2026人教版高中物理选择性必修第一册--第四章　光同步练习（含解析）

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2026人教版高中物理选择性必修第一册
第四章　光
注意事项
1.本试卷满分100分,考试用时90分钟。
2.无特殊说明,本试卷中重力加速度g取10 m/s2。
一、单项选择题(本题共7小题,每小题4分,共28分。在每小题给出的四个选项中,只有一个选项符合题目要求)
1.在水中同一深度并排放着红、蓝、紫三种颜色的球,若在水面正上方俯视这三个球,感觉最深的是 (　　)
A.紫色球　　　　　　　　B.蓝色球
C.红色球　　　　　　　　D.三个球同样深
2.三块不同的透明材料叠加构成一体,一单色光在其中的传播路径如图所示,该单色光在三块材料中的传播速度依次为v1、v2、v3,下列关系式中正确的是 (　　)
A.v1>v2>v3　　　　B.v3>v1>v2　　　　C.v3>v2>v1　　　　D.v2>v1>v3
3.夜晚,汽车前灯发出的强光将在对向车道行驶的汽车的驾驶人照得睁不开眼,严重影响行车安全。若考虑将汽车前灯玻璃改用偏振玻璃,使射出的灯光变为偏振光,同时汽车前窗玻璃也采用偏振玻璃,其透振方向正好与灯光的振动方向垂直,但还要能看清自己车灯发出的光所照亮的物体。假设所有的汽车前窗玻璃和前灯玻璃均按同一要求设置,如下措施中可行的是　 (　　)
A.前窗玻璃的透振方向是竖直的,车灯玻璃的透振方向是水平的
B.前窗玻璃的透振方向是竖直的,车灯玻璃的透振方向是竖直的
C.前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°,车灯玻璃的透振方向是斜向左上45°
D.前窗玻璃和车灯玻璃的透振方向都是斜向右上45°
4.如图所示为一透明薄膜的竖直截面。现用平行单色光照射该透明薄膜,形成的明暗相间的条纹图像正确的是(灰色区域表示暗条纹) (　　)
　　　　　　　　　　　　
5.光纤在现代通信中有着巨大作用,如图所示,由透明材料制成的光纤纤芯的折射率大于包层的折射率,若纤芯的折射率为n1,包层的折射率为n2,则当光由纤芯射向包层时,发生全反射的临界角C满足sin C=。一施工工程要求在某处光纤轴线的转弯半径为R,设整束光垂直于端面且平行于轴线入射,为保证所有的光信号都能发生全反射,则在铺设光纤时,光纤纤芯的横截面半径a最大为 (　　)
A.　　　　B.　　　　C.　　　　D.
6.夜晚用光照射透明小球,小球会显得光芒四射。一细束足够强的单色光从D点平行于直径AB射入由某种透明材料制成的小球,最终在小球外有四条光线射出,如图所示。已知小球的半径为R,入射点D与直径AB间的距离为R。则该材料对光的折射率为 (　　)
A.　　　　B.　　　　C.2　　　　D.
7.如图甲所示,倒挂的彩虹被叫作“天空的微笑”,实际上它不是彩虹,而是日晕,专业名称叫“环天顶弧”,是由薄而均匀的卷云里面大量扁平的六角片状冰晶(直六棱柱)折射形成的,因为大量六角片状冰晶的随机旋转而形成“环天顶弧”。光线从冰晶的上底面进入,经折射从侧面射出,简化光路如图乙所示,当太阳高度角α增大到某一临界值,侧面的折射光线因入射光发生全反射而消失不见,以下分析正确的是 (　　)
　　
A.光线从空气进入冰晶后波长变长
B.红光在冰晶中的传播速度比紫光在冰晶中的传播速度小
C.光线可能在下底面发生全反射
D.若太阳高度角α等于30°时恰好发生全反射,可求得冰晶的折射率为
二、多项选择题(本题共3小题,每小题6分,共18分。在每小题给出的四个选项中,有多个选项符合题目要求,全部选对的得6分,选对但不全的得3分,有选错或不答的得0分)
8.为起到更好的隔音效果,阳台窗户使用双层玻璃,双层平行玻璃中间是氙气,两块玻璃的厚度相同,均为h。用一支激光笔,让激光从窗户一侧与玻璃成60°角入射并记录入射点A,同时记录A点在对面玻璃外面的投影点A',如图所示。然后在窗户另一侧记录激光出射点的位置B。测量A'、B的距离为d。已知玻璃对该激光的折射率为1.5,可认为氙气对该激光的折射率为1。该激光在真空中的传播速度为c,不考虑多次反射,则下列说法正确的是 (　　)
