2021年高考物理真题模拟试题专项汇编：光学

（12）光学一一2021年高考物理真题模拟试题专项汇编

1.【2021年全国乙卷，34][物理一选修3-4]

（1）图中实线为一列简谐横波在某一时刻的波形曲线，经过0.3s后，其波形曲线如图中虚

线所示。已知该波的周期7■大于0.3So若波是沿x轴正方向传播的，则该波的速度大小为

（2）用插针法测量上、下表面平行的玻璃砖的折射率，实验中用A、B两个大头针确定入

射光路，C、D两个大头针确定出射光路，。和。'分别是入射点和出射点，如图（a）所示,

测得玻璃砖厚度为=15.0mm；4到过。点的法线OM的距离AM=10.0mm,M到玻璃石专

的距离MO=20.0mm,O'到0M的距离为s=5.0mmo

\图（b）

\D

ffl（a）、

（i）求玻璃砖的折射率；

（ii）用另一块材料相同，但上下两表面不平行的玻璃砖继续实验，玻璃石专的截面如图（b）

所示。光从上表面入射，入射角从。逐渐增大，达到45。时，玻璃胸下表面的出射光线恰好

消失，求此玻璃砖上下表面的夹角。

2.【2021年全国甲卷，34][物理一选修3-4]

（1）如图，单色光从折射率“=1.5、厚度d=10。cm的玻璃板上表面射入。已知真空中的

光速为3.0xl08m/s,则该单色光在玻璃板内传播的速度为_______m/s：对于所有可能的入

射角，该单色光通过玻璃板所用时间t的取值范围是sMt<s（不考虑反

射）。

玻璃板

(2)均匀介质中质点A、8的平衡位置位于x轴上，坐标分别为0和x=16cm。某简谐横

B

波沿X轴正方向传播，波速为v=20cm/s,波长大于20cm,振幅为y=lcm,且传播时无

衰减。”0时刻4、8偏离平衡位置的位移大小相等、方向相同，运动方向相反，此后每隔

加=0.6s两者偏离平衡位置的位移大小相等、方向相同。已知在f时刻＞0),质点A

11

位于波峰。求：

(i)从\时刻开始，质点B最少要经过多长时间位于波峰;

(ii)r时刻质点B偏离平衡位置的位移。

1

3.【2021年山东卷，7】用平行单色光垂直照射一层透明薄膜，观察到如图所示明暗相间的

干涉条纹.下列关于该区域薄膜厚度d随坐标x的变化图像，可能正确的是()

4.【2021年山东卷，15】超强超短光脉冲产生方法曾获诺贝尔物理学奖，其中用到的一种

脉冲激光展宽器截面如图所示.在空气中对称放置四个相同的直角三棱镜,顶角为0.一细束

脉冲激光垂直第一个棱镜左侧面入射，经过前两个棱镜后分为平行的光束，再经过后两个棱

镜重新合成为一束，此时不同频率的光前后分开，完成脉冲展宽已知相邻两棱镜斜面间的

距离4=100.0mm,脉冲激光中包含两种频率的光，它们在棱镜中的折射率分别为"1=7?和

n=.IfXsin37°=-,cos37°=—,=1.890.

2455J7

（1）为使两种频率的光都能从左侧第一个棱镜斜面射出，求0的取值范围；

（2）若0=37。，求两种频率的光通过整个展宽器的过程中，在空气中的路程差AL（保留

3位有效数字）.

