新人教版高中物理选修3-4模块综合试题及答案5

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新人教版高中物理选修3-4模块综合试题及答案5

1 高中物理选修 3-4 模块综合试题 说明:本试题共 12 个题,1-4 题每题 7 分,5-12 题每题 9 分,共 100 分,考试时间 90 分钟. 1.在光的单缝衍射实验中可观察到清晰的亮暗相间的图样,下列甲、乙两幅图中属于光的 单缝衍射图样的是________(填“甲”或“乙”);在电磁波发射技术中,使电磁波随各种信 号而改变的技术叫调制,调制分调幅和调频两种,在丙、丁两幅图中表示调幅波的是 ________(填“丙”或“丁”). [答案] 乙 丙 2.P、Q 是一列简谐横波中的质点,相距 30m,各自的振动图象如图所示. (1)此列波的频率 f=________Hz. (2)如果 P 比 Q 离波源近,且 P 与 Q 间距离小于 1 个波长,那么波长λ=________m,波速 v =________m/s. (3)如果 P 比 Q 离波源远,那么波长λ=________. [答案] (1)0.25 (2)40 10 (3) 120 4n+1 m(n=0,1,2,3…) 3.某防空雷达发射的电磁波频率为 f=3×103MHz,屏幕上尖形波显示,从发射到接收经历 时间Δt=0.4ms,那么被监视的目标到雷达的距离为________km.该雷达发出的电磁波的波长 为________m. [答案] 60 0.1 [解析] x=cΔt=1.2×105m=120km.这是电磁波往返的路程,所以目标到达雷达的距离为 60km.由 c=fλ可得λ=0.1m. 4.磁场的磁感应强度 B 随时间 t 变化的四种情况如图所示,其中能产生电场的有________ 图示的磁场,能产生持续电磁波的有________图示的磁场. [答案] BCD BD [解析] 根据麦克斯韦电磁场理论,有如下分析:A 图的磁场是恒定的,不能产生新的电场, 更不能产生电磁波;B 图中的磁场是周期性变化的,可以产生周期性变化的电场,因而可以 2 产生持续的电磁波;C 图中的磁场是均匀变化的,能产生恒定的电场,而恒定的电场不能再 产生磁场,不能产生电磁场,因此不能产生持续的电磁波;D 图所示磁场是周期性变化的, 能产生周期性变化的电场,能产生电磁波. 5.(·广东模拟)下图表示一个向右传播的 t=0 时刻的横波波形图,已知波从 O 点传到 D 点用 0.2s.该波的波速为________m/s,频率为________Hz;t=0 时,图中“A、B、C、D、E、F、 G、H、I、J”各质点中,向 y 轴正方向运动的速率最大的质点是________. [答案] 10 2.5 D [解析] 波速 v=Δx Δt = 2 0.2 m/s=10m/s, 由 v=λf,得 f=v/λ=10 4 Hz=2.5Hz. 由图知,t=0 时,向 y 轴正向运动的质点有 C、D、E 三点,在平衡位置处,质点速率最大, 所以 D 点速率最大. 6.在用双缝干涉测光的波长的实验中,所用实验装置如图甲所示,调节分划板的位置,使 分划板中心刻线对齐某条亮条纹(并将其记为第一条)的中心,如图乙所示,此时手轮上的读 数为________mm;转动手轮,使分划线向右侧移动到第四条亮条纹的中心位置,读出手轮 上的读数,并由两次读数算出第一条亮条纹到第四条亮条纹之间的距离 a=9.900mm,又知 双缝间距 d=0.200mm,双缝到屏的距离 l=1.000m,则对应的光波的波长为________m.如 果用上述装置测量氦氖激光器发出激光的波长,则图中除了光源以外,其他不必要的器材元 件有________. [答案] 1.180 6.60×10-7 滤光片、单缝 [解析] 手轮上的读数的固定刻度读数为 1mm,可动刻度第 18 个格与基准线对齐,读数为 18.0×0.01mm,所以手轮上的读数为 1.180mm;第 1 到第 4 亮纹之间有 3 个条纹间隔,所 以Δx=9.900 3 mm=3.300mm,λ=d l Δx=6.60×10-7m;氦氖激光器发出的激光具有很好的单 色性和相干性,所以不需要滤光片和单缝,直接照射到双缝上即可得到干涉图样. 