物理學(xué)光學(xué)原理知識考點梳理及練習(xí)題

綜合試卷第=PAGE1*2-11頁（共=NUMPAGES1*22頁） 綜合試卷第=PAGE1*22頁（共=NUMPAGES1*22頁）PAGE①姓名所在地區(qū)姓名所在地區(qū)身份證號密封線1.請首先在試卷的標(biāo)封處填寫您的姓名，身份證號和所在地區(qū)名稱。2.請仔細閱讀各種題目的回答要求，在規(guī)定的位置填寫您的答案。3.不要在試卷上亂涂亂畫，不要在標(biāo)封區(qū)內(nèi)填寫無關(guān)內(nèi)容。一、選擇題1.光的傳播規(guī)律

A.光在真空中的速度是3×10^8m/s。

B.光在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播。

C.光的傳播速度在真空中最快，在水中最慢。

D.光在不同介質(zhì)中傳播時，其頻率不變。

2.光的反射和折射

A.折射率大于1的介質(zhì)是光密介質(zhì)。

B.鏡面反射遵循反射定律。

C.光從空氣進入水中時，光速增加，折射角大于入射角。

D.光從水中進入空氣時，光速增加，折射角小于入射角。

3.光的干涉

A.兩束相干光疊加會產(chǎn)生干涉條紋。

B.干涉條紋的間距與光的波長成正比。

C.相干光的頻率必須相同才能產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉條紋。

D.干涉條紋總是明暗相間的。

4.光的衍射

A.光通過狹縫后，會發(fā)生衍射現(xiàn)象。

B.衍射條紋的間距與光的波長成正比。

C.衍射現(xiàn)象在光通過小孔時更加明顯。

D.衍射現(xiàn)象在光通過大孔時更加明顯。

5.光的偏振

A.偏振光是指光波的振動方向固定在某一平面內(nèi)的光。

B.自然光經(jīng)過偏振片后，仍然是偏振光。

C.偏振片可以使光線的振動方向改變。

D.偏振片對光的傳播速度有影響。

6.光的吸收和發(fā)射

A.光被物質(zhì)吸收后，物質(zhì)溫度會升高。

B.物質(zhì)發(fā)射光子時，其能量會降低。

C.所有物質(zhì)都能發(fā)射光子。

D.光的吸收和發(fā)射與光的頻率無關(guān)。

7.光的色散

A.色散現(xiàn)象是指光通過棱鏡后，不同顏色的光發(fā)生分離。

B.色散現(xiàn)象是由于不同顏色的光在棱鏡中的折射率不同。

C.色散現(xiàn)象在光纖通信中很重要。

D.色散現(xiàn)象與光的強度有關(guān)。

8.光的量子理論

A.光具有波粒二象性。

B.光子的能量與其頻率成正比。

C.光的量子理論是由愛因斯坦提出的。

D.光的量子理論只適用于微觀世界。

答案及解題思路：

1.答案：B

解題思路：根據(jù)光的傳播規(guī)律，光在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播。

2.答案：B

解題思路：根據(jù)反射定律，入射角等于反射角。

3.答案：C

解題思路：相干光的頻率相同是產(chǎn)生穩(wěn)定干涉條紋的必要條件。

4.答案：A

解題思路：光通過狹縫后，會發(fā)生衍射現(xiàn)象，形成衍射條紋。

5.答案：A

解題思路：偏振光是指光波的振動方向固定在某一平面內(nèi)的光。

6.答案：A

解題思路：光被物質(zhì)吸收后，物質(zhì)溫度會升高，因為吸收了光子的能量。

7.答案：B

解題思路：色散現(xiàn)象是由于不同顏色的光在棱鏡中的折射率不同。

8.答案：B

解題思路：根據(jù)光的量子理論，光子的能量與其頻率成正比。二、填空題1.光的反射定律和折射定律的數(shù)學(xué)表達式分別是反射定律：入射角等于反射角和折射定律：\(n_1\sin\theta_1=n_2\sin\theta_2\)。

2.相干光源的條件是頻率相同、相位差恒定和振動方向相同。

3.馬呂斯定律指出，當(dāng)光通過偏振片時，其強度與偏振片的透射角有關(guān)。

4.光的波長、頻率和波速之間的關(guān)系為\(c=\lambda\nu\)，其中\(zhòng)(c\)是光速，\(\lambda\)是波長，\(\nu\)是頻率。