5.【2021年广东卷，16】【选修3-4】

（1）如图所示，一个轻质弹簧下端挂一小球，小球静止。现将小球向下拉动距离A后由静

止释放，并开始计时，小球在竖直方向做简谐运动，周期为晨经过1时间，小球从最低点

8

AT

向上运动的距离-（选填"大于""小于"或"等于"）；在工时刻，小球的动能

-----------24-----------

（选填"最大"或"最小"）。

（2）如图所示，一种光学传感器是通过接收器Q接收到光的强度变化而触发工作的。光从

挡风玻璃内侧P点射向外侧M点再折射到空气中，测得入射角为a,折射角为6；光从P

点射向外侧N点，刚好发生全反射并被Q接收。求光从玻璃射向空气时临界角D的正弦值

（1）如图，一弹簧振子沿x轴做简谐运动，振子零时刻向右经过A点，2s时第一次到达B

点，已知振子经过48两点时的速度大小相等，2s内经过的路程为0.6m,则该简谐运动

的周期为s,振幅为m»

A

（2）将两块半径均为R、完全相同的透明半圆柱体48正对放置，圆心上下错开一定距离,

如图所示。用一束单色光沿半径照射半圆柱体A,设圆心处入射角为反当0=60。时，A右

侧恰好无光线射出；当。=30。时，有光线沿B的半径射出，射出位置与A的圆心相比下移

h.不考虑多次反射。求：

（i）半圆柱体对该单色光的折射率；

（ii）两个半圆柱体之间的距离d。

7.【2021年湖南卷，16】[物理一选修3-4]

