（北京专用）2020版高考物理大一轮复习 专题十五 光学练习.docx

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专题十五　光学 挖命题 【考情探究】 考点 考向 5年考情 预测热度 考题示例 学业水平 关联考点 素养要素 光的折射 与全反射 对光的折射定律和折射率的理解及应用 2014北京理综,20,6分 4 科学推理 ★★★ 2017北京理综,14,6分 4 光的色散 科学推理 对全反射现象的理解和综合分析 2018课标Ⅱ,34(2),10分 4 光的折射 科学推理 光的波动性 亮、暗条纹的判断方法和条纹间距 2017课标Ⅱ,34(1),5分 科学思维 ★★★ 单缝衍射与双缝干涉的比较 光的粒子性 光电效应的实验规律 ★★★ 光电效应图像 分析解读　　本专题是高考的常考内容,考查内容几乎涉及本专题的所有考点,考题主要以基本概念的理解、基本规律的简单应用为主,难度较低。主要考查考生的理解能力、提取信息能力、应用基本规律综合分析的能力、推理和简单计算的能力。 【真题典例】 破考点 【考点集训】 考点一　光的折射与全反射 1.如图所示,一束可见光穿过平行玻璃砖后,分成a、b两束单色光,则下列说法中正确的是(　　) A.a光的波长小于b光的波长 B.a光的频率大于b光的频率 C.在该玻璃砖中,a光的传播速度比b光大 D.在真空中,a光的传播速度比b光大 答案　C 2.热反射玻璃一般是在玻璃表面镀一层或多层诸如铬、钛或不锈钢等金属或其化合物组成的薄膜,使产品呈丰富的色彩,对于可见光有适当的透射率,对红外线有较高的反射率,对紫外线有较高的吸收率,因此,也称为阳光控制玻璃,主要用于建筑和玻璃幕墙,其透视方向由光的强度决定。当室外比室内明亮时,单向透视玻璃与普通镜子相似,室外看不到室内的景物,但室内可以看清室外的景物。而当室外比室内昏暗时,室外可看到室内的景物,且室内也能看到室外的景物,其清晰程度取决于室外照度的强弱。根据以上信息和你所学过的物理知识判断,下列说法中不正确的是(　　) A.热反射玻璃可以有效地阻止过强紫外线对人体的伤害 B.热反射玻璃应该具有保温隔热作用 C.热反射玻璃和普通玻璃一样,能有效地减弱噪声 D.热反射玻璃的单向透视性不遵从光路可逆性 答案　D 3.光导纤维按沿径向折射率的变化可分为阶跃型和连续型两种。阶跃型的光导纤维分为内芯和外套两层,内芯的折射率比外套的大。连续型光导纤维的折射率中心最高,沿径向逐渐减小,外表面附近的折射率最低。关于光在连续型光导纤维中的传播,下列四个图中能正确表示传播路径的是(　　) 答案　C 4.一束单色光在某种介质中的传播速度是其在真空中传播速度的一半,则(　　) A.该介质对于这束单色光的折射率为0.5 B.这束单色光由该介质射向真空发生全反射的临界角为60 C.这束单色光在该介质中的频率为其在真空中频率的一半 D.这束单色光在该介质中的波长为其在真空中波长的一半 答案　D 5.已知一束可见光m是由a、b、c三种单色光组成的,光束m通过三棱镜的传播情况如图所示,则比较a、b、c三种单色光,下列说法正确的是(　　) A.a色光的折射率最大 B.c色光的频率最小 C.b色光在玻璃中的传播速度最大 D.c色光发生全反射的临界角最小 答案　D 考点二　光的波动性 6.下列说法正确的是(　　) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 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.电视机遥控器是利用发出紫外线脉冲信号来换频道的 D.