第五章 第四节 激光与全息照相 同步练习 (含答案解析)

第四节
激光与全息照相
建议用时
实际用时
满分
实际得分
90分钟
100分
一、选择题（本题包括10小题，每小题给出的四个选项中，有的只有一个选项正确，有的有多个选项正确，全部选对的得4分，选对但不全的得2分，有选错或不选的得0分，共40分）
纳米科技是跨世纪新科技，将激光束宽度聚集到纳米范围，可修复人体已损坏的器官，对DNA分子进行超微型基因修复，把令人类无奈的癌症、遗传疾病彻底根除.据此回答13题
1.这是利用了激光的（
）
A.单色性
B.方向性
C.高能量
D.粒子性
2.纳米科技是人类认识自然的一个新层次，1
nm等于（
）
A.10-6
m
B.10-9
m
C.10-10
m
D.10-12
m
3.对DNA进行修复，属于（
）
A.基因突变
B.基因重组
C.基因互换
D.染色体变异
4.让激光照到VCD机、CD机或计算机的光盘上，就可以读出盘上记录的信息，经过处理后还原成声音和图像，这是利用光的（
）?
A.平行性好，可以会聚到很小的一点上
B.相干性好，可以很容易形成干涉图样
C.亮度高，可以在很短时间内集中很大的能量
D.波长短很容易发生明显的衍射现象
5.在演示双缝干涉的实验时，常用激光做光源，这主要是应用激光的什么特性（
）?
A.亮度高?
B.平行性好
C.单色性好?
D.波动性好?
6.下列说法正确的是（
）??
A.激光可用于测距?
B.激光能量十分集中，只可用于加工金属材料?
C.外科研制的“激光刀”可以有效地减少细菌的感染??
D.激光可用于全息照相，有独特的特点?
7.关于激光的应用问题，下列说法中正确的是?（
）
A.光纤通信是应用激光平行度非常好的特点对信号进行调制，使其在光导纤维中进行传递信息
B.计算机内“磁头”读出光盘上记录的信息是应用了激光有相干性的特点来进行的
C.医学中用激光作“光刀”来切除肿瘤是应用了激光亮度高的特点
D.“激光测距雷达”利用激光测量很远目标的距离是应用了激光亮度高的特点
8.激光发光功率为，发出的激光在折射率为的介质中波长为λ，表示光在真空中的速度，下列说法中正确的是（
）?
A.该光在真空中的波长为
B.该光在真空中的波长为
C.该光的频率为
D.该光的频率为
9.以下说法正确的是（
）
A.光纤通信利用了激光相干性好的特点
B.激光武器利用了激光亮度高的特点
C.激光写、读利用了激光亮度高的特点
D.激光加工、激光手术和激光武器都利用了激光亮度高的特点
10.2001年国家最高科学技术奖授予中科院院士王选，表彰他在激光排版上的重大科技贡献，激光是一种电磁波，某种排版系统中激光的频率为4×1014
Hz，则该激光的波长为、（
）?
A.0.25
μm
B.0.50
μm
C.0.75
μm
D.1.33×106
m
二、填空题（本题共2小题，每小题6分，共12分.请将正确的答案填到横线上）
11.一台激光器，它的功率为，如果它发射出的单色光在空气中的波长为，则这束单色光的频率是
，它在时间t内辐射的光能为
，如果已知这束单色光在某介质中的传播速度为，那么这束单色光从该介质射向真空发生全反射的临界角为
.
12.应用激光平行性好的特性，可以精确地测量距离.对准目标发射一个极短的激光脉冲，测量发射脉冲与收到的反射脉冲的时间间隔，就可求出激光器到目标的距离.若在地球上向月球发射一个激光脉冲，测得从发射到收到反射脉冲所用的时间为2.56
s，则月球到地球的距离大约是??km.
三、计算题（本题共4小题，共48分.解答时应写出必要的文字说明、方程式和重要的演算步骤，只写出最后答案的不能得分.有数值计算的题，答案中必须明确写出数值和单位）
13.（10分）由于激光是亮度高、平行度好、单色性好的相干光，所以光导纤维中用激光作为信息高速传输的载体.要使射到粗细均匀的圆形光导纤维一个端面上的激光束都能从另一个端面射出，而不会从侧壁“泄漏”出来，光导纤维所用材料的折射率至少应为多大？?
14.（10分）一种红宝石激光器发射的激光是不连续的一道道闪光，每道闪光称为一个光脉冲，若这种激光器光脉冲的持续时间为1.0×10-11
s，波长为694.3
nm，发射功率为1.0×1010
W.?
（1）每列光脉冲的长度是多少？?
（2）用红宝石激光照射皮肤色斑，每平方厘米吸收能量达到60
J以后，色斑便逐渐消失，一颗色斑的面积为50
mm2，则它需要吸收多少个红宝石激光脉冲才能逐渐消失？?
15.（14分）一般认为激光器发出的频率为的“单色光”，实际上它的频率并不是真正单一的，激光频率是它的中心频率，它所包含的频率范围是(也称频率宽度)，让单色光照射到薄膜表面，一部分从前表面反射回来（这部分称为甲光），其余的进入薄膜内部，其中的一小部分从薄膜后表面反射回来，并从前表面射出（这部分称为乙光），甲乙这两部分光叠加而发生干涉，称为薄膜干涉，乙光相比甲光，要多在薄膜中传播一小段时间
Δ.理论和实践都证明，能观察到明显的干涉的现象的条件是：Δ的最大值Δ与Δ的乘积近似等于1，即只有满足Δ·Δ≈1，才会观察到明显、稳定的干涉现象.已知某红宝石激光器发出的激光＝4.32×1014
Hz，它的频率宽度Δ＝8.0×109
Hz，让这束单色光由空气斜射到折射率为=
的薄膜表面，射入时与薄膜表面成45°角，如图1所示.求：