A.激光在氙气中的传播速度比在玻璃中的慢
B.双层玻璃中间氙气的厚度为
C.激光从A到B在玻璃中的传播时间为
D.激光从A到B的传播时间为
9.半径为R的半圆柱形玻璃砖置于空气中,其横截面如图所示,O为圆心,AB面水平,设光在空气中的传播速率为c。一束单色光与水平面成45°角照射到AB面上的D点,D为OA中点,折射光线刚好照射到圆弧最低点C,光线在C点折射后照射到地面上的E点(图中未画出),现将入射点从D点移到O点,保持入射方向始终与原入射方向平行,最终光线也照射到地面上的E点,不考虑光的反射。则下列说法正确的是 (　　)
A.玻璃砖对光的折射率为
B.C点到E点的距离为2R
C.C点离地面的高度为R
D.光在玻璃砖中的传播速率为c
10.如图所示,半圆形玻璃砖可绕过圆心的水平轴转动,圆心O与竖直放置的足够大光屏的距离d=20 cm,初始时半圆形玻璃砖的直径与光屏平行,一束光对准圆心、垂直于光屏射向玻璃砖,在光屏上O1点留下一光点,保持入射光的方向不变,让玻璃砖绕O点顺时针方向转动α(α<90°)角,光屏上光点也会移动,当α=30°时,光屏上光点位置距离O1点20 cm,sin 75°=。下列说法正确的是 (　　)
A.玻璃砖转动后,光屏上的光点相对于O1点向下移动
B.该玻璃砖的折射率为
C.该玻璃砖的折射率为
D.当α满足 sin α=时,光屏上的光点消失
三、非选择题(本题共5小题,共54分)
11.(8分)某同学做实验测量水的折射率,他把一盏防水小灯泡放置在水槽底部中心位置,水槽的直径足够大,小灯泡可看成点光源。此时,在水面上均匀撒上痱子粉,小灯泡发出的光射向水面后,发现水面中央有一直径为d的圆形区域(亮斑)明显比其他区域亮,如图甲所示。
　　
(1)如图乙所示,水面中央产生亮斑,是因为小灯泡发出的光在该区域中能折射出水面。其余区域比较暗,是因为小灯泡发出的光在这些区域发生　　　　(填选项前字母代号)。
A.全反射　　　　B.衍射　　　　C.干涉
(2)用刻度尺测出水面圆形亮斑的直径d,用游标卡尺测出灯泡顶端到水面的竖直距离h,示数如图丙所示,则h=　　　　cm,可以计算得到水的折射率为n=　　　　(结果用h和d表示)。
(3)若水面的高度下降,亮斑将　　　(填“变大”“不变”或“变小”)。
12.(8分)某同学通过双缝干涉实验测量发光二极管(LED)发出光的波长。图甲为实验装置示意图,双缝间距d=0.450 mm,双缝到毛玻璃的距离l=365.0 mm,实验中观察到的干涉条纹如图乙所示。
　　
当分划板中心刻线对齐第1条亮条纹中心,手轮上的读数为x1=2.145 mm;当分划板中心刻线对齐第5条亮条纹中心,手轮上的读数为x5=4.177 mm。完成下列填空:
(1)相邻两条亮条纹间的距离Δx=　　　　mm。
(2)根据　　　　可算出波长(填选项前字母代号)。
A.λ=　　　　B.λ=Δx　　　　C.λ=
(3)待测LED发出光的波长为λ=　　　　nm(结果保留3位有效数字)。
(4)若改用频率较大的单色光照射,得到的干涉条纹间距将　　　　(填“变大”“不变”或“变小”)。
13.(12分)为了降低光通过照相机镜头等光学元件表面因反射造成的光能损失,人们在这些光学元件的表面镀上透明的薄膜,即增透膜(如图甲)。增透膜上下两个表面的反射光会因发生干涉而相互抵消,增加了透射光的能量。若将照相机镜头等光学元件简化为矩形元件,某单色光垂直光学元件上单层镀膜的上表面入射,如图乙所示,其中增透膜的厚度为d1,光学元件的厚度为d2,光在空气中的速度近似为c。
(1)增透膜对该单色光的折射率为n1,光学元件对该单色光的折射率为n2,求该光穿过增透膜和光学元件的时间t;
(2)为了增强绿光的透射强度,需要在镜头前镀上对绿光的折射率为n=1.4的增透膜,已知镜头材料对绿光的折射率大于1.4,绿光在空气中的波长λ=560 nm,求增透膜的最小厚度dmin。
　　