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 答案　B 7.下面是四种与光有关的事实: ①白光通过棱镜在屏上呈现彩色;②雨后的天空出现彩虹;③肥皂泡的表面呈现彩色;④白光通过双缝在光屏上呈现彩色条纹。 其中,与光的干涉有关的是(　　) A.①② B.①③ C.②③ D.③④ 答案　D 8.如图所示,一束可见光穿过平行玻璃砖后,变为a、b两束单色光,则(　　) A.a光的频率大于b光的频率 B.若a光是蓝色光,则b光可能是黄色光 C.若两种光通过相同双缝,则a光产生的干涉条纹间距比b光大 D.若a光不能使某金属发生光电效应,则b光一定不能使该金属发生光电效应 答案　C 9.单缝衍射实验中所产生图样的中央亮条纹宽度的一半与单缝宽度、光的波长、缝屏距离的关系,和双缝干涉实验中所产生图样的相邻两亮条纹间距与双缝间距、光的波长、缝屏距离的关系相同。利用单缝衍射实验可以测量金属的线膨胀系数,线膨胀系数是表征物体受热时长度增加程度的物理量。如图是实验的示意图,挡光片A固定,挡光片B放置在待测金属棒上端,A、B间形成平直的狭缝,激光通过狭缝,在光屏上形成衍射图样,温度升高,金属棒膨胀使得狭缝宽度发生变化,衍射图样也随之发生变化。在激光波长已知的情况下,通过测量缝屏距离和中央亮条纹宽度,可算出狭缝宽度及变化,进而计算出金属的线膨胀系数。下列说法正确的是(　　) A.其他实验条件不变,使用激光波长越短,中央亮条纹宽度越宽 B.相同实验条件下,金属的膨胀量越大,中央亮条纹宽度越窄 C.相同实验条件下,中央亮条纹宽度变化越大,说明金属膨胀量越大 D.其他实验条件相同,狭缝到光屏距离越大,测得金属的线膨胀系数越大 答案　C考点三　光的粒子性 10.如图所示,把一块不带电的锌板连接在验电器上。当用紫外线照射锌板时,发现验电器指针偏转一定角度,则(　　) A.锌板带正电,验电器带负电 B.若改用强度更小的紫外线照射锌板,验电器的指针也会偏转 C.若改用红外线照射锌板,验电器的指针仍然会发生偏转 D.这个现象可以说明光具有波动性 答案　B 11.用蓝光照射一光电管,有光电效应现象发生。欲使光电子逸出时最大初动能增大,下列方法有效的是(　　) A.改用紫光照射 B.改用红光照射 C.延长蓝光的照射时间 D.增大蓝光的强度 答案　A 12.用电子做双缝干涉实验,下面三幅图分别为100个、3000个、7000个左右的电子通过双缝后,在胶片上出现的干涉图样。该实验表明(　　) A.电子具有波动性,不具有粒子性 B.电子具有粒子性,不具有波动性 C.电子既有波动性,又有粒子性 D.电子到达胶片上不同位置的概率相同 答案　C 13.从1907年起,密立根就开始测量金属的遏止电压Uc(即图甲所示的电路中电流表G的读数减小到零时加在电极K、A之间的反向电压)与入射光的频率ν,由此算出普朗克常量h,并与普朗克根据黑体辐射得出的h相比较,以检验爱因斯坦光电效应方程的正确性。按照密立根的方法我们利用图示装置进行实验,得到了某金属的Uc-ν图像如图乙所示。下列说法正确的是(　　) 甲 乙 A.该金属的截止频率约为4.271014Hz B.该金属的截止频率约为5.501014Hz C.该图线的斜率为普朗克常量 D.该图线的斜率为这种金属的逸出功 答案　A 炼技法 【方法集训】 方法1　光的折射定律、全反射及色散知识综合分析法 1.如图所示,半圆形玻璃砖置于光屏PQ的左下方。一束白光沿半径方向从A点射入玻璃砖,在O点发生反射和折射,折射光在光屏上呈现七色光带。若入射点由A向B缓慢移动,并保持白光沿半径方向入射到O点,观察到各色光在光屏上陆续消失。在光带未完全消失之前,反射光的强度变化以及光屏上最先消失的光分别是(　　) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 A.