图1
(1)从O点射入薄膜中的光线的传播方向及传播速度；
(2)估算图示情况下，能观察到明显干涉现象的薄膜的最大厚度.
16.（14分）利用激光遇到物体发生反射，可以测定物体的有关参量.如图2甲所示，为固定的激光发生器和接收器于一体的装置，为一辆在水平路面上做匀速直线运动的小车，现使对准匀速行驶的小车，使每隔固定时间发射一激光脉冲，如图2乙所示中幅度大的波形，而接收到的由小车返回的激光脉冲为如图乙所示幅度较小的波形，发射、接收激光脉冲的时间间隔如图乙所示，、、均为已知，则根据所给信息判断小车的运动方向，速度大小为多少.（光速为）

图2
第四节
激光与全息照相
答题纸
得分：
一、选择题
题号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
答案
二、填空题
11．
12.
三、计算题
13
14.
15
16.
第四节
激光与全息照相
参考答案
一、选择题
1.
C
解析：激光由于能把巨大能量高度集中地辐射出来，所以在医学上做“光刀”切开皮肤、切除肿廇或做其他外科手术.
2.B
解析：纳米是长度单位，波长经常用纳米作单位，1
nm=10-9
m.
3.A
解析：激光对生物DNA修复的实质是生物体基因突变.
4.A
解析：激光的特点之一是平行性好，它可以会聚到一个很小的点上，DVD、VCD、CD唱机或电脑上的光盘及刻录设备就利用了激光的这一特点，故A正确，B、C、D错误.
5.C
解析：频率相同的两束光相遇才能发生干涉，激光的单色性好，频率单一，通过双缝时能够得到两束相干光.故本题的正确选项是C.
6.ACD?解析：激光平行度好，即使在传播了很远的距离之后，它仍保持一定的强度，此特点可用于激光测距，A正确.激光的亮度高，能量十分集中，可用于金属加工、激光医疗、激光美容、激光武器等，B错误.激光具有很高的相干性，可用于全息照相，由于它记录了光的相应信息，所以看起来跟真的一样，立体感较强，D正确.由于激光亮度高、能量大，在切割皮肤等的同时，也能杀灭细菌，所以C正确.
7.C?解析：光纤通信主要利用激光的相干性，选项A错误；计算机内的“磁头”读出光盘上的信息主要应用了激光的平行性好，选项B错误；医疗中的激光“光刀”利用了激光的高亮度的特点，选项C正确；激光测距利用的是激光的平行性好，选项D错误.
8.AD
解析：注意光从一种介质进入另一种介质时，频率不会发生变化，对激光也是一样，由于速度变化的原因，波长会相应变化，对同一频率的光它在真空中的波长应大于介质中的波长.
9.ABD
解析：利用激光的相干性进行信息的传递.例如利用激光相干性好进行光纤通信；利用激光的平行度好进行精确测量和数据采集；利用激光的高度亮进行激光切割和焊接.
10.C
二、填空题
11.
arcsin

12.3.84×105
解析：真空中的光速=3.0×108
m/s，从发射脉冲到收到反射脉冲所用时间=2.56
s，月球与地球的距离为×3.0×108×2.56
m=3.84×105
km.?
三、计算题
13.
解析：要保证不会有光线从侧面跑出来，其含义是不管入射角多大都能在侧壁上发生全反射.令入射角等于90°，再由折射定律和全反射临界角公式、几何关系就可以求出材料的折射率.
设激光束在光导纤维端面的入射角为，折射角为，折射光线射向侧面时的入射角为，如图3所示.?
图3
由折射定律：，?
由几何关系：=90°，sin
cos
.?
由全反射临界角公式知：sin
，则，?
要保证从端面射入的任何光线都能发生全反射，应有=90°，sin
=1.故
解得=，即光导纤维的折射率应为≥.
14.
（1）3.0×10-3
m?(2)300个
解析：（1）光脉冲持续时间即为发射一列光脉冲所需的时间，
一列光脉冲的长度为：3.0×108×1.0×10-11
m=3.0×10-3
m.?
（2）一列光脉冲所携带的能量为：
?1.0×1010×1.0×10-11
J=0.1
J.
清除面积为50
mm2的色斑需要光脉冲数为：
300（个）.
15.（1）折射角为30°
2.12×108
m/s
(2)1.15
cm
解析：（1）设从点射入薄膜中的光线的折射角为，根据折射定律有：，折射角rcsin30°,光在薄膜中的传播速度≈2.12×108
m/s.
（2）乙光在薄膜中经过的路程,如图4所示.
乙光通过薄膜所用时间 .
当 t取最大值 tmax时，对应的薄膜厚度最大，又因为 · ≈1,所以,
解得：≈1.15×10-2
m1.15
cm.
图4
16.向右
解析：（1）若小车不动，发射激光脉冲后到接收返回脉冲的时间应恒定，而从图形看，从发射到接收的时间间隔逐渐增大，故可知小车速度方向与激光发射方向一致，即小车向右运动.
（2）要求小车的速度，关键是要求出小车通过的某段位移和所用时间，
可用运动学中处理追及问题的方法求解，作出运动示意图如图5所示.=，由题图乙可知，在这段位移内小车运动的时间.
故小车的速度大小为
.
图5