高考物理 第11讲　光学　波粒二象性

第11讲光学波粒二象性题型1几何光学1.[2023·江苏卷]地球表面附近空气的折射率随高度降低而增大,太阳光斜射向地面的过程中会发生弯曲.下列光路图中能描述该现象的是 (A)[解析]〗根据折射定律n上sinθ上=n下sinθ下,由于地球表面附近空气的折射率随高度降低而增大,则n下>n上,则sinθ上>sinθ下,即θ上>θ下,画出光路图如图所示,则从高到低θ下逐渐减小,故A正确.2.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 (C)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”[解析]当光由光密介质射入光疏介质时,如果入射角等于或大于临界角,就会发生全反射现象,光从水射向空气时,会发生全反射现象.水中的气泡看起来特别明亮,是因为光从水中射入气泡时,一部分光在界面上发生了全反射,折射光消失,入射光几乎全变为反射光,A、B、D错误,C正确.3.[2023·湖北卷]如图所示,楔形玻璃的横截面POQ的顶角为30°,OP边上的点光源S到顶点O的距离为d,垂直于OP边的光线SN在OQ边的折射角为45°.不考虑多次反射,OQ边上有光射出部分的长度为 (C)A.d B.dC.d D.d[解析]设光线SN在OQ界面的入射角为α,折射角为β,由几何关系可知α=30°,则由折射定律得n==,光源S发出的光线射出OQ界面的临界情况为刚好发生全反射,光路图如图所示,光线在A、B两点刚好发生全反射,OQ边上在A、B之间有光线射出,由sinC==,得发生全反射的临界角为45°,作SC垂直OQ于点C,由几何关系可知AB=2AC=2CS=OS=d,故C正确.4.如图所示,一圆心为O、半径为R的半圆柱形匀质玻璃砖置于真空中,一细束复色光线从O点右侧距离O点R的P点以入射角θ=60°射入该玻璃砖,在玻璃砖内分成a、b两单色光,a光从O点正上方的M点出射,b光从O点右上方的N点出射.下列说法正确的是 (B)A.该玻璃砖对a光的折射率为1.5B.a光在该玻璃砖中的传播速度大于b光在该玻璃砖中的传播速度C.若a、b两单色光分别通过同一双缝干涉装置,a光的相邻暗条纹间距较小D.a光在M点恰好发生全反射[解析]a光在P处的折射角α满足tanα=,可得α=30°,故该玻璃砖对a光的折射率na===,故A错误;a光相较入射方向偏折程度小于b光,故折射率na<nb,由v=可知,折射率越大,在介质中传播速度越小,即a、b光在该玻璃砖中的传播速度va>vb,故B正确;由na<nb,可知λa>λb,又由Δx=λ,可得Δxa>Δxb,即a、b光分别通过同一双缝干涉装置,a光的相邻暗条纹间距较大,故C错误;a光在M点的入射角为30°,有sin30°=,a光的全反射临界角C满足sinC==,sin30°<sinC,a光在M点不会发生全反射,故D错误.5.一小孩在河水清澈的河面上以1m/s的速度游泳,t=0时刻他看到自己正下方的河底有一小石块,t=3s时他恰好看不到小石块了,河水的折射率n=,下列说法正确的是 (C)A.3s后,小孩会再次看到河底的石块B.前3s内,小孩看到的石块越来越明亮C.这条河的深度为mD.t=0时小孩看到的石块深度为m[解析]t=3s时他恰好看不到小石块,则知光线恰好发生了全反射,入射角等于临界角C,3s后,入射角大于临界角,光线仍发生全反射,所以,小孩不会看到河底的石块,故A错误;前3s内,入射角越来越大,反射光增强,折射光减弱,所以小孩看到的石块越来越暗,故B错误;3s内小孩通过的位移为x=vt=1×3m=3m,根据全反射临界角公式得sinC==,可得tanC===,如图所示,这条河的深度为h==m=m,故C正确;t=0时小孩看到的石块深度为h视==m,故D错误.6.[2022·湖北卷]如图-所示,水族馆训练员在训练海豚时,将一发光小球高举在水面上方的A位置,海豚的眼睛在B位置,A位置和B位置的水平距离为d,A位置离水面的高度为d.训练员将小球向左水平抛出,入水点在B位置的正上方,入水前瞬间速度方向与水面夹角为θ.小球在A位置发出的一束光线经水面折射后到达B位置,折射光线与水平方向的夹角也为θ.