14.(12分)如图所示,一艘帆船静止在湖面上,帆船的竖直桅杆顶端高出水面4.5 m。距水面6 m的湖底P处有一点光源,P发出的一束光从水面出射后恰好照射到桅杆顶端,该出射光束与竖直方向的夹角为53°,已知水的折射率为,sin 53°=0.8,cos 53°=0.6。
(1)求桅杆到P点的水平距离;
(2)求P发出的光能从水面射出时对应的水面面积(结果用π表示)。
15.(14分)如图所示,△ABC为直角三棱镜的横截面,四分之一圆EOF是半径为R、圆心为O的柱形玻璃砖的横截面,其中AC边和OE边在同一直线上,BC边平行于OF边,∠ABC=30°。横截面所在平面内,一单色光以θ=60°角从G点入射到三棱镜,折射光线垂直BC边射出,之后光线从H点射入玻璃砖中并在OF边恰好发生全反射。已知玻璃砖和三棱镜对该单色光的折射率相同,求:(结果均可用根号及分数表示)
(1)玻璃砖对该单色光的折射率;
(2)H点到OE边的距离。
答案与解析
1.C　光源在水中视深与实际深度的关系是h视=,其中,h视为看到的深度,h实为实际深度,n为折射率,由于三种颜色球的实际深度相同,而水对红光的折射率最小,所以看到最深的是红色球,选项C正确。
2.A　根据题图可知,三块材料对该单色光的折射率满足n1v2>v3,故选A。
3.D　若前窗玻璃的透振方向竖直、车灯玻璃的透振方向水平,从车灯发出的光照射到物体上反射回的光线将不能透过前窗玻璃,司机面前将是一片漆黑,选项A错误;若前窗玻璃与车灯玻璃透振方向均竖直,则在对向车道行驶的汽车的车灯发出的光仍能照得驾驶人睁不开眼,选项B错误;若前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°,车灯玻璃的透振方向是斜向左上45°,则车灯发出的光经物体反射后无法透射进本车前窗内,却可以透射进在对向车道行驶的汽车的前窗内,选项C错误;若前窗玻璃和车灯玻璃的透振方向都是斜向右上45°,会使在对向车道行驶的汽车的车灯发出的光与自己车窗玻璃的透振方向垂直,避免了在对向车道行驶的汽车发出的强光的照射,自己车灯发出的光经物体反射后也能透射进本车前窗内,D正确。
4.C　同一条纹对应的薄膜厚度相同,薄膜厚度自左向右变化得越来越慢,自左向右条纹间距越来越大,选项C正确。
5.C　根据题意可知,临界状态是光垂直于端面从纤芯的下表面边缘入射时,在上表面发生全反射,如图所示,则有sin C==,解得a=,选项C正确。
6.D　如图所示,由题意可知,光线在小球上的入射角θ满足sin θ==,可得θ=60°,光线在球内反射,反射光线构成一个四边形,该四边形各顶点处光线的反射角等于入射角,可知该四边形是正方形,则光线在D处的折射角r=45°,则折射率为n==,选项D正确。
7.D　光在空气中的传播速度比在固体中的传播速度大,频率不变,根据v=λf知光线从空气进入冰晶后波长变短,选项A错误;红光的频率小于紫光的频率,则冰晶对红光的折射率小于对紫光的折射率,根据v=可知红光在冰晶中的传播速度比紫光在冰晶中的传播速度大,选项B错误;如图所示,光线在冰晶侧面发生反射,根据几何关系可知∠1=∠2=∠3=∠4,根据折射定律以及光路可逆,可知无论角α如何增大,光线总会与下底面成α角射出,若光线在上底面入射并发生折射后,折射光线直接射到下底面,则上底面处的折射角等于下底面处的入射角,光线也是总会与下底面成α角射出,所以在下底面不可能发生全反射,选项C错误;当α=30°时恰好发生全反射,由折射定律得n=,由全反射的临界角公式得sin(90°-∠2)=,由几何关系得∠1=∠2,联立解得n=,选项D正确。
8.BC　根据折射率公式n=可知,折射率越大,光在介质中的传播速度越慢,所以激光在氙气中的传播速度比在玻璃中的快,选项A错误;作出激光的传播路线图如图所示,设光在玻璃中的折射角为θ,根据折射定律,有n==1.5,所以sin θ=,由几何关系得d=2h tan θ+H tan 30°,解得双层玻璃中间氙气的厚度为H=,选项B正确;激光在玻璃中传播的路程s1==,激光在玻璃中的传播速度为v=,所以激光在玻璃中的传播时间t1===,选项C正确;激光在氙气中的传播时间为t2==,所以激光从A到B的传播时间为t=t1+t2=,选项D错误。
