2022年高考物理实验提升特训专题16 光学实验（解析版）

2022年高考物理实验提升特训专题专题16光学实验1．某同学用半圆形玻璃砖测定玻璃的折射率（如图所示），实验的主要步骤如下：A．把白纸用图钉钉在木板上，在白纸上作出直角坐标系，在白纸上画一条线段AO表示入射光线；B．把半圆形玻璃砖M放在白纸上，使其底边与Ox轴重合，且圆心恰好位于O点；C．在AO线段上竖直地插上两枚大头针、；D．在坐标系的的区域内竖直地插上大头针，并使得从一侧向玻璃砖方向看去，能同时挡住和的像；E．移开玻璃砖，作连线，用圆规以O点为圆心画一个圆（如图中虚线所示），此圆与AO线交点为B，与连线的交点为C，测出B点到x、y轴的距离分别为、，C点到x、y轴的距离分别为、。(1)根据测出的B、C两点到两坐标轴的距离，可知此玻璃折射率测量值的表达式为：________；(2)若实验中该同学在的区域内，从任何角度都无法透过玻璃砖看到、像，其原因可能是：________________________。(3)该同学用平行玻璃砖做实验如图所示。A．他在纸上正确画出玻璃砖的两个界面和后，不小心碰了玻璃砖使它向方向平移了少许，如图所示，则他测出的折射率将______（选填“偏大”“偏小”或“不变”）； B．他在画界面时，不小心将两界面、间距画得比玻璃砖宽度大些，如图所示，则他测得的折射率________（选填“偏大”“偏小”或“不变”）。【答案】确定的光在介面上入射角太大，发生了全反射不变偏小【详解】(1)[1]设光线在x轴上的入射角为i，折射角为r，玻璃砖的半径为R，根据数学知识得则此玻璃折射率测量值的表达式为(2)[2]若实验中该同学在的区域内，从任何角度都无法透过玻璃砖看到、像，其原因可能是：确定的光在介面上入射角太大，发生了全反射；为能透过玻璃砖看到、，他应在重新画线段AO时使AO与y轴间的夹角减小；(3)[3]如下左图所示，红线表示将玻璃砖向上平移后实际的光路图，而黑线是作图时所采用的光路图，通过比较发现，入射角和折射角没有变化，则由折射定律得知，测得的折射率将不变。[4]如下右图所示，红线表示将玻璃砖向上平移后实际的光路图，而黑线是作图时所采用的光路图，可见，入射角没有变化，折射角的测量值偏大，则由可得，折射率测量值偏小。2．用圆弧状玻璃砖做测量玻璃折射率的实验时，先在白纸上放好圆弧状玻璃砖，在玻璃砖的一侧竖直插上两枚大头针、，然后在玻璃砖的另一侧观察，调整视线使的像被的像挡住，接着在眼睛所在的一侧插两枚大头针和，使挡住和的像，挡住以及和的像，在纸上标出大头针位置和圆弧状玻璃砖轮廓，如图甲所示，其中为两圆弧所在圆的圆心，图中已画出经过、点的入射光线。 (1)在图上补画出完整的光路_____。(2)为了测出玻璃砖的折射率，需要测量入射角和折射角，请在图中的分界面两侧画出这两个角_____。(3)多次改变入射角，测得几组入射角和折射角，根据测得的入射角和折射角的正弦值，画出了如图乙所示的图像，由图像可知该玻璃的折射率_____。【答案】如图中、所示1.5【详解】(1)[1]、的连线与的交点即为光线从玻璃砖中射出的位置，、的连线与的交点即为光线进入玻璃砖的位置，连接这两点即可作出玻璃砖中的光路，如图所示(2)[2]连接点与光线在上的入射点所得直线即为法线，标出入射角和折射角如图中i、r所示 (3)[3]图乙中图线的斜率由图乙可知斜率为1.5，即该玻璃的折射率为1.5。3．如下图所示为激光光学演示仪。（1）甲同学想利用该装置进行双缝干涉测波长实验，请问还需要的仪器有__________。（双缝间距离已通过读数显微镜测出）（2）如下图所示是乙同学利用该装置测量玻璃折射率时的几张过程图；当玻璃砖转至图乙时发现折射光线恰好消失，则该半圆形玻璃砖的折射率约为_______________。（保留2位有效数字）（3）若将半圆形玻璃砖换成全反射三棱镜，如下图所示，入射光线ab垂直三棱镜的斜面射入，经三棱镜直角边全反射后，射出三棱镜的光线为cd，现将三棱镜绕其斜边中点顺时针旋转30°，入射光线ab保持不变，则出射光线cd旋转的角度为______________. 