高中物理人教版能力提升练习 选修3-4 第13 章　光的折射　全反射 Word版含解析

1.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,其透视方向是由光的强度决定。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的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,能有效的减弱噪声
D.热反射玻璃的单向透视性不遵从光路可逆性
【解析】选D。尽管热反射玻璃对紫外线有较高吸收率,能阻止过强紫外线对人体的伤害,故A正确。热反射玻璃对红外线有较高的反射率,具有保温隔热作用,故B正确。热反射玻璃和普通玻璃一样,能有效的减弱噪声,故C正确。根据题意知,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,说明热反射玻璃的单向透视性仍遵从光路可逆性。故D错误,本题不正确的,故选D。
【补偿训练】
　　关于下面四图,以下说法正确的是 (　　)
　A.甲图可能是单色光形成的双缝干涉图样
B.在乙漫画中,由于光的折射,鱼的实际位置比人看到的要深一些
C.丙图为一束含有红光、紫光的复色光c,沿半径方向射入半圆形玻璃砖,由圆心O点射出,分为a、b两束光,则用同一装置做双缝干涉实验时,用a光要比用b光条纹间距更大
D.丁图是光从玻璃射入空气里时的光路图,则其入射角是60°
【解析】选B。中央条纹宽,是单缝衍射的图样。故A错误。光从空气射入水中发生折射时,入射角大于折射角,鱼的实际位置比人看到的要深。故B正确。紫光的折射率比红光大,相同入射角,当光从玻璃射入空气时,紫光的折射角大,则a光束是紫光,b光束是红光。红光的波长长,干涉条纹间距大。故C错误。光从玻璃射入空气里时入射角小于折射角,故其入射角是30°。故D错误。
2.如图所示,夏天,在平静无风的海面上,向远方望去,有时能看到山峰、船舶、楼台、亭阁、集市、庙宇等出现在远方的空中。沙漠里有时也会看到远处的水源、仙人掌近在咫尺,可望而不可及,这就是“蜃景”。下列有关蜃景的说法中错误的是 (　　)
A.海面上上层空气的折射率比下层空气的折射率要小
B.沙面上上层空气的折射率比下层空气的折射率要小
C.A是蜃景,B是景物
D.C是蜃景,D是景物
【解析】选B。沙漠上下层空气温度比上层高,密度比上层小,故沙漠地表附近的空气折射率从下到上逐渐增大。远处的亭台楼阁、城墙古堡等发出的光线射向沙漠地表时,由于不断被折射,越来越偏离法线方向,进入上层的入射角不断增大,以致发生全反射,光线反射回空气,人们逆着光线看去,就会看到远方的景物悬在空中,而产生了“蜃景”现象,故沙漠中的“蜃景”现象的形成是由于发生了全反射。故A、C、D正确,B错误。本题选错误的,故选B。
3.如图是在高山湖泊边拍摄的一张风景照片,湖水清澈见底,近处湖面水下的景物(石块、砂砾等)都看得很清楚,而远处则只看到对岸山峰和天空彩虹的倒影,水面下的景物则根本看不到。下列说法中正确的是 (　　)
A.远处山峰的倒影非常清晰,是因为山峰的光线在水面上发生了全反射
B.光线由水射入空气,光的波速变大,波长变小
C.远处水面下景物的光线射到水面处,入射角很大,可能发生了全反射,所以看不见
D.近处水面下景物的光线到水面处,入射角较小,反射光强而折射光弱,因此有较多的能量射出水面而进入人眼睛中
【解析】选C。远处山峰的倒影非常清晰,是因为山峰的光线在水面上发生了反射,但不是全反射,因为全反射只有光从光密介质射入光疏介质时才可能发生,故A错误。光线由水射入空气,光的波速变大,频率不变,由波速公式v=λf知波长变大,故B错误。远处水面下景物的光线射到水面处,入射角很大,当入射角大于等于全反射临界角时能发生全反射,光线不能射出水面,因而看不见,故C正确。近处水面下景物的光线到水面处,入射角越小,反射光越弱而折射光越强,射出水面而进入人眼睛中能量越少,故D错误。故选C。