9.CD　画出光路如图所示,光线在AB面上入射时与AB的夹角为α=45°,根据几何关系有tan β==,则sin β=,折射率n==,选项A错误;∠FCE=90°-α=45°,根据几何关系有tan∠FCE=, tan β=,CE=,联立解得CF=R,CE=R,选项B错误,C正确;光在玻璃砖中的传播速率v==c,选项D正确。
10.CD　玻璃砖转动后,画出此时的光路图,如图所示,则光屏上的光点相对于O1点向上移动,选项A错误;当α=30°时,入射角i=30°,根据几何关系可得θ满足tan θ===1,解得θ=45°,则折射角r=45°+30°=75°,根据折射定律可得=,解得折射率n=,选项B错误,C正确;发生全反射时,有sin C==,则sin α=sin C==,选项D正确。
11.答案　(1)A(2分)　(2)5.650(2分)　(2分)
(3)变小(2分)
解析　(1)水面中央产生亮斑,是因为小灯泡发出的光在该区域中能折射出水面。其余区域比较暗,是因为小灯泡发出的光在这些区域发生全反射,折射光线消失,故选A。(2)根据游标卡尺读数规则可得h=56 mm+10×0.05 mm=56.50 mm=5.650 cm,根据题意,设临界角为C,如图所示,由几何关系可得sin C=,由sin C=,联立解得n==。(3)由n=知,若水面的高度下降,即h变小,而折射率n不变,可知直径d变小,亮斑将变小。
12.答案　(1)0.508(2分)　(2)B(2分)　(3)626(2分)　(4)变小(2分)
解析　(1)相邻两条亮条纹间的距离为Δx== mm=0.508 mm。
(2)根据相邻两条亮条纹间的距离与光的波长关系Δx=λ,可得波长为λ=Δx,故选B。
(3)待测LED发出光的波长为λ=Δx=×0.508×10-3 m≈6.26×10-7 m=626 nm。
(4)频率较大的单色光波长较短,根据双缝干涉条纹间距公式Δx=λ可知若改用频率较大的单色光照射,得到的干涉条纹间距将变小。
13.答案　(1)　(2)100 nm
解析　(1)单色光在增透膜中的传播速度v1满足n1= (1分)
单色光在光学元件中的传播速度v2满足n2= (1分)
又因为t=+ (1分)
解得t= (2分)
(2)增透膜上下两个表面的反射光因发生干涉而相互抵消,则光程差要等于半波长的奇数倍,设绿光在增透膜中的波长为λ0,则
2d=(2k+1)(k=0,1,2,3,…) (2分)
又n== (2分)
解得d=(2k+1)(k=0,1,2,3,…) (1分)
当k=0时增透膜厚度最小,为dmin= (1分)
代入数据解得dmin=100 nm (1分)
14.答案　(1)10.5 m　(2)π m2
解析　(1)设光束从水面射出的点到桅杆的水平距离为x1,到P点的水平距离为x2,桅杆顶端到水面的距离为h1,P点处水深为h2,光束在水中与竖直方向的夹角为θ。由几何关系有=tan 53°= (1分)
=tan θ (1分)
由折射定律有n== (2分)
联立解得x1=6 m,x2=4.5 m
则桅杆到P点的水平距离为x=x1+x2=10.5 m (2分)
光束刚好在水面发生全反射时,入射角恰好等于临界角C,且满足sin C=
(1分)
由几何关系可得sin C= (2分)
面积S=π·r2 (1分)
联立解得S=π m2 (2分)
15.答案　(1)　(2)R
解析　(1)画出光路图,如图所示
由几何关系可知光线在G点的折射角β=∠ABC=30° (1分)
根据折射定律得,玻璃砖和三棱镜对该单色光的折射率为n= (2分)
解得n= (2分)
(2)在H点,由折射定律得n= (1分)
设临界角为C,则有sin C== (1分)
根据数学函数关系中sin2 C+cos2 C=1可得cos C= (1分)
由几何关系可知γ=α-C (1分)
根据数学函数关系可得tan α=+1,sin α= (1分)
则H点到OE边的距离为d=R sin α (2分)
解得d=R (2分)
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