已知水的折射率n=,求:(1)tanθ的值;(2)B位置到水面的距离H.[答案](1)(2)[解析](1)由平抛运动的规律可知d=v0td=gt2tanθ=解得tanθ=(3)因tanθ=可知θ=53°,设从A点射到水面的光线的入射角为α,折射角为90°-θ=37°,则由折射定律可知n=,解得α=53°由几何关系可知Htan37°+dtan53°=d解得H=7.一半圆柱形玻璃砖的横截面如图所示,半圆的半径为R、圆心为O.一光线DE沿横截面从直径AB上的E点以入射角i=45°入射,经玻璃砖折射后,射到圆弧AB上的F点(图中未画出),恰好发生全反射.已知玻璃砖对该光线的折射率n=,则下列说法正确的是(C)A.光线在玻璃砖中传播的速度大小为c(c为真空中的光速)B.光线从空气射入玻璃砖后,光的频率变大C.∠EFO=45°D.O、E两点间的距离为R[解析]根据折射率与光速的关系,可知光线在玻璃砖中传播的速度大小v==c,故A错误;光经过折射、反射后,频率不会变化,光线从空气射入玻璃砖后,光的频率不变,故B错误;设光线在玻璃中发生全反射的临界角为C,有sinC==,则C=45°,则∠EFO=45°,故C正确;光线在玻璃砖中的光路(部分)如图所示,根据折射定律有n=,解得r=30°,在△EOF中,根据正弦定理有=,解得EO=R,故D错误.8.[2023·山东卷]一种反射式光纤位移传感器可以实现微小位移测量,其部分原理简化如图所示.两光纤可等效为圆柱状玻璃丝M、N,相距为d,直径均为2a,折射率为n(n<),M、N下端横截面平齐且与被测物体表面平行.激光在M内多次全反射后从下端面射向被测物体,经被测物体表面镜面反射至N下端面,N下端面被照亮的面积与玻璃丝下端面到被测物体距离有关.(1)从M下端面出射的光与竖直方向的最大偏角为θ,求θ的正弦值;(2)被测物体自上而下微小移动,使N下端面从刚能接收反射激光到恰好全部被照亮,求玻璃丝下端面到被测物体距离b的相应范围(只考虑在被测物体表面反射一次的光线).[答案](1)(2)≤b≤[解析](1)由于激光在M内发生全反射,故sinα≥根据几何关系α+β=90°可得sinβ≤根据折射定律有=n可以得到最大偏角的正弦值为sinθ=(2)当激光刚好能被N下端面接收时,对应被测物体的距离b1=而激光能全部照亮N下端面时,对应被测物体的距离b2=而由sinθ=可知tanθ==则玻璃丝下端面到被测物体距离的范围为≤b≤ 题型2光的波动性1.(多选)关于如图所示的甲、乙、丙、丁四幅图,下列说法正确的是 (BC)乙A.图甲为双缝干涉示意图,若换成频率更高的单色光照射双缝,则实验得到的条纹间距应该更大B.图乙为光照到圆盘上得到的衍射图样C.图丙为劈尖干涉的示意图,两玻璃片间垫有一些纸片,若从两玻璃片之间抽出部分纸片,则从上往下看可以观察到条纹间距变大D.图丁所示为相机拍摄车前挡玻璃的照片,能明显减弱汽车玻璃表面反射光是利用了薄膜干涉原理[解析]根据干涉条纹间距公式Δx=,若改用频率较高的单色光照射,则波长变小,其他条件保持不变,则得到的干涉条纹间距将变小,故A错误;图乙为光照到圆盘上得到的衍射图样,也叫泊松亮斑,故B正确;抽去纸片后空气层的倾角变小,相当于减小了d,故相邻亮条纹(或暗条纹)之间的距离变大,干涉条纹间距变大,故C正确;相机拍摄时减弱了玻璃表面的反射光,是在照相机镜头前增加偏振片过滤掉了反射的光,应用了偏振原理,故D错误.2.(多选)某同学利用图甲所示的装置研究光的干涉和衍射,光电传感器可用来测量光屏上光强的分布.某次实验时,在电脑屏幕上得到图乙所示的光强分布.下列说法正确的是 (BC)A.这位同学在缝屏上安装的是双缝B.这位同学在缝屏上安装的是单缝C.当作干涉现象研究时,若要使干涉条纹的间距变大,应选用双缝间距较小的双缝D.当作干涉现象研究时,若要使干涉条纹的间距变小,应增大缝屏与光屏间的距离[解析]根据题意,由图乙可知,条纹中间亮、两边窄,是衍射条纹,所以在缝屏上安装的是单缝,故A错误,B正确;根据题意,由公式Δx=λ可知,若要使干涉条纹的间距变大,应选用双缝间距较小的双缝,若要使干涉条纹的间距变小,应减小缝屏与光屏间的距离,故D错误,C正确.3.