7.(·苏北五市模拟)某有线制导导弹发射时,在导弹发射基地和导弹间连一根细如蛛丝的特 3 制光纤(像放风筝一样),它双向传输信号,能达到有线制导作用.光纤由纤芯和包层组成, 其剖面如图所示,其中纤芯材料的折射率 n1 =2,包层折射率 n2 = 3,光纤长度为 3 3×103m.(已知当光从折射率为 n1 的介质射入折射率为 n2 的介质时,入射角θ1、折射角θ2 间满足关系:n1sinθ1=n2sinθ2) (1)试通过计算说明从光纤一端入射的光信号是否会通过包层“泄漏”出去; (2)若导弹飞行过程中,将有关参数转变为光信号,利用光纤发回发射基地经瞬间处理后转 化为指令光信号返回导弹,求信号往返需要的最长时间. [答案] (1)见解析 (2)8×10-5s [解析] (1)由题意在纤芯和包层分界面上全反身临界角 C 满足:n1sinC=n2sin90°得:C=60°, 当在端面上的入射角最大(θ1m=90°)时,折射角θ2 也最大,在纤芯与包层分界面上的入射角 θ1′最小. 在端面上:θ1m=90°时,n1=sin90° sinθ2m 得:θ2m=30° 这时θ1min′=90°-30°=60°=C,所以,在所有情况中从端面入射到光纤中的信号都不会从 包层中“泄漏”出去. (2)当在端面上入射角最大时所用的时间最长,这时光在纤芯中往返的总路程:s= 2L cosθ2m , 光纤中光速:v= c n1 信号往返需要的最长时间 tmax=s v = 2Ln1 ccosθ2m = 2Ln1 ccos30° = 2×3 3×103×2 3×108× 3 2 s=8×10-5s. 8.某时刻的波形图如图所示,波沿 x 轴正方向传播,质点 p 的坐标 x=0.32m.从此时刻开始 计时. (1)若每间隔最小时间 0.4s 重复出现波形图,求波速. (2)若 p 点经 0.4s 第一次达到正向最大位移,求波速. (3)若 p 点经 0.4s 到达平衡位置,求波速. [答案] (1)2m/s (2)0.3m/s (3)(0.8+n)m/s(n=0,1,2,3,…) [解析] (1)依题意,周期 T=0.4s, 波速 v=λ T =0.8 0.4 m/s=2m/s (2)波向右传播Δx=0.32m-0.2m=0.12m.p 点恰好第一次达到正向最大位移. 4 波速 v=Δx Δt =0.12 0.4 m/s=0.3m/s (3)波向右传播Δx=0.32m,p 点恰好第一次到达平衡位置,由周期性可知波传播的可能距离 Δx= 0.32+λ 2 n m(n=0,1,2,3,…) 可能波速 v=Δx Δt = 0.32+0.8 2 n 0.4 m/s=(0.8+n)m/s(n=0,1,2,3,…) 9.(1)一列沿 x 轴正方向传播的简谐横波,波速为 0.5m/s,在某时刻波形如图中实线所示, 经过一段时间后波形如图中虚线所示,在这段时间里,图中 P 点处的质元通过的路程可能是 ________. A.0.4m B.0.5m C.0.6m D.0.7m (2)某学生利用单摆做测定重力加速度的实验,其具体操作如下: A.在铁架台上固定一个夹子,把单摆的摆线夹在夹子上 B.用刻度尺和游标卡尺测出摆长 l C.将摆球向一侧偏离 30°后由静止释放摆球 D.在释放摆球的同时开始计时 E.记下摆球完成 n 次(大于 30 次)全振动的时间 t F.把所得数据代入公式4π2n2l t2 该学生的上述操作中,错误的是________.(只填字母代号) (3)如图所示,是一种折射率 n=1.5 的棱镜,现有一束光线沿 MN 方向射到棱镜的 AB 界面上, 入射角的正弦 sini=0.75.求: ①光在棱镜中传播的速率; ②通过计算确定此束光线射出棱镜后的方向(不考虑返回到 AB 面上的光线). [答案] (1)C (2)CD (3)①2×108m/s ②见解析图 [解析] (1)根据题意分析可知,P 点处的质元开始振动的方向沿 y 轴的正方向,由于它在一 个周期内通过的路程为振幅的 4 倍(即 4A,A=0.2m),所以图中 P 点处的质元通过的路程可 能是 s=4nA+3A=0.6+0.8n(n=0,1,2,3,…),所以答案为 C. (2)利用单摆测定重力加速度时,要求单摆做简谐运动,摆角不超过 5°,所以 C 操作错误.