减弱,紫光 B.减弱,红光 C.增强,紫光 D.增强,红光 答案　C 2.一个等腰直角三棱镜的截面如图所示,一细束蓝光从AC面的P点沿平行底面AB方向射入棱镜后,经AB面反射,再从BC面的Q点射出,且有PQ∥AB(图中未画光在棱镜内的光路)。如果将一细束绿光仍从P点沿平行底面AB方向射入三棱镜,则从BC面射出的光线(　　) A.仍从Q点射出,出射光线平行于AB B.仍从Q点射出,出射光线不平行于AB C.可能从Q点射出,出射光线平行于AB D.可能从Q″点射出,出射光线平行于AB 答案　D 方法2　有关光的能量问题的综合分析方法 3.太阳光垂直射到地面上时,地面上1m2接受的太阳光的功率为1.4kW,其中可见光部分约占45%。 (1)假如认为可见光的波长约为0.55μm,日、地间距离R=1.51011m。普朗克常量h=6.610-34Js,估算太阳每秒辐射出的可见光光子数为多少? (2)若已知地球的半径为6.4106m,估算地球接受的太阳光的总功率。 答案　(1)4.91044个　(2)1.81014kW 过专题 【五年高考】 A组　基础题组 1.(2017北京理综,14,6分)如图所示,一束可见光穿过平行玻璃砖后,变为a、b两束单色光。如果光束b是蓝光,则光束a可能是(　　) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 A.红光 B.黄光 C.绿光 D.紫光 答案　D 2.(2014北京理综,20,6分)以往,已知材料的折射率都为正值(n>0)。现已有针对某些电磁波设计制作的人工材料,其折射率可以为负值(n<0),称为负折射率材料。位于空气中的这类材料,入射角i与折射角r依然满足sinisinr=n,但是折射线与入射线位于法线的同一侧(此时折射角取负值)。现空气中有一上下表面平行的负折射率材料,一束电磁波从其上表面射入,下表面射出。若该材料对此电磁波的折射率n=-1,正确反映电磁波穿过该材料的传播路径的示意图是(　　) 答案　B 3.(2018北京理综,15,6分)用双缝干涉实验装置得到白光的干涉条纹,在光源与单缝之间加上红色滤光片后(　　) A.干涉条纹消失 B.彩色条纹中的红色条纹消失 C.中央条纹变成暗条纹 D.中央条纹变成红色 答案　D 4.(2017北京理综,18,6分)2017年年初,我国研制的“大连光源”——极紫外自由电子激光装置,发出了波长在100nm(1nm=10-9m)附近连续可调的世界上最强的极紫外激光脉冲。大连光源因其光子的能量大、密度高,可在能源利用、光刻技术、雾霾治理等领域的研究中发挥重要作用。 一个处于极紫外波段的光子所具有的能量可以电离一个分子,但又不会把分子打碎。据此判断,能够电离一个分子的能量约为(取普朗克常量h=6.610-34Js,真空光速c=3108m/s)(　　) A.10-21J B.10-18J C.10-15J D.10-12J 答案　B B组　提升题组 1.(2018天津理综,5,6分)氢原子光谱在可见光区域内有四条谱线Hα、Hβ、Hγ和Hδ,都是氢原子中电子从量子数n>2的能级跃迁到n=2的能级时发出的光,它们在真空中的波长由长到短,可以判定(　　) A.Hα对应的前后能级之差最小 B.同一介质对Hα的折射率最大 C.同一介质中Hδ的传播速度最大 D.用Hγ照射某一金属能发生光电效应,则Hβ也一定能 答案　A　　　　　　　　　　　　　　　　　　 2.(2018课标Ⅱ,17,6分)用波长为300nm的光照射锌板,电子逸出锌板表面的最大初动能为1.2810-19J。