2020-2021学年物理教科版选修3-4模块素养评价 Word版含解析

模块素养评价
(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.(多选)(2020·乐山高二检测)有两个简谐运动的振动方程分别是:x1=
3sin(100πt+),x2=5sin(100πt+),下列说法正确的是 (　　)
A.它们的振幅相同　　　　 B.它们的周期相同
C.它们的相位差恒定 D.它们的振动步调一致
【解析】选B、C。依据两个振动方程我们知道:
第一个简谐运动的振幅为3;频率为ω1=2πf=100π,则f1=50 Hz;初相为。
第二个简谐运动的振幅为5,频率为ω2=2πf=100π,则f2=50 Hz;初相为。
所以,选项A错,B对;由于它们的振动周期相同所以它们的相位差为-,有确定的值,故选项C正确。选项D不对。
2.如图所示,人眼隔着偏振片B、A去看一只电灯泡S,一束透射光都看不到,那么,以下说法中正确的是 (　　)
A.使A和B同时转过90°,能够看到透射光
B.单使B转过90°过程中,看到光先变亮再变暗
C.单使B转过90°过程中,看到光逐渐变亮
D.单使A转动时,始终看不到透射光
【解析】选C。当两个偏振片的透振方向垂直时看不到透射光,当两个偏振片的透振方向平行时透射光最强,故选C。
3.(多选)利用薄膜干涉可检查工件表面的平整度。如图(a)所示,现使透明标准板M和待检工件N间形成一楔形空气薄层,并用单色光照射,可观察到如图(b)所示的干涉条纹,条纹的弯曲处P和Q对应于A和B处,下列判断中正确的是 (　　)
A.N的上表面A处向上凸起
B.N的上表面B处向上凸起
C.条纹的c、d点对应处的薄膜厚度相同
D.若减小薄片的厚度,则干涉条纹间距会增大
【解析】选B、C、D。薄膜干涉是等厚干涉,即明条纹处空气膜的厚度相同。条纹的c、d点在同一条纹上,所以c、d点对应处的薄膜厚度相同,从弯曲的条纹可知,A处检查平面左边处的空气膜厚度与后面的空气膜厚度相同,可知A处凹陷,B处检查平面右边处的空气膜厚度与后面的空气膜厚度相同,可知B处凸起,故A错误,B正确;由图可知,条纹间距相等,则条纹的c、d点对应处的薄膜厚度也相同,故C正确;当减小薄片的厚度,即减小空气薄层的宽度,导致同级的光程差的间距变大,则干涉条纹间距会增大,故D正确。
4.光线由空气透过半圆形玻璃砖,再射入空气的光路图中,正确的是(玻璃的折射率为1.5) (　　)
A.图乙、丙、丁　　　　　　　　　B.图乙、丁
C.图乙、丙 D.图甲、丙
【解析】选B。题图甲、乙,光由空气进入玻璃,由光疏介质进入光密介质,应有θ1>θ2,乙正确,甲错误;题图丙、丁,光由玻璃进入空气中,sin C5.(2020·泸州高二检测)如图所示,在水面下同一深度并排紧挨着放置分别能发出红光、黄光、蓝光和紫光的四个灯泡,一人站在这四盏灯正上方离水面有一定距离处观察,他感觉离水面最近的那盏灯发出的光是 (　　)
A.红光　　　B.黄光　　　C.蓝光　　　D.紫光
【解析】选D。如图所示,从空气中观察灯泡时,灯泡P发出的光经水面折射后进入人的眼睛,折射光线的延长线交于P′点,P′就是灯P的虚像,P′的位置比实际位置P离水面的距离要近些。
当入射角β较小时,P′的位置在P的正上方,有:
sinα=,sinβ=,
n=
竖直向下看时,d接近于零,故n=,即:h=H
因紫光的折射率最大,故紫光的视深最小。
6.平衡位置处于坐标原点的波源S在y轴上振动,产生频率为50 Hz的简谐横波向x轴正、负两个方向传播,波速均为100 m/s。平衡位置在x轴上的P、Q两个质点随波源振动着, P、Q的x轴坐标分别为xP=3.5 m、xQ=-3 m。当S位移为负且向-y方向运动时,P、Q两质点的 (　　)
A.位移方向相同、速度方向相反
B.位移方向相同、速度方向相同
C.位移方向相反、速度方向相反
D.位移方向相反、速度方向相同
【解析】选D。该波的波长λ== m=2 m,xP=3.5 m=λ+λ,xQ=3 m=λ+λ,此时P、Q两质点的位移方向相反,但振动方向相同,选项D正确。
7.如图所示为一列在均匀介质中沿x轴正方向传播的简谐横波在某时刻的波形图,波速为4 m/s。图中A、B、C、D、E、F、G、H各质点中 (　　)
