阶段质量检测(五)　光的干涉、衍射和偏振（含解析）高中物理 鲁科版（2019）选择性必修 第一册

阶段质量检测(五)　光的干涉、衍射和偏振
(满分:100分)
一、单项选择题(本题共8小题,每小题3分,共24分。每小题只有一个选项符合题目要求)
1.如图所示,光热转换是将太阳能转换成其他物质内能的过程,太阳能热水器就是一种光热转换装置,它的主要转换器件是真空玻璃管,这些玻璃管将太阳能转换成水的内能。真空玻璃管上采用镀膜技术增加透射光,使尽可能多的太阳能转换成热能,这种镀膜技术的物理依据是 (　　)
A.光的折射 B.光的全反射
C.光的干涉 D.光的衍射
2.如图1所示的双缝干涉实验,改变实验条件进行两次实验,先后在屏上观察到如图2、图3所示的条纹,下列说法正确的是 (　　)
A.改变的实验条件是仅减小了双缝到光屏之间的距离
B.改变的实验条件是仅增大了双缝之间的距离
C.若图2是绿色条纹,图3可能是红色条纹
D.若图2是绿色条纹,图3可能是彩色条纹
3.如图甲所示,将一块平板玻璃a放置在另一玻璃板b上,在一端夹入两张纸片,当黄光从上方入射后,从上往下可以观察到如图乙所示的干涉条纹。则 (　　)
A.若抽去一张纸片,条纹变密
B.若换用蓝光从上方入射,条纹变疏
C.弯曲条纹中心位置下方的空气膜厚度不相等
D.任意相邻的亮条纹中心位置下方的空气膜厚度差相等
4.某同学在学习光学时,发现各种光学现象已经在各个科技领域有所应用。他对光现象的理解正确的是 (　　)
A.全息照相是利用了激光的衍射现象
B.拍摄玻璃橱窗内的物品时,为了防止反光往往在镜头前加增透膜
C.光纤通信及医用纤维式内窥镜都利用了光的全反射原理
D.利用激光传播速度大的特性,可以较准确的测量地球到月球的距离
5.激光火箭的体积较小,却可以装载体积较大的卫星或飞船,激光由地面激光站或空间激光动力卫星提供,通过一套装置,像手电筒一样,让激光束射入火箭发动机的燃烧室,推进剂受热而急剧膨胀,于是形成一股高温高压的燃气流,以极高的速度喷出,产生巨大的推力,把卫星或飞船送入太空。激光火箭利用了激光的 (　　)
①单色性好　②平行度好　③高能量
④相干性好
A.①② B.②③
C.①③ D.②④
6.有一种魔术道具称为“穿墙而过”。其结构是两片塑料偏振片卷起来,放进空心的透明圆筒内,中间两偏振片重叠区域给观众感觉为一块“挡板”,如图甲所示。当圆筒中的小球从B端滚向A端,居然穿过了“挡板”,如图乙所示。则 (　　)
A.该魔术说明光是纵波
B.该魔术对观众的观察角度有要求
C.只用一片塑料偏振片也可以完成该魔术
D.该魔术中对两偏振片卷起来的方式有要求
7.激光散斑测速是一种测速技术,它应用了光的干涉原理。用二次曝光照相所获得的“散斑对”相当于双缝干涉实验中的双缝,待测物体的速度v与二次曝光时间间隔Δt的乘积等于双缝间距。实验中可测得二次曝光时间间隔Δt、双缝到屏的距离L以及相邻两条亮条纹间距Δx。如所用激光波长为λ,则该实验确定物体运动速度的表达式是 (　　)
A.v= B.v=
C.v= D.v=
8.某一质检部门为检测一批矿泉水的质量,利用干涉原理测定矿泉水的折射率。方法是将待测矿泉水填充到特制容器中,放置在双缝与荧光屏之间(之前为空气),如图所示,特制容器未画出,通过比对填充后的干涉条纹间距x2和填充前的干涉条纹间距x1就可以计算出该矿泉水的折射率。则下列说法正确的是(设空气的折射率为1) (　　)
A.x1=x2 　　
B.x1C.该矿泉水的折射率为
D.该矿泉水的折射率为
二、多项选择题(本题共4小题,每小题4分,共16分。每小题有多个选项符合题目要求,全部选对得4分,选对但不全的得2分,有选错的得0分)
9.下列说法正确的是 (　　)
A.肥皂泡呈现彩色是光的干涉引起的,露珠呈现彩色是光的折射引起的,通过狭缝看太阳光呈现彩色是光的衍射引起的
B.光照到不透明小圆盘上,出现泊松亮斑,说明发生了干涉
C.观察薄膜干涉的条纹时,应该在入射光的同一侧
D.医院中用于体检的“B超”利用了超声波的衍射原理
