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简答题

(选修3-4)

(1)下列关于简谐振动和简谐机械波的说法正确的是______.(填入选项前的字母,有填错的不得分)

A.弹簧振子的周期与振幅有关

B.横波在介质中的传播速度由介质本身的性质决定

C.在波传播方向上的某个质点的振动速度就是波的传播速度

D.单位时间内经过媒质中一点的完全波的个数就是这列简谐波的频率

(2)如图所示,扇形AOB为透明柱状介质的横截面,圆心角∠AOB=60°.一束平行于角平分线OM的单色光由OA射入介质,经OA折射的光线恰平行于OB.

①求介质的折射率.

②折射光线中恰好射到M点的光线______(填“能”或“不能”)发生全反射.

正确答案

(1)A、弹簧振子的周期与振子的质量和弹簧的劲度系数有关,与振幅无关.故A错误.

B、横波在介质中的传播速度由介质本身的性质决定.故B正确.

C、在波传播方向上的某个质点做简谐运动,而波在同一介质中匀速传播,则知质点的振动速度与波的传播速度不同.故C错误.

D、单位时间内经过媒质中一点的完全波的个数就是这列简谐波的频率.故D正确.

故选BD

(2)①由几何知识可知,入射角i=60°,折射角r=30°  ④

根据折射定律得n=

代入数据解得 n=

②由几何知识求出光线在M点的入射角i′=30°,sini′=0.5

临界角的正弦为sinC==>sini′,即有i′<C

故折射光线中恰好射到M点的光线不能发生全反射.

故答案为:

(1)BD

(2)①;②不能.

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[物理选修-3-4]

(1)某振动系统的固有频率为f0,在周期性驱动力的作用下做受迫振动,驱动力的频率为f.若驱动力的振幅保持不变,下列说法正确的是______(填入选项前的字母,有填错的不得分)

A.当f<f0时,该振动系统的振幅堕f增大而减小

B.当f<f0时,该振动系统的振幅随f减小而增大

C.该振动系统的振动稳定后,振动的频率等于f0

D.该振动系统的振动稳定后,振动的频率等于f

(2)一棱镜的截面为直角三角形ABC,∠A=30°,斜边AB=a.棱镜材料的折射率为n=.在此截面所在的平面内,一条光线以45°的入射角从AC边的中点M射入棱镜.画出光路图,并求光线从棱镜射出的点的位置(不考虑光线沿原路返回的情况).

正确答案

(1)A、当f=f0时,系统达到共振,振幅最大,故f<f0时,随f增大,振幅振大,f减小,振幅减小.故A错误、B错误;

C、该振动系统的振动稳定后,振动的频率等于驱动力的频率,故C错误;

D、系统的振动稳定后,系统的振动频率等于驱动力的频率,故振动频率等于f,故D正确

故选D.

(2)设入射角为i,折射角为r,由折射定律得:=n…①

解得:r=30°…②

①如果入射光线在法线的右侧,根据几何知识得知,光线与AB垂直,光路图如图所示.设出射点F,由几何关系得:AF=a…③

即出射点在AB边上离A点a的位置.

②如果入射光线在法线的左侧,光路图如图所示.设折射光线与AB的交点为D.

由几何关系可知,在D点的入射角:θ=60°…④

设全反射的临界角为C,则:sinC=…⑤

由⑤和已知条件得:C=45°…⑥

因此,光在D点全反射.

设此光线的出射点为E,由几何关系得∠DEB=90°

BD=a-2AF…⑦

BE=DBsin30°…⑧

联立③⑦⑧式得:BE=a

即出射点在BC边上离B点a的位置.

答:如果入射光线在法线的右侧,出射点在AB边上离A点的位置.如果入射光线在法线的左侧,出射点在BC边上离B点a的位置.光路图如图所示.

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紫光在真空中的波长为,红光在真空中波长为,玻璃对紫光的折射率为1.54,对红光的折射率为1.5.

(1)紫光、红光的频率各是多少?

(2)紫光、红光在玻璃中传播的波长各是多少?