为 了减小实验误差,在测量周期时应该在摆球摆到最低点时开始计时,所以 D 操作是不妥的, 5 所以答案为 CD. (3)①由 n=c v ,解得:v=2.0×108m/s ②该棱镜发生全反射的临界角为α=arcsin1 n =arcsin0.667<45° 如图所示,设光线进入棱镜后的折射角为 r,根据 n=sini sinr ,解得 sinr=0.5,所以 r=30°,光 线射到 BC 界面的入射角为 i1=90°-(180°-60°-75°)=45°,所以在 BC 界面发生全反射,光 线沿 DE 方向射出棱镜时不改变方向,故此束光线射出棱镜后方向与 AC 界面垂直 10.(1)如图所示,按照狭义相对论的观点,火箭 B 是“追赶”光的;火箭 A 是“迎着”光 飞行的,若火箭相对地面的速度为 v,则火箭 A 上的观察者测出的光速为________,火箭 B 上的观察者测出的光速为________. (2)某同学在做测玻璃折射率的实验中,使用的是半圆形玻璃砖,P1、P2、P3、P4 是按顺序插 在软木板上的大头针,如图所示.下述关于实验操作中的做法,正确的是________. A.若任意选了 P1、P2 连线的方向和入射点 A 的位置,都可以在圆弧右侧适当位置处插上第 三个大头针,使其同时挡住 P1、P2 的像 B.如果入射点 A 恰在玻璃砖圆心处,可不使用大头针 P4 C.可以用 P1、P2 连线作为入射光线,也可以用 P4、P3 连线作为入射光线 D.为减小误差,P1、P2 间距和 P3、P4 间距应适当大一些 (3)一均匀介质中选取平衡位置在同一直线上的 9 个质点,相邻两质点间的距离均为 0.1m, 如图(a)所示.一列横波沿该直线向右传播,t=0 时到达质点 1,质点 1 开始向下运动,振幅 为 0.2m,经过时间 0.3s,第一次出现如图(b)所示的波形. 6 ①求该列横波传播的速度; ②写出质点 1 的振动方程; ③在介质中还有一质点 P,P 点距质点 1 的距离为 10.0m,则再经多长时间 P 点处于波峰? [答案] (1)C C (2)BCD (3)①4m/s ②-0.2sin10πtm ③2.35s [解析] (1)根据狭义相对论的基本假设,光速在任何惯性参考系中都是相同的.所以两个火 箭中的观察者测出的光速都为 c. (2)任何光线都能从空气射进玻璃,但从玻璃射向空气时可能会发生全反射,当 AB 光线入射 角大于临界角时,则在 B 右侧没有出射光线 A 项错误;如果入射点 A 恰在玻璃砖圆心处, 则在 A 点的折射光线沿半径方向射进棱镜,也将沿半径方向射出棱镜,在界面 B 处方向不 改变,故插上 P3 后,即可作出折射光线,B 项正确;因为光路是可逆的,所以 C 项正确;D 项所述是为减小误差所必须的. (3)①由于质点 1 起振方向向下,故最前面质点的起振方向也向下,t=0.3s 时的波形为 可知 0.3s 内波传播了Δx=1.5λ=1.2m,故波速 v=Δx Δt =1.2 0.3 m/s=4m/s ②质点的振动周期等于波传播的周期 T=0.2s,故ω=2π T =10π,质点的振动方程为 y=- Asinωt(m)=-0.2sin10πt(m) ③t=0.3s 时,最前面的波峰为质点 7,故波峰传到 P 点的时间 Δt′=x7P v =10-0.6 4 s=2.35s 11.(1)如图所示,一列简谐横波沿+x 方向传播.已知 t=0 时,波传播到 x 轴上的质点 B, 在它左边的质点 A 位于负的最大位移处;在 t=0.6s 时,质点 A 第二次出现在正的最大位移 处.则这列波的波速是________m/s.这段时间内质点 D 运动的路程是________m. (2)关于电磁场和电磁波,下列说法中正确的是________. A.恒定的电场能够产生电磁波 B.电磁波既有纵波,又有横波 C.电磁波从空气进入水中时,其波长变长了 D.雷达用的是微波,是由于微波传播的直线性好,有利于测定物体的位置 (3)如图所示,半圆形玻璃砖的半径为 R,光屏 PQ 置于直径的右端并与直径垂直,一复色光 与竖直方向成α=30°角射入玻璃砖的圆心,由于色光中含有两种单色光,故在光屏上出现了 两个光斑,玻璃对两种单色光的折射率分别为 n1= 2和 n2= 3,求: 7 ①这两个光斑之间的距离; ②为使光屏上的光斑消失,复色光的入射角至少为多少? [答案] (1)5 0.1 (2)D (3)① 1- 3 3 R ②45° [解析] (1)由题意可知:波长λ=2m,1.5T=0.6s,则 T=0.4s,可得 v=λ T =5m/s.