第五、六章　光的波动性 相对论 单元测试题 Word版含解析

单元素养评价(五)
(第五、六章)
(90分钟　100分)
一、选择题(本大题共10小题,每小题5分,共50分)
1.(2020·自贡高二检测)关于下列四幅图中所涉及物理知识的论述中,正确的是 (　　)
A.甲图是光的干涉图样
B.乙图是光的衍射图样
C.丙图是利用光的折射原理
D.丁图是光导纤维利用光的全反射原理,其内芯折射率小于外套的折射率
【解析】选C。甲图是光的衍射图样,乙图是光的干涉图样,故A、B错误;丙图是光的折射原理,C正确;丁图中光导纤维的内芯折射率大于外套的折射率,D错误。
2.话说有兄弟两个,哥哥乘坐宇宙飞船以接近光的速度离开地球去遨游太空,经过一段时间返回地球,哥哥惊奇地发现弟弟比自己要苍老许多,则该现象的科学解释是 (　　)
A.哥哥在太空中发生了基因突变,停止生长了
B.弟弟思念哥哥而加速生长了
C.由相对论可知,物体速度越大,在其上时间进程就越慢,生理过程也越慢
D.这是神话,科学无法解释
【解析】选C。根据相对论的时间延缓效应,当飞船速度接近光速时,时间会变慢,时间延缓效应对生命过程、化学反应等也是成立的。飞船运行的速度越大,时间延缓效应越明显,人体新陈代谢越缓慢。
3.如图所示,两光屏间放有两个透振方向相互平行的偏振片,现让太阳光沿轴线通过光屏M上的小孔照射到偏振片P上,再通过偏振片Q,现以光的传播方向为轴使偏振片P由图示位置旋转90度,下列说法正确的是 (　　)
A.M、N间为偏振光
B.P、Q间为自然光
C.P、Q间的光线亮度逐渐变暗
D.光屏N上的亮度逐渐变暗
【解析】选D。M、P间为自然光,经过偏振片P后变为偏振光,因此P、N间为偏振光,故A、B错误;由于自然光沿着各个方向振动的光波的强度都相同,因此经过偏振片P后,使偏振片P由图示位置旋转90度的过程中,P、Q间的光线亮度不变,故C错误;自然光沿轴线通过光屏M上的小孔照射到偏振片P上,再使偏振片P由图示位置旋转90度的过程中,当偏振片P与偏振片Q垂直时,光屏没有亮度,则光屏N上光的亮度逐渐变暗,故D正确;故选D。
4.(多选)关于激光,下列说法正确的是 (　　)
A.激光是用人工方法激发出的一种特殊的光
B.自然界中某些天然物体也可以发出激光
C.激光可以像刀子一样切除肿瘤
D.由于激光的方向性好,所以激光不能发生衍射现象
【解析】选A、C。激光是用人工方法激发的一种特殊的光,具有很强的相干性,选项A正确;普通光源发出的光是自然光,选项B错误;医用光刀利用激光方向性好、亮度高、能量强等特点切除肿瘤,选项C正确;激光是一种特殊的光,光的一切规律都可以直接应用于激光,选项D错误。
5.列车静止时,车厢长度与沿轨道方向排列的相邻电线杆间距离相等。当列车以接近光速行驶,车上的乘客观测车厢长度与相邻电线杆间距离,所得出的结论是 (　　)
A.车厢长度大于相邻电线杆间距离
B.车厢长度小于相邻电线杆间距离
C.向前观测时车厢长度小于相邻电线杆间距离
D.向后观测时车厢长度小于相邻电线杆间距离
【解析】选A。当列车以接近光速行驶,电线杆相对于列车的速度也接近光速,根据爱因斯坦相对论效应可知,相邻电线杆间距离将要缩短,而车上的乘客观测车厢的长度不变,则车厢长度大于相邻电线杆间距离,与观察的方向无关,故A正确,B、C、D错误。
6.(2020·德阳高二检测)1966年华裔科学家高锟博士提出一个理论:直径仅几微米的玻璃纤维就可以用来作为光的波导来传输大量信息,43年后高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖,他被誉为“光纤通讯之父”。以下哪个实验或现象的原理和光导纤维是相同的 (　　)
A.图甲中,弯曲的水流可以导光
B.图乙中,用偏振眼镜看3D电影,感受到立体的影像
C.图丙中,阳光下的肥皂薄膜呈现彩色
D.图丁中,白光通过三棱镜,出现色散现象
【解析】选A。图甲中,弯曲的水流可以导光是因为光在水和空气界面上发生了全反射现象,故与光导纤维原理相同,A正确;图乙中,用偏振眼镜看3D电影,感受到立体的影像是因为光的偏振现象,B错误;图丙中,阳光下的肥皂薄膜呈现彩色是因为光的干涉现象,C错误;图丁中,白光通过三棱镜,出现色散现象是因为光发生了折射现象,D错误。