已知普朗克常量为6.6310-34Js,真空中的光速为3.00108ms-1。能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为(　　) A.11014Hz B.81014Hz C.21015Hz D.81015Hz 答案　B 3.(2013北京理综,20,6分)以往我们认识的光电效应是单光子光电效应,即一个电子在极短时间内只能吸收到一个光子而从金属表面逸出。强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识,用强激光照射金属,由于其光子密度极大,一个电子在极短时间内吸收多个光子成为可能,从而形成多光子光电效应,这已被实验证实。 光电效应实验装置示意如图。用频率为ν的普通光源照射阴极K,没有发生光电效应。换用同样频率ν的强激光照射阴极K,则发生了光电效应;此时,若加上反向电压U,即将阴极K接电源正极,阳极A接电源负极,在K、A之间就形成了使光电子减速的电场。逐渐增大U,光电流会逐渐减小;当光电流恰好减小到零时,所加反向电压U可能是下列的(其中W为逸出功,h为普朗克常量,e为电子电量)(　　) A.U=hνe-We B.U=2hνe-We C.U=2hν-W D.U=5hν2e-We 答案　B 4.[2017课标Ⅱ,34(1),5分]在双缝干涉实验中,用绿色激光照射在双缝上,在缝后的屏幕上显示出干涉图样。若要增大干涉图样中两相邻亮条纹的间距,可选用的方法是　　　　。 A.改用红色激光 B.改用蓝色激光 C.减小双缝间距 D.将屏幕向远离双缝的位置移动 E.将光源向远离双缝的位置移动 答案　ACD 5.[2018课标Ⅰ,34(1),5分]如图,△ABC为一玻璃三棱镜的横截面,∠A=30。一束红光垂直AB边射入,从AC边上的D点射出,其折射角为60,则玻璃对红光的折射率为　　　　。若改用蓝光沿同一路径入射,则光线在D点射出时的折射角　　　　(填“小于”“等于”或“大于”)60。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 答案　3　大于　 6.[2018课标Ⅱ,34(2),10分]如图,△ABC是一直角三棱镜的横截面,∠A=90,∠B=60。一细光束从BC边的D点折射后,射到AC边的E点,发生全反射后经AB边的F点射出。EG垂直于AC交BC于G,D恰好是CG的中点。不计多次反射。 (ⅰ)求出射光相对于D点的入射光的偏角; (ⅱ)为实现上述光路,棱镜折射率的取值应在什么范围? 答案　(ⅰ)60　(ⅱ)233≤n<2 C组　教师专用题组 1.(2017课标Ⅲ,19,6分)(多选)在光电效应实验中,分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上,测得相应的遏止电压分别为Ua和Ub、光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb。h为普朗克常量。下列说法正确的是(　　) A.若νa>νb,则一定有Uaνb,则一定有Eka>Ekb C.若Uaνb,则一定有hνa-Eka>hνb-Ekb 答案　BC 2.[2015课标Ⅰ,35(1),5分]在某次光电效应实验中,得到的遏止电压Uc与入射光的频率ν的关系如图所示。若该直线的斜率和截距分别为k和b,电子电荷量的绝对值为e,则普朗克常量可表示为　　　　,所用材料的逸出功可表示为　　　　。 答案　ek(2分)　-eb(3分) 【三年模拟】 时间:45分钟　分值:80分 一、选择题(每小题6分,共60分) 1.(2018朝阳二模,13)对于红、蓝两种单色光,下列说法正确的是　(　　) A.在水中红光的传播速度较大 B.