【答案】游标卡尺1.40°【详解】（1）[1]．实验中还需要用游标卡尺测量条纹间距；（2）[2]．当玻璃砖转至图乙时发现折射光线恰好消失，可知临界角为C=45°，则该半圆形玻璃砖的折射率约为（3）[3]．因无论光线是否与斜边垂直射入三棱镜时，出射光线总是与入射光平行反向射出，可知若将三棱镜绕其斜边中点顺时针旋转30°，入射光线ab保持不变，则出射光线cd旋转的角度为0°.4．如右图所示为某同学利用插针法测定半圆形玻璃砖折射率的实验．在一半圆形玻璃砖外面插上P1、P2、P3、P4四枚大头针时，P3、P4恰可挡住P1、P2所成的像，关于该实验（1）以下说法正确的是（_________）A．P1、P2及P3、P4之间的距离适当大些，可以提高准确度B．P1、P2及P3、P4之间的距离取得小些，可以提高准确度C．入射角θ适当大些，可以提高准确度D．P1、P2的间距，入射角的大小均与实验的准确度无关 （2）该玻璃砖的折射率n=_______．另一同学将大头针插在和位置时，沿着P3、P4的方向看不到大头针的像，其原因可能是__________________________________．【答案】AC经过的光线在界面MN处发生全反射【详解】（1）[1]射光线是通过隔着玻璃砖观察成一条直线确定的，大头针间的距离太小，引起的角度会较大，故及之间的距离适当大些，可以提高准确度，故A正确，B错误；入射角尽量大些，折射角也会大些，折射现象较明显，角度的相对误差会减小，故C正确，D错误．（2）[2][3]由图知，沿的光线入射角为，折射角为，则该玻璃砖的折射率把大头针插在位置时，沿着的方向看不到大头针的像，其原因是经过的光线在界面MN处发生全反射．5．如图甲所示，为测定一块三棱镜的折射率，将三棱镜固定在一张白纸上，并确定好AB和AC界面的位置。然后在棱镜的左侧画出一条直线，并在线上竖直插上两枚大头针P1和P2，再从棱镜的右侧观察P1和P2的像。①此后正确的操作步骤是___________A．插上大头针P3，使P3挡住P2的像B．插上大头针P3，使P3挡住P1、P2的像C．插上大头针P4，使P4挡住P3的像D．插上大头针P4，使P4挡住P3和P1、P2的像 ②正确完成上述操作后，在纸上标出大头针P3、P4的位置，如图乙所示，过P1、P2做一条直线与AB边相交于O点，过P3、P4做一条直线与AC变相交于H，并以入射点O为圆心做一个圆，与入射光线相交D，与OH连线的延长线相交于G，过O点做法线，过D点做法线的垂线交于E，过G点做法线的垂线交于F，则所测玻璃折射率的表达式n=___________。（用代表线段长度的字母表示）。【答案】BD【详解】①[1]在棱镜的左侧画出一条直线，并在线上竖直插上两枚大头针P1和P2，确定入射光线，然后插上大头针P3，使P3挡住P1、P2的像，再插上大头针P4，使P4挡住P3和P1、P2的像，从而确定出射光线．故选：BD．②[2]设入射角为α，折射角为β，根据折射定律得，根据几何关系有：对于乙图；折射率6．如图所示，在“用双缝干涉测光的波长”的实验中，将实验仪器按要求安装在光具座上，并选用缝间距d的双缝屏。从仪器注明的规格可知，像屏与双缝屏间的距离l。然后，接通电源使光源正常工作。（1）如图为拨杆，请问它是按照下列哪种方式安装和操作的______； A．拨杆A处丫字叉套在单缝所在处的支柱并为轴，手持拨杆的C端，通过左右拨动来调节B小孔套住的双缝B．拨杆B处小孔套在双缝所在处的支柱并为轴，手持拨杆的C端，通过手的左右拔动来调节A丫字叉套住的单缝C．拨杆B处小孔套在双缝所在处的支柱并为轴，手持拨杆的C端，通过手的上下拨动来调节A丫字叉套住的单缝（2）如果测量头中的分划板中心刻线与干涉条纹不在同一方向上，如图所示。则在这种情况下来测量干涉条纹的间距△x时，最终波长测量值______实际值（填“大于”“小于”或“等于”）。如果想使中心刻线与亮条纹对齐，下列操作中可达到目的的是______。A．仅转动透镜B．仅转动双缝C．仅转动手轮D．仅转动测量头（3）若想增加从目镜中观察到的条纹个数，该同学可______。