（1）均匀介质中，波源位于。点的简谐横波在xOy水平面内传播，波面为圆。r=0时亥i|,

波面分布如图（a）所示，其中实线表示波峰，虚线表示相邻的波谷。A处质点的振动图像

如图（b）所示，z轴正方向竖直向上。下列说法正确的是0

A.该波从A点传播到B点，所需时间为4s

BJ=6s时，B处质点位于波峰

Cj=8s时，C处质点振动速度方向竖直向上

DJ=10s时，。处质点所受回复力方向竖直向上

E.E处质点起振后，12s内经过的路程为12cm

（2）我国古代著作《墨经》中记载了小孔成倒像的实验，认识到光沿直线传播。身高.6m

的人站在水平地面上，其正前方0.6m处的竖直木板墙上有一个圆柱形孔洞,直径为1.0cm、

深度为1.4cm,孔洞距水平地面的高度是人身高的一半。此时，由于孔洞深度过大，使得成

像不完整，如图所示。现在孔洞中填充厚度等于洞深的某种均匀透明介质，不考虑光在透明

介质中的反射。

m

（i）若该人通过小孔能成完整的像，透明介质的折射率最小为多少？

5）若让掠射进入孔洞的光能成功出射，透明介质的折射率最小为多少？

8.【2021年浙江卷，12】用激光笔照射透明塑料制成的光盘边缘时观察到的现象如图所示。

入射点。和两出射点P、。恰好位于光盘边缘等间隔的三点处，空气中的四条细光束分别为

入射光束。、反射光束b、出射光束c和d。已知光束a和b间的夹角为90。，则（）

A.光盘材料的折射率”=2

B.光在光盘内的速度为真空中光速的三分之二

C.光束氏c和d的强度之和等于光束a的强度

D.光束c的强度小于。点处折射光束OP的强度

9.【2021年浙江卷，16】肥皂膜的干涉条纹如图所示，条纹间距上面宽、下面窄。下列说

法正确的是（）

A.过肥皂膜最高和最低点的截面一定不是梯形

B.肥皂膜上的条纹是前后表面反射光形成的干涉条纹

C.肥皂膜从形成到破裂，条纹的宽度和间距不会发生变化

D.将肥皂膜外金属环左侧的把柄向上转动90。,条纹也会跟着转动90。

10.[2021年浙江卷，17]（1）在"验证机械能守恒定律'实验中，小王用如图1所示的装置,

让重物从静止开始下落，打出一条清晰的纸带，其中的一部分如图2所示。。点是打下的第

一个点，4B、C和。为另外4个连续打下的点。

白一重物

ffll

.O..g.A.K.C.D

ri-L-rT-r-^Tfr'-riLL-rffT-rELT-r""r'"rr

0Ian23I19202121232425262728293031323334

①为了减小实验误差，对体积和形状相同的重物，实验时选择密度大的理由是

②已知交流电频率为50Hz，重物质量为200g，当地重力加速度g=9.80m/s2，则从。点

到C点，重物的重力势能变化量的绝对值।J、C点的动能E=J（计

算结果均保留3位有效数字）。比较石与।的大小，出现这一结果的原因可能是_______

kCIpl

（单选）。

A.工作电压偏高B.存在空气阻力和摩擦力C.接通电源前释放了纸

带

（2）图3所示是“用双缝干涉测量光的波长“实验的装置。实验中：

①观察到较模糊的干涉条纹，要使条纹变得清晰，值得尝试的是（单选）。

A.旋转测量头

B.增大单缝与双缝间的距离

C.调节拨杆使单缝与双缝平行

②要增大观察到的条纹间距，正确的做法是（单选）。

A.减小单缝与光源间的距离B.减小单缝与双缝间的距离

C.增大透镜与单缝间的距离D.增大双缝与测量头间的距离

光源透段单缝就提拨杆遮光筒测册头

图3

11.【2021年嫩江市模拟，2]图甲是研究光的干涉现象的装置示意图，在光屏P上观察到

的图样如图乙所示.为了增大条纹间的距离，下列做法正确的是（）

单—jk

色4isr

光二I0

单缝屏双健肝光屏IIIIHI

甲乙

A.增大单色光的频率B.增大双缝屏上的双缝间距

C.增大双缝屏到光屏的距离D.增大单缝屏到双缝屏的距离

12.【2021年河北省模拟，16][选修3-4]

如图所示，一半径为R的透明球体置于真空中，是一条通过透明球体球心的直线，一单

色细光束A8平行于射向球体，B为入射点，且夹角=60。,CD为出射光线，CD与

MN夹角a=30。,已知光在真空中的传播速度为c,求：

（1）透明球体材料对该单色细光束的折射率；

（2）该单色细光束从B点传播到C点的时间。

13.[2021年天津市河东区模拟，5]已知天然材料的折射率都为正值（〃>0）.近年来，

人们针对电磁波某些频段设计的人工材料，可以使折射率为负值（n<0）,称为负折射率介

质.电磁波从正折射率介质入射到负折射介质时，符合折射定律，但折射角为负，即折射线

与入射线位于界面法线同侧，如图甲所示.点波源S发出的电磁波经一负折射率平板介质

后，在另一侧成实像.如图乙所示，其中直线5。垂直于介质平板，则图中画出的4条折射线

（标号为1、2、3、4）之中，正确的是（）

A.lB.2C.3D.4

14.【2021年山东省联考，15】半径为R的半圆柱形玻璃介质截面如图所示，。为圆心，AB

为直径，Q是半圆上的一点，。。垂直于A3。一束单色光从Q点射入介质，入射角为45。。

已知此单色光在玻璃中的折射率w=光在空气中的速度为c,求该光在玻璃中运动的时

间（不考虑光在界面处的反射）。

15.【2021年河南省名校联考，19】【物理一一选修3-4】

（1）如图所示，图甲为一列简谐横波在f=2s时的波形图，平衡位置在x=L5m处的质点P

的振动图象如图乙所示，下列说法正确的有.

A.该简谐横波沿x轴正方向传播

B.平衡位置在x=2.0m处的质点的振幅为8cm

C.t=2s时，质点P的振动速度为0.5m/s

DQ~ls内，质点P的加速度逐渐增大

E.0~3s内，质点P运动的路程为16cm

（2）如图所示，三角形ABC是横截面为直角三角形的三棱镜，其中ZA=60。，折射率为

巫,一细束单色光从AC边上的。点射入棱镜，入射角的正弦值为，D、C两点间距离为

3

10cm,单色光从。点进入棱镜后折射光线与BC边交于E点（图中未画出，已知光在真空中

的速度为c=3xlO8m/s),求:

(i)单色光从。点入射到E点所用的时间和CE的距离(计算结果可保留分式或根式);

