北京市2011-2020年高考物理专项分类汇编之12 —光学（解析卷）

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北京市2011-2020年高考专项分类汇编之12 —
光学
（1）光的反射和折射
1.2017年北京卷14．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：D
解析：由题图可知，a光进入玻璃砖时的折射角较大，因此玻璃砖对a光的折射率较大，因此a光的频率应高于b光，故选项D正确。
2.2013年北京卷14．如图所示，一束可见光射向半圆形玻璃砖的圆心O，经折射后分为两束单色光a和b。下列判断正确的是
A．玻璃对a光的折射率小于对b光的折射率
B．a光的频率大于b光的频率
C．在真空中a光的波长大于b光的波长
D．a光光子能量小于b光光子能量
【答案】B
【解析】由题图可知a光在玻璃砖中的偏折程度较大，故玻璃砖对a光的折射率大，可假设a光是紫光，b光是红光，结合所学易知选项A、C错误，B正确；由可知a光光子能量大于b光光子能量，D错误。本题选B
3. 2012年理综北京卷14. 一束单色光经由空气射入玻璃，这束光的 （　A 　）
A 速度变慢，波长变短
B 速度不变，波长变短
C 频率增高，波长变长
D 频率不变，波长变长
解析：本题属于光学知识，考查光的折射。单色光由光疏介质——空气进入光密介质——玻璃，频率不变，但介质对光的折射率增大，可知光的波长和速度都减小，答案A。
4. 2014年理综北京卷20. 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 ，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）。若该材料对于电磁波的折射率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
【解析】由于该材料依然满足光的折射定律，且n = -1，故折射角大小等于入射角大小，且位于法线同一侧，根据折射是可逆的，当电磁波从该材料中进入空气时，也满足折射线与入射线位于法线同一侧，且折射角大小等于入射角大小，故B正确。
（2）光的干涉、衍射和偏振
5.2020年北京卷1．以下现象不属于干涉的是
A．白光经过杨氏双缝得到彩色图样
B．白光照射肥皂膜呈现彩色图样
C．白光经过三棱镜得到彩色图样
D．白光照射水面油膜呈现彩色图样
答案∶C
解析∶A．根据光的干涉定义可知白光经过杨氏双缝得到彩色图样是杨氏双缝干涉，故A错误；
B．由于重力的作用，肥皂膜形成了上薄下厚的薄膜，光线通过薄膜时频率不变，干涉条纹的产生是由于光线在薄膜前后两表面反射形成的两列光波的叠加，白光照射肥皂膜呈现彩色图样是属于干涉现象，故B错误；
C．白光经过三棱镜得到彩色图样是光在折射时产生的色散现象，故C正确；
D．水面上的油膜呈现彩色是光的干涉现象，属于薄膜干涉，故D错误；
故选C。
6.2019年北京卷14.利用图1所示的装置（示意图），观察光的干涉、衍射现象，在光屏上得到如图2中甲和乙两种图样。下列关于P处放置的光学元件说法正确的是
A. 甲对应单缝，乙对应双缝
B. 甲对应双缝，乙对应单缝
C. 都是单缝，甲对应的缝宽较大
D. 都是双缝，甲对应的双缝间距较大
答案：A
解析：单缝衍射图样为中央亮条纹最宽最亮，往两边变窄，双缝干涉图样是明暗相间的条纹，条纹间距相等，条纹宽度相等，结合图甲，乙可知，甲对应单缝，乙对应双缝，故A正确。
7.2018年北京卷、15．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 （ D ）
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
解析：当用白光做双缝干涉实验时，频率相同的色光相互叠加干涉，在光屏上形成彩色条纹，中央形成白色的亮条纹；当在光源与单缝之间加上红色滤光片后，只有红光能通过单缝，然后通过双缝后相互叠加干涉，在光屏上形成红色干涉条纹，光屏中央为加强点，所以中央条纹变成红色亮条纹，故选项D正确，ABC错误。
8.通州区2016届一模1．在双缝干涉实验中，实验装置如图所示，图中①②③④⑤依次是是光源、滤光片、单缝、双缝、光屏。调整实验装置中的双缝，使两狭缝间的距离增大，则在光屏上看到的条纹
A．条纹条数变少
B．条纹间距不变
C．条纹间距变大
D．条纹间距变小
【答案】D
【解】根据，使两狭缝间的距离d增大，则会使△x变小，选项D正确。
（3）光电效应
9.海淀区2020年春阶段性测试4．如图1所示，两束单色光a和b从水中射向水面的O点，它们进入空气后的光合成一束光c。根据这一现象可知，下列说法中正确的是
A．水对a光的折射率较大
B．从水射向空气时，a光全反射的临界角小于b光的临界角
C．两束光在从水进入空气时频率均保持不变
D．若a光照射到某金属上能发生光电效应，则b光照射该金属上不一定能发生光电效应
答： C
解析：由图可知，单色光a偏折程度小于b的偏折程度，所以a光的折射率小于b光的折射率．因此在水中a光的折射率小于b光的折射率，A错误；由公式可得，在水中a光的临界角大于b光的临界角，故B错误；两束光在从水进入空气时频率均保持不变，C正确；a光的折射率小于b光的折射率，可假设a 为红光，b为紫光，则红光的波长比紫光长，若a光照射到某金属上能发生光电效应，则b光照射该金属上一定能发生光电效应，D错误。