A.沿y轴正方向速率最大的质点是D
B.沿y轴正方向加速度最大的质点是B
C.经过Δt=0.5 s质点D将向右移动2 m
D.经过Δt=2.5 s,质点D的位移是0.2 m
【解析】选A。在平衡位置的质点速率最大,又从传播方向可以判断,质点D向上振动,质点H向下振动,所以A项正确;在最大位移处的质点加速度最大,加速度的方向与位移方向相反,B质点的加速度方向向下,B项错误;质点只能在平衡位置两侧上下振动,并不随波迁移,C项错误;波传播的周期T==1 s,经过Δt=
2.5 s=2.5T,质点D仍位于平衡位置,所以位移为0,D项错误。
8.(多选)抗击新冠肺炎疫情的战斗中,中国移动携手“学习强国”推出了武汉实景24小时直播,通过5G超高清技术向广大用户进行九路信号同时直播武汉城市实况,全方位展现镜头之下的武汉风光,共期武汉“复苏”。5G是“第五代移动通信技术”的简称,其最显著的特征之一为具有超高速的数据传输速率。5G信号一般采用3.3×109～6×109 Hz频段的无线电波,而现行第四代移动通信技术4G的频段范围是1.88×109～2.64×109 Hz,则 (　　)
A.5G信号比4G信号所用的无线电波在真空中传播得更快
B.5G信号相比于4G信号更不容易绕过障碍物,所以5G通信需要搭建更密集的基站
C.空间中的5G信号和4G信号不会产生干涉现象
D.5G信号是横波,4G信号是纵波
【解析】选B、C。任何电磁波在真空中的传播速度均为光速,故传播速度相同,故A错误;5G信号的频率更高,波长更短,故相比4G信号不易发生衍射现象,则5G通信需要搭建更密集的基站,故B正确;5G信号和4G信号的频率不同,则它们相遇不能产生稳定的干涉现象,故C正确;电磁波均为横波,故5G信号和4G信号都是横波,故D错误;故选B、C。
9.(多选)图中所示,Ox轴沿水平方向,Oy轴沿竖直向上方向。在x≥0,y≥0的矩形区域内存在某种分布范围足够广的介质。其折射率只随着y的变化而变化。有两束细光来a、b入射到介质表面,沿如图所示的路径传播。下列判断正确的是 (　　)
A.此介质的折射率随着y的增大而增大
B.介质对光a的折射率比对光b的折射率大
C.产生海市蜃楼现象与上述现象的光学原理类似
D.细光束a在继续传播的过程中可能会发生全反射
【解析】选C、D。介质的折射率随着y的变化而变化,由图知,y一定时,入射角小于折射角,则知此介质的折射率随着y的增大而减小,故A错误。由光线的偏折程度知介质对光a的折射率比对光b的折射率小,故B错误;海市蜃楼发生时空气折射率随高度的增大而减小,与此介质折射率的变化相似,故C正确。光从光密介质进入光疏介质,可能发生全反射,故D正确。
10.(多选)(2020·广元高二检测)图1中的B超成像的基本原理是探头向人体发射一组超声波,遇到人体组织会产生不同程度的反射,探头接收到的超声波信号由计算机处理,从而形成B超图像。图2为血管探头沿x轴正方向发送的简谐超声波图像,t=0时刻波恰好传到质点M。已知此超声波的频率为1×107 Hz。下列说法正确的是 (　　)
A.血管探头发出的超声波在血管中的传播速度为1.4×103 m/s
B.t=1.25×10-7 s时质点M运动到横坐标x=3.5×10-4 m处
C.0～1.25×10-7 s内质点M运动的路程为2 mm
D.t=1.5×10-7 s时质点N恰好处于波谷
【解析】选A、C、D。由题图2知波长λ=14×10-2 mm=1.4×10-4 m,由v=λf得波速v=1.4×10-4 m×1×107 Hz=1.4×103 m/s,选项A正确;质点M只会上下振动,不会随波迁移,选项B错误;质点M振动的周期T=1×10-7 s,由于==,质点M在0～1.25×10-7 s内运动的路程L=×4A=2 mm,选项C正确;t=1.5×
10-7 s时波传播的距离L=1.4×103 m/s×1.5×10-7 s=2.1×10-4 m=21×10-2 mm,波谷恰好传到N位置,故选项D正确。
二、实验题(本大题共2小题,共13分)
11.(6分)英国物理学家托马斯·杨第一次在实验室用图1所示的实验装置观察到光的干涉现象。图中M为光源,N是有一个小孔的屏,O是有两个非常靠近大小相同的小孔的屏,两小孔与N上小孔的距离相同;P为像屏。
(1)该实验设置O屏的目的是　 。?