7.(2019·北京高考)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
【解析】选A。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2甲、乙可知,甲对应单缝,乙对应双缝,故A正确,B、C、D错误。
8.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。
9.火箭以c的速度飞离地球,在火箭上向地球发射一束高能粒子,粒子相对地球的速度为c,其运动方向与火箭的运动方向相反。则粒子相对火箭的速度大小为 (　　)
A.c　　　B.c　　　C.c　　　D.c
【解析】选C。由u=得-c=,解得u′=-c,负号说明与v方向相反。
10.(多选)(2020·内江高二检测)如图甲所示,每年夏季,我国多地会出现日晕现象,日晕是日光通过卷层云时,受到冰晶的折射或反射形成的,如图乙所示为一束太阳光射到六角形冰晶上时的光路图,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光的传播速度较小
B.通过同一装置发生双缝干涉,a光的相邻条纹间距较大
C.从同种玻璃中射入空气发生全反射时,a光的临界角较小
D.用同一装置做单缝衍射实验,b光中央亮条纹更宽
【解析】选A、B。由题图乙可知,太阳光射入六角形冰晶时,a光的偏折角小于b光的偏折角,由折射定律可知,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光的传播速度较小,A正确;由a光的折射率小于b光的折射率,可知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可知,a光相邻条纹间距较大,B正确;a光的折射率较小,由临界角公式sin C=可知,a光的临界角较大,C错误;波长越长,中央亮条纹越宽,故a光的中央亮条纹更宽,D错误。
二、实验题(本大题共2小题,共14分)
11.(6分)如图所示是用光传感器做双缝干涉的实验装置。激光光源在铁架台的最上端,中间是刻有双缝的挡板,下面是光传感器。光传感器是一个小盒,在图中白色狭长矩形部分,沿矩形的长边分布着许多光敏单元。这个传感器各个光敏单元得到的光照信息经计算机处理后,在荧光屏上显示出来。
(1)下列关于本实验的操作与叙述正确的是　　　　(填字母)?
A.应该在光源和双缝之间加一个单缝,才能使实验成功
B.下移光源,使之更靠近刻有双缝的挡板,则干涉条纹间距减小
C.光源不动,下移双缝挡板,使之更靠近光传感器,则干涉条纹间距减小
D.保持光源和双缝挡板的距离不变,同时下移它们,使它们靠近光传感器,则干涉条纹间距不变
(2)用激光替代普通光源来做本实验,最主要是利用了激光的　　　　(填字母)?
A.相干性高　　　B.平行度好　　　C.亮度高
【解析】(1)因激光的相干性高,则光源和双缝之间不需要加一个单缝,故A错误;根据双缝干涉条纹的间距公式Δx=λ知,若下移光源,使之更靠近刻有双缝的挡板,减小光源与双缝间距,但干涉条纹间距不变,故B错误;光源不动,下移双缝挡板,使之更靠近光传感器,根据双缝干涉条纹的间距公式Δx=λ知,即减小双缝与光传感器的间距,那么干涉条纹间距会减小,故C正确;保持光源和双缝挡板的距离不变,同时下移它们,使它们靠近光传感器,根据双缝干涉条纹的间距公式Δx=λ知,则干涉条纹间距减小,故D错误。
(2)因激光的相干性高,因此可用激光替代普通光源来做实验,故A正确,B、C错误。
答案:(1)C　(2)A
12.(8分)利用双缝干涉测定单色光波长,某同学在做该实验时,第一次分划板中心刻度对齐A条纹中心时(图甲),游标卡尺的示数如图丙所示,第二次分划板中心刻度对齐B条纹中心时(图乙),游标卡尺的示数如图丁所示,已知双缝间距为 0.5 mm,从双缝到屏的距离为1 m,则图丙中游标卡尺的示数为　　　mm,图丁游标卡尺的示数为　　　mm。在实验中,所测单色光的波长为　　m。在本实验中如果在双缝上各有一个红色和绿色滤光片,那么在光屏上将　　　　　　(选填“能”或“不能”)看到明暗相间的条纹。?