A．将单缝向双缝靠近B．将屏向靠近双缝的方向移动 C．使用间距更小的双缝D．转动手轮（4）若实验中在像屏上得到的干涉图样如图所示，毛玻璃屏上的分划板刻线在图中A、B位置时，游标尺的读数分别为x1、x2，则入射的单色光波长的计算表达式为λ=______。【答案】B大于DB【详解】（1）[1]亮条纹与分划板中心刻线不平行时，需使单缝与双缝相互平行，转动测量头，将图中的分划板调到竖直方向并与干涉条纹平行，故AC错误，B正确。故选B。（2）[2]作图如下三角形中斜边最长，故如果测量头中的分划板中心刻线与干涉条纹不在同一方向上，干涉条纹的间距的测量值偏大，所以最终波长测量值大于实际值。[3]发现里面的亮条纹与分划板竖线未对齐，若要使两者对齐，该同学应旋转测量头，故ABC错误，D正确。（3）[4]要想增加从目镜中观察到的条纹个数，则应减小干涉条纹间距，根据双缝干涉条纹间距公式可知可增大双缝间距离或减小双缝到屏的距离，故B正确，ACD错误。（4）[5]根据题意可知单个条纹间距为根据可得 7．（1）小萌同学正在用双缝干涉实验仪测量光的波长，在光具座上正确安装好仪器后，他在测量端观察的同时，不断调节仪器的A部件（如照片所示），这样做的目的是___________（填选项）A．使各部件的中心在同一直线上B．使单缝与双缝相互平行C．使观察到的图样呈现在视野中央（2）若该同学分别用间距和的双缝来完成实验，你认为在测量头内观察到单色光的干涉条纹是___________和___________（填选项），其中对应双缝间距的是___________（填选项）；（3）某同学使用间距为0.20mm的双缝进行实验，调节双缝与屏之间的距离至100.00cm，当十字叉丝与第k个亮条纹中心重合时，测量头刻度如图甲所示（已加箭头标注），对应的读数为___________当十字叉丝与第个亮条纹中心重合时，测量头刻度如图乙所示（已加箭头标注），对应的读数为___________单色光的波长为___________m（结果保留三位有效数字） 【答案】BEFE2.76mm11.16mm【详解】（1）[1]调节仪器的A部件使为了保证单缝与双缝相互平行,故选B。（2）[2][3][4]因为单色光的干涉条纹与单缝和双缝都平行，应沿竖直方向，分划板中心刻度应对准干涉条纹的中心，故选EF。根据可知d越小，则条纹间距越大，所以对应于的是E。（3）[5][6][7]图甲对应的读数为图乙对应的读数为则条纹间距为2.80mm,根据可计算出8．小沈同学进行“用双缝干涉测波长”的实验，(1)其中部分器材如下：A．白炽灯B．凸透镜C．单缝片D．滤光片E.测量头F。双缝片将以上器材安装在光具座遮光筒上时，自光源起合理的顺序是（填字母）：A、B、___________、___________、F、E(2)某次观察时，透过测量头观察到了绿光的干涉条纹，但条纹的亮度很低，为了便于测量，下列方法能够使条纹亮度增加的是___________A．增加光源的功率B．将毛玻璃换成透明玻璃C．换一个面积更大的凸透镜D．调节测量头的位置(3)下列图示中条纹间距表示正确的是___________。 A．B．C。D．(4)如图所示是小沈同学改为参考课本上”用光传感器做双缝干涉的实验”进行实验，图甲、乙分别对应的是第一、二次实验得到的干涉图线。比较甲、乙两图线可判断，第一次实验中的___________A．单缝与双缝的缝距一定较大B．光强度较小C．光源离双缝的距离较大D．双缝离光传感器的距离可能较小【答案】DCACCD 【详解】(1)[1]．根据“用双缝干涉测量光的波长”的实验中仪器的位置可知，从左向右依次为：白色光源、凸透镜、滤光片、单缝、双缝、测量头．将以上器材安装在光具座遮光筒上时，自光源起合理的顺序是：A、B、D、C、F、E；(2)[2]．为了便于测量，要使条纹亮度增加，即使得单位时间内的光子数目增多；A．当增加光源的功率，导致单位时间内的光子数目增多，故A正确；B．将毛玻璃换成透明玻璃，不会看到亮条纹，故B错误；C．