正确答案

(1),(2)

(1)红光、紫光在真空中的波速

(2)由

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(选修3-4选做题)

如图所示是一透明的圆柱体的横截面,其半径R=20 cm,折射率为,AB是一条直径,今有一束平行光沿AB方向射向圆柱体,试求:

(1)光在圆柱体中的传播速度;

(2)距离直线AB多远的入射光线,折射后恰经过B点。

正确答案

解:(1)由得v=1.73×108 m/s

(2)由折射定律得

根据几何关系有i=2r,h=Rsini

解得h=17.3 cm

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如图所示,为某种透明介质的截面图,△AOC为等腰直角三角形,BC为半径R=10 cm的四分之一圆弧,AB与水平屏幕MN垂直并接触于A点。由红光和紫光两种单色光组成的复色光射向圆心O,在AB分界面上的入射角i=45°,结果在水平屏幕MN上出现两个亮斑。已知该介质对红光和紫光的折射率分别为n1,n2

(1)判断在AM和AN两处产生亮斑的颜色;

(2)求两个亮斑间的距离。

正确答案

解:(1)设红光和紫光的临界角分别为C1、C2

sinC1,C1=60°

同理C2=45°

i=45°=C2,i=45°<C1,所以紫光在AB面发生全反射,而红光在AB面一部分折射,一部分反射,且由几何关系可知,反射光线与AC垂直,所以在AM处产生的亮斑P1为红色,在AN处产生的亮斑P2为红色与紫色的混合色

(2)画出如图光路图

设折射角为r,两个光斑分别为P1、P2根据折射定律n1

求得sinr=

由几何知识可得:tanr=

解得AP1=5 cm

由几何知识可得ΔOAP2为等腰直角三角形,解得AP2=10 cm

所以P1P2=(5+10) cm

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半径为R的半圆形玻璃砖横截面如图所示,O为圆心,光线a沿半径方向射入玻璃砖后,恰在O点发生全反射,已知∠aOM=45°,求:

(1)玻璃砖的折射率n;

(2)另一条与a平行的光线b从最高点入射玻璃砖后,折射到MN上的d点,则这根光线能否从MN射出?Od为多少?

正确答案

解:(1)

(2)设b光在玻璃砖中折射角为θ,则由折射定律可得

所以θ=30°

这根光线在MN界面的入射角也为30°,能从MN射出

由几何关系得

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如图所示,△为一直角三棱镜的横截面,其顶角α=30°,为垂直于直线的光屏,现有一宽度为的单色平行光束垂直射向面,结果在光屏上形成一条宽为的光带,.  

(1) 求出射光的偏折角.

(2) 求介质的折射率.

(3) 如果红、紫两种颜色的光混合后同时入射,入射方向斜向上,则屏上顶端的光带是什么颜色?

正确答案

解:(1)面上的入射角θ1=α=30°

延长,交的延长线于点,由几何知识可知,tan∠

所以∠=30°

由此可知折射角θ2=60°,所以偏折角为30°

(2)=1.732

(3)因为玻璃对红光的折射率小,偏折角小,所以光屏的上方是红色的水平光带

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(选修3-4选做题)

如图所示,一等腰直角三棱镜,放在真空中,AB=AC。在棱镜侧面左方有一单色光源S,从S发出的光线SD以60°入射角从AB侧面中点射入三棱镜,当它从侧面AC射出时,出射光线与棱镜侧面AC间的夹角为30°。求此三棱镜的折射率并作出光路图。

正确答案

解:由折射定律,光线在AB面上折射时有:

在AC面上出射时,

由几何关系

联立解得:

折射率

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(选修3-4选做题)

如图所示,AOB是1/4圆柱玻璃砖的截面,玻璃砖的折射率n=,一束平行光以45°入射角射入玻璃砖的OA面,这些光线中只有一部分能从圆柱的AB面上射出,假设凡射到OB面的光线全部被吸收,也不考虑OA面的反射作用,试问圆柱AB面上能射出光线部分占AB表面的几分之几?

正确答案

解:sinC=1/n,C=45°

设射到D点的光线刚好折射到B点sinβ=0.5,β=30°

D点以下的光线射到OB面上被吸收。设射到E点的光线折射到P点刚好全反射E点以上的光线射到圆弧面被全反射,不难求出θ=15°,所以弧PB=弧AB

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如图所示,在平静的水面下有一点光源s,点光源到水面的距离为H,水对该光源发出的单色光的折射率为n.

(a)在水面上方观看时,只有一个圆形区域可以有光透出,该圆的半径为多少?为什么?

(b)该单色光在真空中的波长为λ0,该光在水中的波长为多少?

正确答案

(a)设光在水面发生全反射的临界角为C.,透光面的半径为r,则:

sinC=

则tanC= 

根据数学知识,得

      r=HtanC

解之得:r=    

其它位置光发生了全反射无光射出,故只有一个圆形区域可以有光透出

(b)②根据光在传播过程中频率不变,光在真空中速度为c,则由公式v=λν得:

折射率与速度关系:n= 

联立可得:c=λ0ν      

则光在水波长为:λ=

答:(a)在水面上方观看时,只有一个圆形区域可以有光透出,该圆的半径为;其它位置光发生了全反射无光射出;

(b)该单色光在真空中的波长为λ0,该光在水中的波长为

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