[2023·山东卷]如图所示为一种干涉热膨胀仪原理图.G为标准石英环、C为待测柱形样品、C的上表面与上方标准平面石英板之间存在劈形空气层.用单色平行光垂直照射上方石英板,会形成干涉条纹.已知C的膨胀系数小于G的膨胀系数,当温度升高时,下列说法正确的是 (A)A.劈形空气层的厚度变大,条纹向左移动B.劈形空气层的厚度变小,条纹向左移动C.劈形空气层的厚度变大,条纹向右移动D.劈形空气层的厚度变小,条纹向右移动[解析]由题意可知,C的膨胀系数小于G的膨胀系数,当温度升高时,G增长的高度大于C增长的高度,则劈形空气层的厚度变大,且同一厚度的空气膜向劈尖移动,则条纹向左移动,故选A.题型3波粒二象性1.图甲是研究光电效应规律的实验装置图,用绿光照射阴极K,实验测得电流I与电势差UAK满足图乙所示规律,电子的电荷量约为1.6×10-19C,关于该实验的说法正确的是 (B)A.如果用红光照射该光电管,一定会发生光电效应B.达到饱和电流时,每秒钟从阴极逸出的光电子数约为4×1012个C.光电子的最大初动能为0.64eVD.增大绿光的光照强度,饱和电流不会改变[解析]绿光的频率超过了截止频率,但红光频率低于绿光,不一定能发生光电效应,A错误;由题图乙知,饱和电流为0.64μA,则每秒内逸出的光电子数约为n=个=4×1012个,B正确;由题图乙知,遏止电压为0.6V,则最大初动能为0.6eV,C错误;增大光照强度,单位时间逸出的光电子数增加,饱和电流也会增大,D错误.2.光电管是一种利用光照产生电流的装置,当入射光照在管中金属板上时,可以形成光电流.下表中记录了某同学进行光电管实验时的数据.次数入射光子的能量/eV相对光强饱和电流大小/mA逸出光电子的最大初动能/eV14.0弱290.824.0中430.834.0强600.8由表中数据得出的以下论断中正确的是 (D)A.三次实验采用了不同频率的入射光B.三次实验光电管中的金属板材质不同C.若入射光子的能量为5.0eV,不论光强多大,饱和电流一定大于60mAD.若入射光子的能量为5.0eV,逸出光电子的最大初动能为1.8eV[解析]表格中入射光子的能量相同,根据光子的能量E=hν,可知三次实验采用的入射光的频率相同,故A错误;由光电效应方程Ek=hν-W0,代入数据可解得三次实验中金属的逸出功都是W0=3.2eV,所以三次实验所用的金属板材质相同,故B错误;当入射光子的能量为5.0eV时,相对光强越强,单位时间内飞出的光电子越多,光电流越大,故C错误.若入射光子的能量为5.0eV,则Ek=hν-W0=5.0eV-3.2eV=1.8eV,即逸出光电子的最大初动能为1.8eV,故D正确.3.能引起人的眼睛视觉效应的最小能量为10-18J,已知可见光的平均波长约为60μm,普朗克常量h=6.63×10-34J·s,则进入人眼的光子数至少为 (D)A.1个B.3个C.30个D.300个[解析]一个可见光光子的平均能量E=h=6.63×10-34×J=3.3×10-21J.能引起人的视觉效应时,进入人眼的光子数至少为n===300(个),故选D.4.(多选)如图所示,一束单色光入射到截止频率为ν0的金属板K上,发射的光电子可沿垂直于平行板电容器极板的方向从左极板上的小孔进入电场,均不能到达右极板,则 (D)A.该单色光的波长为B.若仅增大该单色光的强度,则将有光电子到达右极板C.若仅换用频率更大的单色光,则依然没有光电子到达右极板D.若仅将电容器右极板右移一小段距离,光电子仍然不能到达右极板[解析]由题可知,单色光的波长应小于,故A错误;若仅增大该单色光的强度,由于入射光的频率不变,则光电子仍然不能到达右极板,故B错误;若仅换用频率更大的单色光,逸出的光电子的初动能增大,则可能有光电子到达右极板,故C错误;若仅将电容器右极板右移一小段距离,由于两板间的电压不变,光电子仍然不能到达右极板,故D正确.5.重庆南开中学某物理兴趣小组同学想研究a、b两种单色光照射同种金属时发生光电效应现象的规律,设计了如图甲所示的实验装置,得到光电流I与电压表示数U的关系如图乙所示.下列说法正确的是 (D)乙A.a光的频率比b光大B.a、b光单独照射该光电管时a光使其逸出的