【解析】根据游标卡尺的原理,可读出图丙的示数为11.4 mm,图丁的示数是
16.8 mm。
Δy= mm=1.35 mm。又根据Δy=λ,则λ==6.75×10-7 m。
当在双缝上各有一个红色和绿色滤光片时,不满足干涉条件,故不能看到明暗相间的条纹。
答案:11.4　16.8　6.75×10-7　不能
三、计算题(本大题共4小题,共36分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要注明单位)
13.(8分)如图为某双缝干涉的实验装置,当用波长为0.4 μm的紫光做实验时,由于像屏大小有限,屏上除中央亮条纹外,两侧只看到各有3条亮条纹,若换用波长为0.6 μm的橙光做实验,那么该像屏上除中央条纹外,两侧各有几条亮条纹?
【解析】设用波长为0.4 μm的光入射,条纹宽度为Δx1,则Δx1=λ1,屏上两侧各有3条亮纹,则屏上第三条亮纹到中心距离为3Δx1。 (2分)
用0.6 μm的光入射,设条纹宽度为Δx2,
则Δx2=λ2,设此时屏上有x条亮纹,
则有xΔx2=3Δx1 (2分)
所以xλ2=3λ1 (2分)
代入数据解得x=2,所以两侧各有2条亮纹。 (2分)
答案:2条
14.(8分)π+介子是一种不稳定粒子,平均寿命是2.6×10-8 s(在它自己的参考系中测得),则:
(1)如果此粒子相对于实验室以0.8c的速度运动,那么在实验室参考系中测量它的寿命为多长?
(2)它在衰变前运动了多长距离?
【解析】(1)已知Δt=2.6×10-8 s,v=0.8 c,根据t=得它在实验室中的寿命为
t= s≈4.3×10-8 s (4分)
(2)在衰变前它运动的距离为s=vt=0.8×3×108×4.3×10-8 m=10.32 m (4分)
答案:(1)4.3×10-8 s　(2)10.32 m
15.(10分)设想地球上有一观察者测得一宇宙飞船以0.60c的速率向东飞行,5.0 s后该飞船将与一个以0.80c的速率向西飞行的彗星相碰撞,试问:
(1)飞船中的人测得彗星将以多大的速率向飞船运动?
(2)从飞船中的时钟来看,还有多少时间允许它离开航线以避免与彗星碰撞?
【解析】(1)这是一个相对论速度变换问题。取地球为S系,飞船为S′系,向西为正向,则S系相对S′系的速度v=0.60c,彗星相对S系的速度ux=0.80c, (2分)
由速度变换可得u′x==0.946c
即彗星以0.946c的速率向飞船靠近。 (3分)
(2)由时间间隔的相对性有
Δt==5.0 s(3分)
解得Δt′=4.0 s(2分)
答案:(1)0.946c　(2)4.0 s
16.(10分)用氦氖激光器发出的红光进行双缝干涉实验,已知使用的双缝间距离d=0.1 mm,双缝到屏的距离L=6.0 m,测得屏上干涉条纹中亮纹的间距是3.8 cm。
(1)氦氖激光器发出的红光的波长λ是多少?
(2)如果把整个装置放入折射率是的水中,这时屏上的条纹间距是多少?
【解析】(1)由Δx=λ得,激光器发出的红光的波长λ=Δx=
m≈6.3×10-7 m。(4分)
(2)如果整个装置放入水中,激光器发出的红光在水中的波长为λ′== m≈4.7×10-7 m(3分)
这时屏上条纹间距是Δx′=λ′= m≈2.8×10-2 m=2.8 cm。(3分)
答案:(1)6.3×10-7 m　(2)2.8 cm