4.每年夏季,我国多地会出现日晕现象。日晕是当日光通过卷层云时,受到冰晶的折射或反射形成的。图甲所示为一束太阳光射到六角形冰晶时的光路图,a、b为其折射出的光线中的两种单色光。下列说法正确的是 (　　)
A.在冰晶中,b光的传播速度小
B.通过同一装置发生双缝干涉,b光的相邻条纹间距大
C.从同种玻璃射入空气发生全反射时,a光的临界角小
D.照射同一光电管时,a光使其逸出的光电子最大初动能大
【解析】选A。由图看出,太阳光射入六角形冰晶时,a光的偏折角大于b光的偏折角,由折射定律得知,六角形冰晶对a光的折射率小于对b光的折射率,由v=知b光的传播速度小,故A正确;a光的折射率小于b光的折射率,a光的频率小于b光的频率,所以a光的波长大于b光的波长,根据Δx=λ,a光相邻条纹间距大,故B错误;由临界角公式sin C=,a光的折射率小,a光的临界角大,故C错误;光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大,a光的频率小,所以a光逸出的光电子的最大初动能小,故D错误。
5.光在真空中的传播速度为c,在水中的传播速度为v。在平静的湖面上,距水面深h处有一个点光源,在水面上某些区域内,光能从水面射出,这个区域的面积为
(　　)
A.　　　　　　 B.
C. D.
【解析】选A。由折射率与光速关系公式:n=。根据题意,作出如图所示的光路示意图,其中入射角等于临界角C,根据全反射定律:sin C=
根据几何关系列式解出:r=
这个区域的面积:S=πr2==,故选A。
6.如图为一圆柱中空玻璃管,管内径为R1,外径为R2,R2=2R1。一束光线在圆柱横截面内射向玻璃管,为保证在内壁处光不会进入中空部分,则入射角i的最小值为 (　　)
A.30° B.45°
C.60° D.75°
【解析】选A。
光路图如图,设第一次折射角为r,全反射临界角为C,折射率为n。
光线从空气进入玻璃管折射时,由折射定律有:n=
得:sin r=
折射光线恰好在内壁发生全反射时入射角等于临界角C,则sin C=
对图中△ABO,由正弦定理得:=
可得:=
结合 R2=2R1
可解得:i=30°,所以为保证在内壁处光不会进入中空部分,入射角i的最小值为30°。故选A。
7.如图所示,一条圆柱形的光导纤维,长为L,它的玻璃芯的折射率为n1,外层材料的折射率为n2,光在空气中的传播速度为c,若光从它的一端射入经全反射后从另一端射出所需的最长时间为t,则下列选项中正确的是(图中所标的φ为全反射的临界角) (　　)
A.n1>n2,t=　　 　B.n1C.n1>n2,t= D.n1【解析】选C。如题图所示,欲使光在n1和n2的界面上发生全反射,需有:n1>n2,光在介质n1中的传播最长路程为:x=,传播速度为:v=
故最长时间为:t==,故ABD错误,C正确。
8.如图所示,ABC为一透明材料做成的柱形光学元件的横截面,该种材料的折射率n=2,AC为一半径为R的圆弧,O为圆弧面圆心,ABCO构成正方形,在O处有一点光源。若只考虑首次从圆弧AC直接射向AB、BC的光线,从点光源射入圆弧AC的光中,有一部分不能从AB、BC面直接射出,求这部分光照射的圆弧的弧长。
【解析】
设该种材料的临界角为C,则sin C=
解得C=30°
如图所示,若沿OE方向射到AB面上的光线刚好发生全反射,则∠AOF=30°,同理,若沿OG方向射到BC面上的光线刚好发生全反射,则∠COH=30°,因此∠FOH
=30°
根据几何关系可得=×2πR,解得=πR
答案:πR