在水中蓝光的传播速度较大 C.在真空中红光的传播速度较大 D.在真空中蓝光的传播速度较大 答案　A 2.(2018海淀零模,16)如图所示是一透明玻璃球体,其半径为R,O为球心,AB为水平直径。M点是玻璃球的最高点,一条平行于AB的光线自D点射入球体内,其折射光线为DB,已知∠ABD=30,光在真空中的传播速度为c、波长为λ,则(　　) A.此玻璃的折射率为3 B.光线从D传播到B的时间是3Rc C.光在玻璃体内的波长为3λ D.光在B点会发生全反射 答案　A 3.(2017西城一模,20)通电雾化玻璃是将液晶膜固化在两片玻璃之间,经过特殊工艺胶合一体成型的新型光电玻璃产品,被广泛应用于高档办公室、计算机机房、医疗机构、商业展示等领域,能够实现玻璃的通透性和保护隐私的双重要求。我们将其工作原理简化为如图所示的模型,在自然条件下,液晶层中的液晶分子无规则排列,玻璃呈乳白色,即不透明,像一块毛玻璃;通电以后,弥散分布的液晶分子迅速从无规则排列变为有规则排列,整个液晶层相当于一块普通的透明玻璃。结合以上内容和你所学知识,关于通电雾化玻璃,你认为下列叙述中比较合理的是(　　) A.不通电时,入射光在液晶层发生了全反射,导致光线无法通过 B.不通电时,入射光在液晶层发生了干涉,导致光线无法通过 C.通电时,入射光在通过液晶层后方向发生了改变 D.通电时,入射光在通过液晶层后按原有方向传播 答案　D 4.(2017朝阳二模,14)如图所示,ABC是一个用折射率n>2的透明介质做成的棱镜,其截面为等腰直角三角形。现有一束光从图示位置垂直入射到棱镜的AB面上,则该光束(　　) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 A.能从AC面射出 B.能从BC面射出 C.进入棱镜后速度不变 D.进入棱镜后波长变长 答案　B 5.(2018昌平二模,20)为证明实物粒子也具有波动性,某实验小组用电子束做双缝干涉实验。实验时用50kV电压加速电子束,然后垂直射到间距为1mm的双缝上,在与双缝距离约为35cm的光屏上得到了干涉条纹。该条纹与托马斯杨用可见光做的双缝干涉实验所得到的图样基本相同,但条纹间距很小。这是对德布罗意物质波理论的又一次实验验证。根据德布罗意理论,实物粒子也具有波动性,其波长λ=hp,其中h为普朗克常量,p为粒子的动量。下列说法正确的是　(　　) A.只增大加速电子的电压,可以使干涉条纹间距变大 B.只减小加速电子的电压,可以使干涉条纹间距变大 C.只增大双缝间的距离,可以使干涉条纹间距变大 D.只减小双缝到光屏的距离,可以使干涉条纹间距变大 答案　B 6.(2018西城二模,14)一束激光照在一个很小的圆盘上,在屏上观察到如图所示的图样,在影的中心有一个亮斑,这就是著名的“泊松亮斑”。下列说法正确的是(　　) A.圆盘中心有个小孔,这是光的衍射现象 B.圆盘中心是不透光的,这是光的衍射现象 C.圆盘中心有个小孔,这是光的干涉现象 D.圆盘中心是不透光的,这是光的干涉现象 答案　B 7.(2018房山一模,14)如图所示,一束复色光通过三棱镜后分解成两束单色光a、b,下列说法正确的是(　　) A.真空中,a光的波长小于b光的波长 B.在三棱镜中a光传播速度小于b光传播速度 C.在三棱镜中a光的折射率大于b光的折射率 D.a光的光子能量小于b光的光子能量 答案　D 8.(2017朝阳一模,14)关于红、紫两束单色光,下列说法正确的是　(　　) A.在空气中红光的波长较长 B.在同一玻璃中红光的速度较小 C.红光的光子能量较大 D.用同一装置做双缝干涉实验时,红光的干涉条纹间距较小 答案　A 9.