5.普朗克公式為\(E=h\nu\)，其中\(zhòng)(E\)是能量，\(h\)是普朗克常數(shù)，\(\nu\)是頻率。

答案及解題思路：

答案：

1.反射定律：入射角等于反射角；折射定律：\(n_1\sin\theta_1=n_2\sin\theta_2\)。

2.頻率相同；相位差恒定；振動方向相同。

3.透射。

4.\(c=\lambda\nu\)。

5.\(E=h\nu\)。

解題思路：

1.光的反射定律和折射定律是光學(xué)中的基本定律，分別描述了光線在界面上的反射和折射現(xiàn)象。反射定律通過幾何關(guān)系描述，折射定律則通過斯涅爾定律的數(shù)學(xué)表達式來描述。

2.相干光源是指能夠產(chǎn)生相干光的光源，它們必須滿足頻率相同、相位差恒定和振動方向相同，這樣才能形成穩(wěn)定的干涉圖樣。

3.馬呂斯定律描述了偏振光通過偏振片后的強度變化，強度與偏振片透射角的關(guān)系是正弦函數(shù)關(guān)系。

4.光的波長、頻率和波速之間的關(guān)系通過光速公式來描述，這是光學(xué)中的一個基本公式。

5.普朗克公式是量子力學(xué)中的基本公式，描述了能量與頻率的關(guān)系，是理解量子現(xiàn)象的基礎(chǔ)。三、判斷題1.光的反射和折射過程中，光速始終保持不變。（×）

解題思路：在光的反射和折射過程中，光速會因為介質(zhì)的不同而發(fā)生變化。例如光從空氣進入水中時，光速會減慢。

2.光的干涉現(xiàn)象中，兩束相干光的光程差為零時，產(chǎn)生明條紋。（√）

解題思路：在光的干涉現(xiàn)象中，當(dāng)兩束相干光的光程差為零時，兩束光的波峰和波谷疊加，形成亮條紋，即明條紋。

3.光的衍射現(xiàn)象中，衍射角與波長成正比。（×）

解題思路：光的衍射現(xiàn)象中，衍射角與波長之間的關(guān)系不是簡單的正比關(guān)系，而是衍射角與波長的平方根成正比。

4.偏振光在通過一個偏振片時，其強度與偏振片的夾角有關(guān)。（√）

解題思路：偏振光通過偏振片時，其強度與偏振片的夾角有關(guān)，當(dāng)偏振片的透振方向與偏振光的振動方向平行時，光強最大；當(dāng)兩者垂直時，光強最小。

5.光的吸收和發(fā)射過程中，光子的能量與光的頻率成正比。（√）

解題思路：根據(jù)普朗克公式，光子的能量E與光的頻率ν成正比，即E=hν，其中h為普朗克常數(shù)。因此，光的吸收和發(fā)射過程中，光子的能量與光的頻率成正比。四、簡答題1.簡述光的反射定律和折射定律。

答案：

光的反射定律：入射光線、反射光線和法線在同一平面內(nèi)；入射光線和反射光線分居法線兩側(cè)；入射角等于反射角。

光的折射定律：入射光線、折射光線和法線在同一平面內(nèi)；入射光線和折射光線分居法線兩側(cè)；入射角和折射角的正弦值之比等于兩種介質(zhì)的折射率之比。

解題思路：

回顧光的反射和折射的基本原理，明確反射定律和折射定律的內(nèi)容，包括光線與法線的關(guān)系、光線的方向變化以及角度的關(guān)系。

2.簡述光的干涉現(xiàn)象及其條件。

答案：

光的干涉現(xiàn)象：當(dāng)兩束或多束相干光波相遇時，它們在某些區(qū)域相互加強，在另一些區(qū)域相互減弱，形成明暗相間的條紋。

條件：光波必須是相干的，即頻率相同、相位差恒定的光波；光波的振動方向必須一致。

解題思路：

理解干涉現(xiàn)象的定義，明確相干光波和振動方向一致是產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的必要條件。