9.(2019·全国卷Ⅰ)如图,一艘帆船静止在湖面上,帆船的竖直桅杆顶端高出水面3 m。距水面4 m的湖底P点发出的激光束,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°(sin53°=0.8)。已知水的折射率为。
(1)求桅杆到P点的水平距离;
(2)船向左行驶一段距离后停止,调整由P点发出的激光束方向,当其与竖直方向夹角为45°时,从水面射出后仍照射在桅杆顶端,求船行驶的距离。
【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;桅杆高度为h1,P点处水深为h2;激光束在水中与竖直方向的夹角为θ。由几何关系有=tan53°①
=tanθ②
由折射定律有sin53°=nsinθ ③
设桅杆到P点的水平距离为x,则x=x1+x2 ④
联立①②③④式并代入题给数据得x=7 m⑤
(2)设激光束在水中与竖直方向的夹角为45°时,从水面出射的方向与竖直方向夹角为i′,由折射定律有
sini′=nsin45°⑥
设船向左行驶的距离为x′,此时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′,则
x1′+x2′=x′+x ⑦
=tani′ ⑧
=tan45°⑨
联立⑤⑥⑦⑧⑨式并代入题给数据得
x′=(6-3) m=5.5 m⑩
答案:(1)7 m　(2)5.5 m
10.如图,一束光经玻璃三棱镜折射后分为两束单色光a、b,波长分别为λa、λb,该玻璃对单色光a、b的折射率分别为na、nb,则 (　　)
A.λa<λb,na>nb　　　　 B.λa>λb,naC.λa<λb,naλb,na>nb
【解题指南】解答本题时应从以下两点进行分析:
(1)相同入射角,折射率越大,偏折越明显。
(2)在同种介质中,光的频率越大折射率越大。
【解析】选B。由题图可知,b光偏折大,折射率大,频率大,波长小,故选B。
11.在用两面平行的玻璃砖测定玻璃折射率的实验中,其实验光路如图所示。对实验中的一些具体问题,下列说法中正确的是 (　　)
A.为了减小作图误差,P3和P4的距离应适当取大些
B.为减少测量误差,P1和P2的连线与玻璃砖界面的夹角应适当取大一些,但也不宜太大
C.若玻璃砖两表面不平行,对结果会造成较大误差
D.若P1、P2连线与法线NN′夹角过大,有可能在bb′面上发生全反射,所以在bb′一侧就看不到P1、P2的像
【解析】选A。为了减少作图误差,P3和P4的距离应适当取大些,故A正确。为了减小测量的误差,入射角应适当大一些,则P1、P2的连线与玻璃砖界面的夹角适当小一些,故B错误。玻璃砖两表面是否平行对测量结果没有影响,故C错误。根据光路可逆性原理可知,光线一定会从下表面射出,折射光线不会在玻璃砖的bb′表面发生全反射,则即使P1、P2的距离较大,通过玻璃砖仍然可以看到P1、P2的像,故D错误。
12.(2020·遵义模拟)如图所示为两个完全相同的半球形玻璃砖的截面,bc//b′c′,半径大小为R,其中OO′为两球心的连线,一细光束沿平行于OO′的方向由左侧玻璃砖外表面的a点射入,已知a点到轴线OO′的距离为R,光束由左侧玻璃砖的d点射出、然后从右侧玻璃砖的e点射入,最后恰好在右侧玻璃砖内表面的f点发生全反射,忽略光束在各面的反射,已知两玻璃砖的折射率均为。求:
(1)光束在d点的折射角;
(2)e点到轴线OO′的距离。
【解析】(1)由题意作出光路图,如图所示
a点到轴线OO′的距离为l=R ,由几何知识得sinθ== ,则入射角i1=θ=60° ,由折射定律有n=,解得r1=30°,由几何知识得i2=30°,根据折射定律有n= ,解得r2=60°
(2)从e点射入右侧玻璃砖的光线,入射角i3=r2=60° ,根据折射定律n=,解得r3=30°,光线在f点发生全反射,则sinC= ,在△O′ef中,由正弦定理得=,解得O′e=R,e点到轴线OO′的距离应为R
答案:(1)60°　(2)R