(2017海淀一模,15)如图所示,两束单色光a、b同时从空气中斜射入平行玻璃砖的上表面,进入玻璃砖中形成复合光束c,则下列说法中正确的是(　　) A.若用a光照射某金属的表面能发生光电效应,则用b光照射也能发生 B.在相同条件下进行双缝干涉实验,a光的干涉条纹间距较小 C.在玻璃砖中a光的速度较小 D.从水中射向空气发生全反射时,a光的临界角较小 答案　A 10.(2017西城二模,19)研究光电效应的电路如图甲所示,用蓝光、较强的黄光和较弱的黄光分别照射密封真空管中的金属极板K,极板发射出的光电子在电路中形成的光电流I与A、K之间的电压U的关系图像如图乙所示。关于1、2、3三条曲线,下列说法正确的是(　　) A.2、3为用黄光照射时得到的曲线,曲线2对应的黄光较强 B.2、3为用黄光照射时得到的曲线,曲线3对应的黄光较强 C.1、3为用黄光照射时得到的曲线,曲线1对应的黄光较强 D.1、3为用黄光照射时得到的曲线,曲线3对应的黄光较强 答案　C 二、非选择题(20分) 11.(2018朝阳一模,24)(20分)在玻尔的原子结构理论中,氢原子由高能态向低能态跃迁时能发出一系列不同频率的光,波长可以用巴耳末—里德伯公式1λ=R1k2-1n2来计算,式中λ为波长,R为里德伯常量,n、k分别表示氢原子跃迁前和跃迁后所处状态的量子数,对于每一个k,有n=k+1、k+2、k+3、…。其中,赖曼系谱线是电子由n>1的轨道跃迁到k=1的轨道时向外辐射光子形成的,巴耳末系谱线是电子由n>2的轨道跃迁到k=2的轨道时向外辐射光子形成的。 (1)如图所示的装置中,K为一金属板,A为金属电极,都密封在真空的玻璃管中,S为石英片封盖的窗口,单色光可通过石英片射到金属板K上。实验中:当滑动变阻器的滑片位于最左端,用某种频率的单色光照射K时,电流计G指针发生偏转;向右滑动滑片,当A比K的电势低到某一值Uc(遏止电压)时,电流计G指针恰好指向零。 现用氢原子发出的光照射某种金属进行光电效应实验。若用赖曼系中波长最长的光照射时,遏止电压的大小为U1;若用巴耳末系中n=4的光照射金属时,遏止电压的大小为U2。 金属表面层内存在一种力,阻碍电子的逃逸。电子要从金属中挣脱出来,必须克服这种阻碍做功。使电子脱离某种金属所做功的最小值,叫做这种金属的逸出功。 已知电子电荷量的大小为e,真空中的光速为c,里德伯常量为R。试求: a.赖曼系中波长最长的光对应的频率ν1; b.普朗克常量h和该金属的逸出功W0。 (2)光子除了有能量,还有动量,动量的表达式为p=hλ(h为普朗克常量)。 a.请你推导光子动量的表达式p=hλ; b.处于n=2激发态的某氢原子以速度v0运动,当它向k=1的基态跃迁时,沿与v0相反的方向辐射一个光子。辐射光子前后,可认为氢原子的质量为M不变。求辐射光子后氢原子的速度v(用h、R、M和v0表示)。 答案　(1)a.在赖曼系中,氢原子由n=2跃迁到k=1时,对应光的波长最长,波长为λ1。则有 1λ1=R112-122 所以λ1=43R 所以ν1=cλ1=3cR4 b.在巴耳末系中,氢原子由n=4跃迁到k=2,对应光的波长为λ2,频率为ν2。则有 1λ2=R122-142 ν2=cλ2 设用波长为λ1、λ2的光照射金属产生光电效应时,光电子对应的最大初动能分别为Ekm1、Ekm2。根据光电效应方程有 Ekm1=hν1-W0 Ekm2=hν2-W0 根据动能定理有 -eU1=0-Ekm1 -eU2=0-Ekm2 联立解得h=16e(U1-U2)9cR,W0=13e(U1-4U2) (2)a.根据质能方程有 E=mc2 又因为E=hν=hcλ p=mc 所以p=hλ b.光子的动量 p=hλ=3hR4 根据动量守恒定律有 Mv0=Mv-p 解得v=v0+3hR4M