10.甲、乙两同学在实验室做薄膜干涉实验。甲将有肥皂膜铁丝圈竖直放置,形成如图甲所示的肥皂膜侧视图,用黄色光从左侧照射薄膜,会观察到明暗相间的干涉条纹。乙用平行单色光垂直照射透明薄膜,观察到如图乙所示明暗相间的干涉条纹。关于甲、乙两实验下列说法正确的是 (　　)
A.甲应该从薄膜左侧观察干涉图样
B.任意两相邻亮条纹处对应的薄膜厚度之差相同
C.乙实验中薄膜层厚度的变化率不随坐标x变化而变化
D.乙实验中薄膜层厚度的变化率随坐标x增大而逐渐增大
11.如图所示,a、b两束光以不同的入射角由介质射向空气,结果折射角相同,下列说法正确的是 (　　)
A.b光在该介质中的折射率比a光大
B.若用b光做单缝衍射实验,要比用a光实验时得到的中央亮条纹更宽
C.用b光更易观测到泊松亮斑
D.做双缝干涉实验时,用a光比用b光两相邻亮条纹中心的距离更大
12.如图所示,真空中有一均匀介质球,一束复色光平行于BOC从介质球的A点折射进入介质球内,进入介质球后分成光束Ⅰ、Ⅱ,其中光束Ⅰ恰好射到C点,光束Ⅱ射到D点,∠AOB=60°,则 (　　)
A.介质球对光束Ⅱ的折射率大于
B.进入介质球的光束Ⅰ一定比同时进入介质球的光束Ⅱ先射出介质球
C.当入射角大于某一特定角度时,光束Ⅱ再射到界面上时可能会发生全反射
D.用光束Ⅰ和光束Ⅱ分别射向同一双缝干涉装置,光束Ⅱ的条纹间距比光束Ⅰ的条纹间距大
三、非选择题(本题共5小题,共60分)
13.(6分)某同学利用图甲所示的装置研究光的干涉和衍射,将刀片在涂有墨汁的玻璃片上划过便可得到单缝和不同间距双缝的缝屏,光电传感器可用来测量光屏上光强的分布。
(1)某次实验时,在电脑屏幕上得到图乙所示的a、b两种光的光强分布,这位同学在缝屏上安装的是　　　　(选填“单缝”或“双缝”)。(2分)
(2)由图乙中两条曲线的特征可知　　　　。(2分)
A.a光频率较大
B.以相同角度斜射到同一玻璃板透过平行表面后,a光侧移量小
C.以相同的入射角从空气斜射到水中,a光的折射角大
D.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a光
(3)当研究双缝干涉现象时,选用间距较大的双缝相比于间距较小的双缝,在光屏上可观察到　　　　(选填“更多”“更少”或“一样多”)的条纹个数。(2分)
14.(8分)如图甲所示为双缝干涉实验的装置示意图,现利用这套装置测量某种单色光的波长。
(1)图甲装置中有三处光学元件的名称空缺,下列选项正确的是　　　　。(1分)
A.①凸透镜　②双缝和滤光片　③单缝
B.①凸透镜　②滤光片和单缝　③双缝
C.①凸透镜　②毛玻璃屏和单缝　③双缝
(2)已知双缝间距d=0.4 mm,双缝到毛玻璃屏间的距离l=0.5 m,实验时,接通电源使光源正常发光,调整光路,使得从目镜中可以观察到干涉条纹。单色光照射双缝得到干涉条纹如图乙所示,分划板在图中A位置时游标卡尺的读数为xA=11.1 mm,在B位置时游标卡尺读数为xB=　　　　mm,相邻两个亮条纹中心的距离Δx=　　　mm,该单色光的波长λ=　　　 m。(计算结果均保留2位有效数字)(5分)
(3)若仅将红色滤光片换成绿色滤光片,相邻两个亮条纹中心的距离将　　　　。(选填“增大”或“减小”)(2分)
15.(12分)为了减少玻璃表面光的反射损失,在玻璃表面涂上一层折射率n=1.25的增透膜,设入射光在真空中的波长λ0=700 nm,速度为c,为使这种波长的反射光能最大限度地被减弱,所涂薄膜的最小厚度应是多少
16.(14分)用双缝干涉测量光的波长的实验中,已知两缝间的距离为0.3 mm,以某种单色光照射双缝时,在离双缝1.2 m 远的屏上,第1个亮条纹到第10个亮条纹的中心间距为22.78 mm。求:(保留两位有效数字)
(1)这种单色光的波长λ;(6分)
(2)双缝到第10条亮条纹中心的路程差s。(8分)
17.(20分)如图所示,在双缝干涉实验中,S1和S2为双缝,P是光屏上的一点,已知P点与S1和S2距离之差为2.1×10-6 m,现分别用A、B两种单色光在空气中做双缝干涉实验,问P点是亮条纹还是暗条纹