波由 B 点刚 传到 D 点的时间 t1=x v =2 5 s=0.4s,则在 0.2s 即半个周期内,质点 D 运动了 2A=0.1m. (2)由麦克斯韦电磁场理论可知,周期性变化的电场(磁场)才能产生电磁波,恒定的电场不能 产生电磁波,A 错;电磁波的传播方向与 E、B 两个振动矢量的方向均垂直,是横波,B 错; 电磁波由空气进入水中传播时,速度变小,波长变短了,C 错误;电磁波遇到障碍物要发生 反射,雷达就是利用电磁波的这个特征工作的,故所用的电磁波传播的直线性要好,而微波 就具有这样的特点,D 正确. (3)①作出光路如图所示,由折射定律有:n1=sinβ1 sinα ,n2=sinβ2 sinα 代入数据得: 2= sinβ1 sin30° 3= sinβ2 sin30° 解得:β1=45° β2=60° 故 ab=Pb-Pa=Rtan45°-Rtan30°=(1- 3 3 )R ②当两种色光在界面处均发生全反射时光屏上的光斑消失,且玻璃对其折射率为 n2 的色光 先发生全反射,故 sinC= 1 n1 = 1 2 ,即入射角α=C=45°. 12.(1)一列简谐横波沿 x 轴正方向传播,位于原点的质点的振动图象如图甲所示,则该质 点的振幅是________cm,振动周期是________s.图乙为该波在某一时刻的波形图,质点 A 8 位于 x=0.5m 处,则该波的传播速度是________m/s,质点 A 由图示位置再经过 1.35s 时间 所通过的路程是________cm. (2)根据相对论原理,下列说法中正确的是________. A.按照相对论来讲,一个真实的、静止质量不为零的物体,相对任何惯性系的运动速度都 不可能等于或超过光速 c B.按照相对论及基本力学规律可推出质量和能量的关系为 E=mc2 C.某个静质量为 m0 的物体,相对它静止的观察者测其质量为 m=m0,能量为 E=E0=m0c2, 称为静能量,这表明任何静质量不为零的物体,都贮存着巨大的能量 D.按照相对论来讲,物理规律在一切惯性参考系中可以具有不同的形式 (3)在桌面上有一个倒立的玻璃圆锥,其顶点恰好与桌面接触,圆锥的轴(图中 虚线)与桌面垂直,过轴线的截面为等边三角形,如图所示,有一半径为 r 的 圆柱形平行光束垂直入射到圆锥的底面上,光束的中心轴与圆锥的轴重合, 已知玻璃的折射率为 1.5,则光束在桌面上形成的光斑半径是多少? [答案] (1)8 0.2 10 216 (2)ABC (3)2r [解析] (1)由振动图象可以直接读出振幅 A=8cm,周期 T=0.2s;再由波动图象可以读出波 长λ=2m,根据 v=λ T 得 v=10m/s;因为质点 A 的图示位置在波峰处,所以路程 s=t T ×4A= 27 4 ×4A=216cm. (2)按照相对论的结论,m= m0 1-v2 c2 ,这表明高速运动的物体其质量的测量值会非常大,并 随着速度趋于光速而无限增大,一个真实的物体,其质量是确定值、有限大,所以按照相对 论来讲,一个真实的、静止质量不为零的物体,相对任何惯性系的运动速度都不可能等于或 超过光速 c,选项 A 说法是对的;质能关系可以按照相对论及基本力学规律推出,所以选项 B 的说法也是对的;按照狭义相对论的两个基本假设,物理规律在一切惯性参考系中都是相 同的,所以选项 D 说法错误,故本题的正确选项为 ABC. (3)当光线到达玻璃圆锥的侧面时,根据几何关系,相对于玻璃和空气的界面,入射角为 60°, 因光线在玻璃中发生全反射的临界角的正弦值 sinC=1 n =2 3 而 sini=sin60°= 3 2 >2 3 ,故光线在侧面发生全反射,然后垂直射向另一 侧面,并射出圆锥. 如图所示,由几何关系可知,△ABC 为等边三角形,△ACD 也为等边 三角形,故光束在桌面上形成的光斑半径为 2r
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