10.2017年北京卷18．2017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个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，真空光速）
A． B． C． D．
答：B
解析：一个处于极紫外波段的光子的能量为： =2×10-18J，由题意可知，光子的能量应比电离一个分子的能量稍大，因此数量级必须相同，故选项B正确。
11. 2013年北京卷20．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。换用同样频率为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KA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． B．
C． D．
解析：设电子在极短时间内吸收n个光子，由光电效应方程可得：，由动能定理，，联立解得。n只能为大于1的整数，所以选项B正确，ACD错误。
12.2019年北京卷19.光电管是一种利用光照射产生电流的装置，当入射光照在管中金属板上时，可能形成光电流。表中给出了6次实验的结果。
组 次 入射光子的能量/eV 相对光强 光电流大小/mA 逸出光电子的最大动能/eV
第 一
组 1
2
3 4.0
4.0
4.0 弱
中
强 29
43
60 0.9
0.9
0.9
第 二
组 4
5
6 6.0
6.0
6.0 弱
中
强 27
40
55 2.9
2.9
2.9
由表中数据得出的论断中不正确的是
A. 两组实验采用了不同频率的入射光
B. 两组实验所用的金属板材质不同
C. 若入射光子的能量为5.0 eV，逸出光电子的最大动能为1.9 eV
D. 若入射光子的能量为5.0 eV，相对光强越强，光电流越大
答案：B
解析：由题给表格中数据可知，两组实验所用入射光的能量不同，由公式可知，两组实验中所用的入射光的频率不同，故A正确；
由爱因斯坦质能方程可得：第一组实验：，第二组实验：，解得：，即两种材料的逸出功相同，也即材料相同，故B错误；
由爱因斯坦质能方程可得：，故C正确；
由题表格中数据可知，入射光能量相同时，相对光越强，光电流越大，故D正确。
本题选论断中不正确的答案，故应选B。
（4）测定玻璃的折射率
13.2015年理综北京卷21．
（1）“测定玻璃的折射率”的实验中，在白纸上放好玻璃砖，aa′ 和bb′ 分别是玻璃砖与空气的两个界面，如图1所示，在玻璃砖的一侧插上两枚大头针P1和P2，用“+”表示大头针的位置，然后在另一侧透过玻璃砖观察，并依次插上大头针P3和P4。在插P3和P4时，应使_____（选填选项前的字母）
A．P3只挡住P1的像
B．P4只挡住P2的像
C．P3同时挡住P1、P2的像
答案：C
解析：在“测定玻璃砖的折射率”实验中，由折射的光路可知插针时应使P3同时挡住P1、P2的像，P4同时挡住P1、P2、P3的像，故选项C正确。
（5）用双缝干涉测光的波长
14.2011年理综北京卷14．如图所示的双缝干涉实验，用绿光照射单缝S时，在光屏P上观察到干涉条纹。要得到相邻条纹间距更大的干涉图样，可以
A．增大S1与S2的间距
B．减小双缝屏到光屏的距离
C．将绿光换为红光
D．将绿光换为紫光
答：C
【解析】由于双缝干涉中，相邻条纹间距离，增大S1与S2的间距d，相邻条纹间距离Δx减小，A错误；减小双缝屏到光屏的距离L，相邻条纹间距离Δx减小，B错误；将绿光换为红光，使波长λ增大，相邻条纹间距离Δx增大，C正确；将绿光换为紫光，使波长λ减小，相邻条纹间距离Δx减小，D错误。
（6）光学综合
15.2015年理综北京卷24．（20分）真空中放置的平行金属板可以用作光电转换装置，如图所示。光照前两板都不带电。以光照射A板，则板中的电子可能吸收光的能量而逸出。假设所有逸出的电子都垂直于A板向B板运动，忽略电子之间的相互作用。保持光照条件不变，a和b为接线柱。已知单位时间内从A板逸出的电子数为N，电子逸出时的最大动能为Ekm，元电荷为e。
⑴求A板和B板之间的最大电势差Um，以及将a、b短接时回路中的电流I短；
⑵图示装置可看作直流电源，求其电动势E和内阻r；
⑶在a和b之间连接一个外电阻时，该电阻两端的电压为U。外电阻上消耗的电功率设为P；单位时间内到达B板的电子，在从A板运动到B板的过程中损失的动能之和设为ΔEk。请推导证明：P=ΔEk。
解：(1) 光照射A板后，A板发出的电子不断打到B板上，在AB间形成电场，将阻碍后续的电子向B板运动，当AB间的电势差达到最大值时，以最大初动能从A板逸出的电子也刚好不能到达B板，由到动能定理可得，
短路时在上A板上方设置与A平行等大的参考平面，时间t内通过参考平面的电荷量为Q=Nte,根据电流的定义式 可得，
(2) 电源电动势等于开路路端电压故，，由 闭合电路欧姆定律得，
(3)设单位时间内到达B板的电子数为N’，则电路中的电流 ，
则外电阻消耗的功率
光电子在两极板中运动时，两极板间电压为U,每个电子损失的动能
则单位时间内到达B板的电子损失的总动能
因此
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