(1)已知A光在折射率为n=1.5的介质中波长为4×10-7 m;(10分)
(2)已知B光在某种介质中波长为3.15×10-7 m,当B光从这种介质射向空气时,临界角为37°。(10分)
阶段质量检测(五)
1.选C　真空玻璃管上采用镀膜技术,利用的是从镀膜前后表面反射回的光相互叠加抵消,增加透射光的强度,故该技术运用了光的干涉原理,故选项C正确。
2.选C　题图中改变实验条件后条纹间距增大,根据条纹间距表达式Δy=λ,可知改变的实验条件是仅增加了双缝到光屏之间的距离,或仅减小了双缝之间的距离,故A、B错误;绿光的波长小于红光,若题图2是绿色条纹,题图3可能是红色条纹,不可能是彩色条纹,故C正确,D错误。
3.选D　光在空气膜中的光程差为Δx=2d,即光程差为空气层厚度的2倍,当光程差Δx=nλ,(n=0,1,2,…),此处表现为亮条纹,当光程差为Δx=λ,(n=0,1,2,…),此处表现为暗条纹,所以任意相邻的亮条纹中心位置下方的空气膜厚度差相等,故D正确;根据上述分析可知,弯曲条纹中心位置下方的空气膜厚度相等,故C错误;当光程差Δx=nλ时,(n=0,1,2,…),此处表现为亮条纹,则相邻亮条纹之间的空气层的厚度差为λ,显然抽去一张纸后空气层的倾角变小,故相邻两条纹之间的距离变大,干涉条纹变稀疏了,故A错误;当光程差Δx=nλ时,(n=0,1,2,…),此处表现为亮条纹,则相邻亮条纹之间的空气层的厚度差为λ,蓝光的波长小于黄光的波长,则换用蓝光从上方入射,条纹变密集,故B错误。
4.选C　激光全息照相是利用了激光的干涉现象,故A错误;拍摄玻璃橱窗内的物品时,玻璃有反光,所以往往在镜头前加一个偏振片以削弱反射光的干扰,从而能清晰拍到玻璃橱窗内的物品,故B错误;光纤通信及医用纤维式内窥镜都利用了光的全反射原理,故C正确;激光方向集中,也就是平行度好,可以比较精确测量月球到地球的距离,故D错误。
5.选B　由于地面激光站或空间激光动力卫星与火箭相距较远,必须要求激光具有很好的平行度。推进剂在激光束的照射下受热而急剧膨胀,由此可知激光火箭还利用了激光高能量的特性,B正确。
6.选D　光的偏振现象说明光是横波,A错误;任何角度的光都会发生偏振现象,不同角度的观众看到的现象相同,该魔术对观众的观察角度无要求,B错误;当偏振片偏振方向与偏振光的振动方向平行时,偏振光可以全部通过偏振片,当偏振片偏振方向与偏振光的振动方向垂直时,偏振光不能通过偏振片,则在中间区域放两片偏振方向互相垂直的卷起来的偏振片时,自然光不能通过,形成黑影,看起来就像一道墙,一片偏振片无法完成实验,C错误,D正确。
7.选B　双缝干涉中,相邻两条亮条纹之间的距离Δx与双缝之间的距离d、双缝到屏的距离L及光的波长λ有关,即Δx=λ,依题意d=vΔt,则v==,故选项B正确。
8.选C　根据双缝干涉条纹的间距公式:Δy=λ,n==,可以知道光在水中的波长小于空气中的波长,所以在水中的干涉条纹间距x2小于填充前的干涉条纹间距x1,所以A、B错误;同时可得:x1=λ0,x2=λ=·,所以n=,故C正确,D错误。
9.选AC　根据光的干涉、色散、衍射成因知,选项A正确;光照到不透明小圆盘上,出现泊松亮斑,在其阴影中间处出现亮点,是衍射现象,选项B错误;薄膜干涉的条纹是两列频率相同的反射光发生干涉时出现的,因此应在入射光的同一侧观察,选项C正确;医院中用于体验的“B超”利用了超声波的反射原理,选项D错误。
10.选AB　薄膜干涉是薄膜前、后两个面的反射光叠加产生的,故甲应该从薄膜左侧观察干涉图样,故A正确;从薄膜的前、后表面分别反射的两列光是相干光,其光程差为Δx=2d,即光程差为薄膜厚度的2倍,当光程差Δx=nλ(n=1,2,3,…)时,表现为亮条纹,故相邻亮条纹之间的薄膜的厚度差为,在题图乙中相邻亮条纹(或暗条纹)之间的距离随坐标x增大而变大,可知薄膜厚度变化所用的距离逐渐变大,即乙实验中薄膜层厚度的变化率随坐标x增大而逐渐减小,故B正确,C、D错误。
