线会进入水球中的气泡，形成了正立的人像，而另一部分无法进入气泡的光线，形成了倒立的人像。为了方便研究，我们简化为如图（乙）所示。已知：水球半径为，气泡半径为，两球为同心球。有两束平行光射入水球，其中光沿半径方向射入，光恰好在气泡表面发生全反射，水的折射率为。求：两束平行光之间的距离为多少？【答案】【解析】画出光部分光路，如图所示。在点，根据折射定律有因b光在点发生全反射，有在三角形中，根据正弦定理有平行光之间的距离联立以上四式解得15.（2022·广东湛江市一模)如图所示，深度为2m的游泳池充满水，泳池底部A点有一单色光源，A点距游泳池壁的距离为1.5m，某人走向游泳池，距游泳池边缘B点为2m时恰好看到光源，已知人的