3.簡述光的衍射現(xiàn)象及其特點。

答案：

光的衍射現(xiàn)象：光波遇到障礙物或通過狹縫時，會繞過障礙物或狹縫傳播，并在障礙物或狹縫的陰影區(qū)產(chǎn)生光強分布的變化。

特點：衍射現(xiàn)象在障礙物或狹縫的尺寸與光的波長相當(dāng)或更小時更為明顯；衍射條紋是明暗相間的，且中心區(qū)域光強最大。

解題思路：

回顧衍射現(xiàn)象的定義，注意衍射條紋的特點以及衍射現(xiàn)象發(fā)生的條件。

4.簡述光的偏振現(xiàn)象及其原理。

答案：

光的偏振現(xiàn)象：光波在傳播過程中，其電場矢量振動方向被限制在某一特定方向上，這種現(xiàn)象稱為光的偏振。

原理：光的偏振是由于光波的電場矢量在傳播過程中只能沿某一特定方向振動，這一方向由光波的傳播方向和光波產(chǎn)生的振動方向決定。

解題思路：

了解偏振現(xiàn)象的定義，明確電場矢量振動方向的限制是偏振現(xiàn)象的關(guān)鍵，并理解其產(chǎn)生的原因。

5.簡述光的吸收和發(fā)射現(xiàn)象及其特點。

答案：

光的吸收現(xiàn)象：當(dāng)光波通過物質(zhì)時，物質(zhì)會吸收一部分光能，導(dǎo)致光強減弱。

光的發(fā)射現(xiàn)象：物質(zhì)在吸收光能后，會以光的形式釋放能量，這種現(xiàn)象稱為發(fā)射。

特點：吸收和發(fā)射現(xiàn)象與物質(zhì)的性質(zhì)、溫度等因素有關(guān)；吸收和發(fā)射的光譜特性與物質(zhì)的能級結(jié)構(gòu)有關(guān)。

解題思路：

理解吸收和發(fā)射現(xiàn)象的基本概念，注意它們與物質(zhì)性質(zhì)和能級結(jié)構(gòu)的關(guān)系。五、計算題1.一束光從空氣進入水中，入射角為30°，求折射角。

解答：

利用斯涅爾定律：\(n_1\sin\theta_1=n_2\sin\theta_2\)

\(n_1\)是空氣的折射率，大約為1。

\(\theta_1=30°\)，\(n_2\)是水的折射率，約為1.33。

解方程得到\(\theta_2\)。

2.一束光從空氣進入玻璃中，折射率為1.5，入射角為45°，求折射角。

解答：

使用斯涅爾定律：\(n_1\sin\theta_1=n_2\sin\theta_2\)

\(n_1\)為空氣的折射率，約為1。

\(\theta_1=45°\)，\(n_2\)為玻璃的折射率，為1.5。

解方程求出\(\theta_2\)。

3.一束光從空氣射向水面，水面與光束垂直，求反射光和折射光的波長。

解答：

當(dāng)入射角為0°時，反射角和折射角都為0°。

使用波長公式\(\lambda=\frac{c}{n\cdot\nu}\)。

其中\(zhòng)(c\)是光速，\(\nu\)是光的頻率，\(n\)是介質(zhì)的折射率。

因為水面與光束垂直，頻率\(\nu\)保持不變，折射率\(n\)等于1。

因此反射光和折射光的波長相同。

4.兩束相干光的光程差為λ/4，求干涉條紋的明暗分布。

解答：

光程差為\(\frac{\lambda}{4}\)時，條紋為明紋（相長干涉）。

光程差為\(\frac{3\lambda}{4}\)時，條紋為暗紋（相消干涉）。

依此類推，光程差為\(\frac{5\lambda}{4},\frac{7\lambda}{4},\dots\)時為暗紋，而\(\frac{\lambda}{4},\frac{3\lambda}{4},\frac{5\lambda}{4},\dots\)時為明紋。

5.一束光通過一個偏振片后，其強度減為原來的1/4，求偏振片的透光率。

解答：

使用馬呂斯定律：透光率\(T=\cos^2\theta\)，其中\(zhòng)(\theta\)是偏振片的透振方向與入射光的偏振方向的夾角。

給定\(T=\frac{1}{4}\)，解出\(\theta\)。

由于\(\cos^2\theta=\frac{1}{4}\)，得出\(\theta\)。

答案及解題思路：

1.答案：\(\theta_2=\sin^{1}(\frac{1.33\cdot\sin30°}{1})\approx22.°\)。

解題思路：使用斯涅爾定律，通過解方程得到折射角。

2.答案：\(\theta_2=\sin^{1}(\frac{1\cdot\sin45°}{1.5})\approx29.03°\)。

解題思路：同樣使用斯涅爾定律，通過解方程求得折射角。

3.答案：反射光和折射光的波長\(\lambda\)相同。

解題思路：由于入射角為0°，反射光和折射光沿原路返回，波長不變。

4.答案：光程差為\(\frac{\lambda}{4},\frac{3\lambda}{4},\frac{5\lambda}{4},\dots\)時，明暗條紋分布為明紋暗紋明紋暗紋。