11.选BC　设折射角为θ1,入射角为θ2,题设条件知,θ1a=θ1b,θ2a<θ2b,由n=,知na>nb,A错误;因为na>nb,所以λa<λb,做单缝衍射时用b光比a光中央亮条纹更宽,双缝干涉条纹间距Δy=λ,故Δya<Δyb,B正确,D错误;而波长越长,衍射现象越明显,C正确。
12.选AB　对于光束Ⅰ,在A点的入射角i=60°,折射角r==30°,则介质球对光束Ⅰ的折射率为n1==,光束Ⅱ和光束Ⅰ入射角相同,但光束Ⅱ折射角小,所以介质球对光束Ⅱ折射率大于,A正确。由v=,结合以上分析可知光束Ⅱ比光束Ⅰ在介质球中传播速度小,且路程大,所以进入介质球的光束Ⅰ一定比同时进入介质球的光束Ⅱ先射出介质球,B正确。从A点入射的光束Ⅱ,再射到界面时,入射角等于在A点的折射角,根据光路可逆原理知道,不会发生全反射,C错误。介质球对光束Ⅱ的折射率大,故光束Ⅱ的频率大,波长短,而干涉条纹间距与波长成正比,则光束Ⅱ的条纹间距比光束Ⅰ的条纹间距小,D错误。
13.解析:(1)由题图乙可知,条纹中间亮、两边暗,是衍射条纹,这位同学在缝屏上安装的是单缝。
(2)由于a光衍射条纹间距较小,则a光波长较短,根据f=,可知a光频率较大,A正确。在同一介质中,频率大的光折射率大,因此a光折射率更大,偏转角度更大,因此以相同角度斜射到同一玻璃板透过平行表面后,a光侧移量大,B错误;由于a光折射率更大,根据折射定律=n,可知a光折射角较小,C错误;a光频率较大,折射率较大,根据sin C=可知,a光临界角较小,以相同的入射角从水中射入空气,a光先发生全反射,在空气中只能看到一种光时,一定是b光,D错误。
(3)根据Δy=λ,可知选用间距较大的双缝相比于间距较小的双缝,条纹间距小,在光屏上可观察到更多条纹个数。
答案:(1)单缝　(2)A　(3)更多
14.解析:(1)题图甲装置中有三处光学元件的名称依次为:①凸透镜,②滤光片和单缝,③双缝。故选B。
(2)在B位置时游标卡尺读数为xB=16 mm+4×0.1 mm=16.4 mm。相邻两个亮条纹中心的距离Δx=≈0.88 mm。根据Δx=λ,该单色光的波长λ=≈7.0×10-7 m。
(3)若仅将红色滤光片换成绿色滤光片,绿光波长比红光短,相邻两个亮条纹中心的距离将减小。
答案:(1)B　(2)16.4　0.88　7.0×10-7　(3)减小
15.解析:为了使玻璃表面的反射光最大限度地被减弱,要求在玻璃表面所涂的增透膜的厚度,恰好满足从薄膜前后两个表面反射的光通过干涉相抵消,但薄膜的厚度不宜过大,增透膜厚度d=λ(k=0,1,…),其最小厚度应为光在薄膜中波长的。
设该光在薄膜中的波长为λ,频率为f0,则n===
故λ== m=5.6×10-7 m
增透膜的最小厚度d=λ=1.4×10-7 m=140 nm。
答案:140 nm
16.解析:(1)根据Δy=λ,可得λ=Δy=6.3×10-7 m。
(2)双缝到第10条亮条纹中心的路程差s=10λ=6.3×10-6 m。
答案:(1)6.3×10-7 m　(2)6.3×10-6 m
17.解析:已知P点与S1和S2的距离之差,由出现亮暗条纹的条件可判断是亮条纹或暗条纹。
(1)设A光在空气中波长为λ1,在介质中波长为λ2,由n=,得λ1=nλ2=1.5×4×10-7 m=6×10-7 m。
根据路程差Δr=2.1×10-6 m,所以N1===3.5。
由此可知,从S1和S2到P点的路程差Δr是波长λ1的3.5倍,所以P点为暗条纹。
(2)根据临界角与折射率的关系sin C=,得n==。
由此可知,B光在空气中波长λ2'为:
λ2'=nλ介=×3.15×10-7 m=5.25×10-7 m。
则路程差Δr和波长λ2'的关系:N2===4。
可见,用B光做光源,P点为亮条纹。
答案:(1)暗条纹　(2)亮条纹
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