(2)呈现在P屏上的光的干涉图样应该是图2中的　　　　(选填“甲”或“乙”)。?
【解析】(1)在干涉实验中,两光的频率需相同,则O屏的作用是得到相干光源。
(2)因为干涉图样应与双孔平行,则乙图样是正确的。
答案:(1)获得相干光源(或产生频率相同的两束光)
(2)乙
12.(7分)(1)实验室有一梯形玻璃砖,某同学想用“插针法”测定玻璃的折射率。玻璃砖有4个光学面A、B、C、D,如图1所示,其中A、C两面相互平行,实验中该同学对入射面和出射面的认识正确的是　　　　。?
A.只能选用A、C两面
B.可以选用A、B两面
C.不能选用B、D两面
(2)该同学在选用A、C两面进行实验时,正确操作后,作出的光路图及测出的相关角度如图2所示。此玻璃的折射率计算式为n= 　　　　(用图中的θ 1、θ 2表示)。?
【解析】(1)应用插针法测玻璃的折射率时,在玻璃砖的一侧竖直插上两枚大头针P1、P2,透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像,调整视线方向,直到P2挡住P1的像;再在观察的这一侧插两枚大头针P3、P4,使P3挡住P1、P2的像,P4挡住P3及P1、P2的像,记下P3、P4的位置,由图1所示玻璃砖可知,实验时可以用A、C两面,或用A、B两面,或用A、D两面,或用B、D两面进行实验,故B正确,A、C错误;故选B。(2)由图2所示可知,玻璃的折射率:n==。
答案:(1)B　(2)
【加固训练】
　　用三棱镜做测定玻璃折射率的实验,先在白纸上放好三棱镜,在棱镜的一侧插上两枚大头针P1和P2,然后在棱镜的另一侧观察,调整视线使P1的像被P2挡住,接着在眼睛所在的一侧插两枚大头针P3、P4,使P3挡住P1、P2的像,P4挡住P3、P1和P2的像,在纸上标出大头针的位置和三棱镜的轮廓如图所示。
(1)在图中画出所需的光路。
(2)为了测出三棱镜玻璃的折射率,需要测量哪些物理量?在图中标出它们。
(3)计算折射率的公式是n=　　　　。?