解題思路：根據(jù)相干光的光程差判斷干涉條紋的明暗分布。

5.答案：偏振片的透光率\(T=\frac{1}{4}\)。

解題思路：使用馬呂斯定律，解出\(\cos^2\theta=\frac{1}{4}\)以得到透光率。六、論述題1.結(jié)合光學(xué)原理，解釋為什么在水中觀察物體時，物體的位置似乎發(fā)生了變化。

在水中觀察物體時，物體的位置似乎發(fā)生了變化，這是由于光的折射現(xiàn)象所導(dǎo)致的。根據(jù)斯涅爾定律（Snell'sLaw），當(dāng)光線從一種介質(zhì)（如空氣）進入另一種介質(zhì)（如水）時，光線會發(fā)生折射。由于空氣和水的折射率不同，光線在兩種介質(zhì)界面發(fā)生折射時，入射角和折射角不相等。人眼感知的是光線經(jīng)過折射后的延長線，因此我們看到的物體位置會發(fā)生偏移。

2.結(jié)合光學(xué)原理，解釋為什么彩虹出現(xiàn)時，色彩會按照紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫的順序排列。

彩虹的出現(xiàn)是由于光的折射、反射和色散現(xiàn)象。當(dāng)太陽光照射到雨滴上時，光線在雨滴內(nèi)發(fā)生折射，進入雨滴內(nèi)部。由于不同顏色的光具有不同的波長，折射率不同，導(dǎo)致不同顏色的光折射角度不同。接著，光線在雨滴內(nèi)部發(fā)生反射，再次折射出雨滴。在折射過程中，光發(fā)生色散，分解為七種顏色：紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫。由于折射角度的不同，這些顏色按照紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫的順序排列，形成美麗的彩虹。

3.結(jié)合光學(xué)原理，解釋為什么電視屏幕上的圖像會閃爍。

電視屏幕上的圖像閃爍是由于電子束在屏幕上的掃描速度不均勻所致。電子束在掃描過程中，先是從屏幕頂部開始，依次向下掃描。由于掃描速度受限于電子束的加速和減速過程，以及屏幕上的像素分布，導(dǎo)致掃描速度在不同位置存在差異。這種差異使得屏幕上的圖像出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。為了改善圖像閃爍，現(xiàn)代電視采用了逐行掃描或逐點掃描技術(shù)，使電子束的掃描速度更加均勻，從而降低圖像閃爍。

答案及解題思路：

1.答案：在水中觀察物體時，物體的位置似乎發(fā)生了變化，這是由于光的折射現(xiàn)象所導(dǎo)致的。根據(jù)斯涅爾定律，當(dāng)光線從一種介質(zhì)（如空氣）進入另一種介質(zhì)（如水）時，光線會發(fā)生折射，入射角和折射角不相等，人眼感知的是光線經(jīng)過折射后的延長線，因此物體位置發(fā)生偏移。

解題思路：結(jié)合斯涅爾定律，分析光線在兩種介質(zhì)界面發(fā)生折射時的角度變化，以及人眼對光線的感知特點。

2.答案：彩虹出現(xiàn)時，色彩會按照紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫的順序排列，這是由于光的折射、反射和色散現(xiàn)象。當(dāng)太陽光照射到雨滴上時，光線在雨滴內(nèi)發(fā)生折射，不同顏色的光折射角度不同，形成七種顏色。在折射過程中，光發(fā)生色散，分解為七種顏色，按照紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫的順序排列。

解題思路：分析光的折射、反射和色散現(xiàn)象，解釋彩虹形成的原因和顏色排列順序。

3.答案：電視屏幕上的圖像閃爍是由于電子束在屏幕上的掃描速度不均勻所致。電子束在掃描過程中，掃描速度受限于加速和減速過程，以及屏幕上的像素分布，導(dǎo)致掃描速度在不同位置存在差異，從而出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。

解題思路：分析電子束在屏幕上的掃描過程，探討掃描速度不均勻的原因，以及圖像閃爍現(xiàn)象。七、應(yīng)用題1.一根直徑為2cm的圓形光纖，折射率為1.5，求光纖的臨界角。

解答：

根據(jù)臨界角公式，sinC=n1/n2，其中n1是光從的光的折射率，n2是光進入的光的折射率。

由于光從光纖進入空氣，所以n1=1.5，n2=1（空氣的折射率）。

則sinC=1/1.5，計算得到sinC=0.6667。

因此，臨界角C≈arcsin(0.6667)≈41.81°。

2.一束光從空氣射向一個半圓形玻璃棱鏡，棱鏡的折射率為1.5，求折射光的最小入射角。

解答：

由于是半圓形棱鏡