将放大镜A换一个面积更大的放大镜，则光的强度的增强，导致亮度增加，故C正确；D．调节测量头的位置，亮度不变，故D错误。故选AC。(3)[3]．干涉条纹的宽度是指一个明条纹与一个暗条纹的宽度的和，为两个相邻的明条纹（或暗条纹）的中心之间的距离，故图C是正确的，图ABD错误．故选C。(4)[4]．由图可知，第一次得到的条纹间距较小，根据可知：A.单缝与双缝的缝距对条纹间距无影响，选项A错误；B.光强度对条纹间距无影响，选项B错误；C.光源离双缝的距离对条纹间距无影响，选项C错误；D.双缝离光传感器的距离l较小，则条纹间距较小，选项D正确；故选D。9．我们用以下装置来做“用双缝干涉测量光的波长”的实验：(1)在本实验中，需要利用关系式来求解某色光的波长，其中L和d一般为已知量，所以测量是本实验的关键，观察下面的图像，你认为在实际操作中应选下列图中的________图（填写“甲”、“乙”）更为合适？ (2)而在实际操作中，我们通常会通过测n条亮纹间的距离取平均值的方法来减小测量误差。已知实验所用的测量头由分划板、滑块、目镜、手轮等构成，使用50分度的游标卡尺。某同学在成功观察到干涉图像后，开始进行数据记录，具体操作如下：从目镜中观察干涉图像同时调节手轮，总共测量了5条亮纹之间的距离，初末位置游标卡尺的示数如图所示，则相邻两条亮纹的间距________mm。(3)若在实验当中，某同学观察到以下图像，即测量头中的分划板中心刻线与干涉条纹不在同一方向上。若继续移动目镜观察，将会使测量结果出现偏差，所以需要对仪器进行调整，使干涉条纹与分划板中心刻线在同一方向上。下面操作中可行的有________。A．调节拨杆方向B．其他不动，测量头旋转一个较小角度C．其他不动，遮光筒旋转一个较小角度D．将遮光筒与测量头整体旋转一个较小角度(4)在写实验报告时，实验要求学生将目镜中所观察到的现象描绘出来，甲同学和乙同学分别画了移动目镜时的所观察到的初末两个视场区，你觉得__________的图像存在造假现象。 【答案】甲图BC甲同学【详解】(1)[1]．在实际操作中标度线在明条纹中容易观察，则应选下列图中的甲图更为合适；(2)[2]．由图可知，初末位置游标卡尺的示数分别为0.570cm和1.380cm，则相邻两条亮纹的间距。(3)[3]．首先要明确各器件的作用，拨动拨杆的作用是为了使单缝和双缝平行，获得清晰的干涉图样，因为已有清晰的干涉图样，所以不用调节；题中所说出现的问题是分刻板中心刻度线与干涉条纹不平行，应调节测量头使干涉条纹调成与分划板中心刻线同一方向上，故应其他不动，测量头旋转一个较小角度；或者其他不动，遮光筒旋转一个较小角度。故选BC。(4)[4]．实验中移动目镜时，分刻板中心刻度线不应该移动，则甲同学的图像存在造假现象。10．洛埃德（H.Lloyd）在1834年提出了一种更简单的观察干涉的装置．如图所示，从单缝S发出的光，一部分入射到平面镜后反射到屏上，另一部分直接投射到屏上，在屏上两光束交叠区域里将出现干涉条纹．单缝S通过平面镜成的像是S′．（i）通过洛埃德镜在屏上可以观察到明暗相间的干涉条纹，这和双缝干涉实验得到的干涉条纹一致．如果S被视为其中的一个缝，______________相当于另一个“缝”； （ii）实验表明，光从光疏介质射向光密介质界面发生反射时，在入射角接近90°时，反射光与入射光相比，相位有的变化，即半波损失．如果把光屏移动到和平面镜接触，接触点P处是__________（填写“亮条纹”或“暗条纹”）；（iii）实验中已知单缝S到平面镜的垂直距离h=0.15mm，单缝到光屏的距离D=1．2m，观测到第3个亮条纹到第12个亮条纹的中心间距为22.78mm，则该单色光的波长_________m（结果保留3位有效数字）．【答案】S经平面镜成的像S′暗条纹6.33×10-7【详解】（i）[1]根据图可知，如果S被视为其中的一个缝，S经平面镜成的像S′相当于另一个“缝”.（ii）[2]根据题意可知，把光屏移动到和平面镜接触，光线经过平面镜反射后将会有半波损失，因此接触点P处是暗条纹.（iii）[3]条纹间距为根据代入数据解得：