【解析】本题考查用插针法测折射率的应用及数据处理。
(1)如图所示,画出过P1、P2的入射光线交AC面于O,画出通过P3、P4的出射光线交AB面于O′,则光线OO′为在三棱镜中的折射光线。
(2)在所画的图上标明入射角i和折射角r,或用刻度尺测出线段EF、OE、GH、OG的长度。
(3)n=或n===·。
答案:(1)见解析图
(2)入射角i和折射角r或线段EF、OE、GH、OG的长度(见解析图)
(3)或·
三、计算题(本大题共4小题,共37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)如图所示,一个三棱镜的截面为等腰直角△ABC,∠A为直角。此截面所在平面内的光线沿平行于BC边的方向射到AB边,进入棱镜后直接射到AC边上,并刚好能发生全反射。求棱镜材料的折射率。
【解析】如图所示,
在AB面上,设入射角为i,i=45°,折射角为θ,
则n=　① (2分)
在AC面上,由几何知识可知,
此时入射角i′=90°-θ　② (2分)
n=　③ (2分)
由①②③解得n= (2分)
答案:
14.(9分)(2020·攀枝花高二检测)一列简谐横波沿x轴正方向传播,t=0时刻的波形如图甲所示,A、B、P和Q是介质中的四个质点:t=0时刻波刚好传播到B点,质点A的振动图像如图乙所示,求:
(1)该波的传播速度;
(2)从t=0到t=1.6 s,质点P通过的路程;
(3)经过多长时间质点Q第二次到达波谷。
【解析】(1)由题图乙知,质点的振动周期为T=0.8 s, (1分)
由题图甲知,波长λ=20 m, (1分)
则波速为:v== m/s=25 m/s。 (1分)
(2)振幅为2 m;则由t=0到1.6 s时,质点P通过的路程为: s=2×4A=16 m; (3分)
(3)质点P、Q平衡位置之间的距离为:
L=85 m-10 m=75 m; (1分)
由L=vt,解得:t=3 s(2分)
即经过3 s时间质点Q第一次到达波谷,经过3.8 s时间质点第二次到达波谷。
答案:(1)25 m/s　(2)16 m　(3)3.8 s
15.(10分)(2017·全国卷Ⅱ)一直桶状容器的高为2l,底面是边长为l的正方形;容器内装满某种透明液体,过容器中心轴DD′、垂直于左右两侧面的剖面图如图所示。容器右侧内壁涂有反光材料,其他内壁涂有吸光材料。在剖面的左下角处有一点光源,已知由液体上表面的D点射出的两束光线相互垂直,求该液体的折射率。
【解析】设液体的折射率为n,依题意作出光路图如图:
据折射定律有nsinθ2=sinβ (2分)
nsinθ1=sinα (2分)
依题意有α+β=90°(1分)
据几何关系有:sinθ1= (2分)
sinθ2= (2分)
联立解得n=1.55 (1分)
答案:1.55
16.(10分) 甲、乙两列简谐横波在同一介质中分别沿x轴正向和负向传播,波速均为25 cm/s,两列波在t=0时的波形曲线如图中实线和虚线所示。求:
(1)t=0时,介质中偏离平衡位置位移为16 cm的所有质点的x坐标。
(2)从t=0开始,介质中最早出现偏离平衡位置位移为-16 cm的质点的时间。
【解析】(1)根据两列波的振幅都为8 cm,偏离平衡位置位移为16 cm的质点即为两列波的波峰相遇。
根据波形图可知,甲、乙的波长分别为
λ乙=60 cm,λ甲=50 cm
则甲、乙两列波的波峰的x坐标分别为
x1=50+k1×50(k1=0,±1,±2,±3……) (1分)
x2=50+k2×60(k2=0,±1,±2,±3……) (1分)
综上,所有波峰和波峰相遇的质点坐标为
x=(50+300n) cm(n=0,±1,±2,±3……) (2分)
(2)偏离平衡位置位移为-16 cm是两列波的波谷相遇的点,t=0时,波谷之差
Δx=-
其中n1=0,±1,±2,±3……,n2=0,±1,±2,±3…… (2分)
整理可得Δx=10(6n1-5n2)+5 (1分)
波谷之间最小的距离为
Δx′=5 cm(1分)
两列波相向传播,相对速度为
2v=50 cm/s(1分)
所以出现偏离平衡位置位移为-16 cm的最短时间
t==0.1 s(1分)
答案:(1)x=(50+300n)cm(n=0,±1,±2,±3……)
(2)0.1 s
【总结提升】简谐横波中质点振动问题的解题技巧
波动中有一类问题:当波传到我们研究的大量质点时,只引起部分质点振动,另外一些质点还没有起振。在处理此类问题时,应把握以下几点技巧:
(1)所有质点的起振方向相同,且可通过某时刻刚起振质点的振动方向,判断波源的起振方向。
(2)在判断远处未振动某质点未来某时刻的振动状态时,可通过空间周期性的波形平移或时间周期性来求解。
(3)若要画未振动某质点的振动图像,先确定该质点的起振时刻和起振方向,再结合公式T=确定周期,就可以画出其振动图像。