(ii)该单色光能否从E点射出三棱镜。

答案以及解析

1.答案：（1）0.5；0.4；1.2

（2）本题考查玻璃砖折射率的测定。

AM_立

⑴由数学知识可知，入射角的正弦值疝。;

1AM2+MO2一5

折射角的正弦值sinO=一一：=等

2a2+h210

sin0

根据折射定律，玻璃砖的折射率为"=一去

sino

2

（ii）作出如图所示的光路图

sin45rz

光在第一个表面，根据折射定律有〃=F7=、'2

sin%

得到折射角0/30

由题意，光在下表面发生全反射，则有sin。=-

3n

解得。3=45

所以由几何关系可知，上下表面的夹角为a=15

解析：（1）本题考查波的传播。当波沿着x轴正方向传播时，由题意可知，：3T=0.3s,得

4

到周期T=0.4s；根据丫=下，其中九=0.2m,得到v=0.5m/s；当波沿着x轴负方向传播

时，由题意可知1T=0.3S,得到周期T=1.2S。

4

2.答案：（1）2x1085xlO-io3>/5xlO-io

（2）本题考查简谐横波的传播。

（i）在/时刻质点A位于波峰，A、5的平衡位置坐标分别为。和x=16cm

1B

X

波峰从A传到B所用时间t=4=0.8s

ABv

故从0时刻开始，质点2最少要经过0.8s位于波峰。

（ii）由题意，M=-

.2

又4=0.6s,解得周期T=L2s

若选t时刻为计时零点，则由题意可知质点A的振动方程为y=ycos®?

1A

质点B的振动方程为y=ycosa（J-t）

BAB

2兀

t—0.8s,co=—,t=0

ABT

联立解得/时刻即f=0的时刻质点8偏离平衡位置的位移为y=-0.5cm

1B

解析：（1）本题考查光在介质中的传播。光在介质中传播的速度为丫=£,代入题给数据得

n

v=2xl08m/so当光线垂直玻璃板射入时，光线速度方向不变，在介质中传播的距离最小，

等于玻璃砖的厚度，此时用时也最短，即1=~,代入数据得f=5xl0-wSo当最大入射

minymin

角的临界值为90。时，此时折射角为a,则有〃=吧sin9竺0，得sina=23,光在玻璃砖中的传

sina3

.Q7

播路线如图所示，则传播距离X=—,联立可得彳=一,最长传播时间t=-,得

COSamaxv

t=3\[5xlO-ios,HP5xlO-ios<t<3\f5xlO-ios。

max

3.答案：D

4.答案：解：（1）设C是全反射的临界角，光线在第一个三梭镜右侧斜面上恰好发生全反射

时，

根据折射定律得

sinC」①

n

代入较大的折射率得

C=45。②

所以顶角0的范围为

0<0<45°(或。<45°)③

(2)脉冲激光从第一个三棱镜右侧斜面射出时发生折射，设折射角分别为a和a.,由折射

12

定律得

sina小

n=—

1sinO

设两束光在前两个三棱镜斜面之间的路程分别为L和L,则

12

L=-^—@

1cosa

1

L=—^—⑦

2cosa

2

AL=2(L-I)®

12

联立④⑤⑥⑦⑧式，代入数据得

AL=14.4mm(§)

解析：

5.答案：(1)小于；最大

(2)本题考查光学的折射与全反射知识。

折射角大于入射角，说明光线由光密介质射向光疏介质，由折射定律可知，该光在挡风玻璃

中的折射率为几=-

sina

］sinex.

由题意可知，光线在N点发生全反射，则有sinO=-=.

nsmp

解析：(I)本题考查简谐运动中路程及速度等物理量。小球由静止开始运动，在0~［的平

O

TTTTA

均速度小于工~二的平均速度，0~丁小球运动的路程为4故小球在0~77的路程小于彳。

84482

在［时刻，小球回到平衡位置，速度最大，动能最大。

4

6.答案:C1)4；0.3

(2)本题考查光的折射率。

(i)光从半圆柱体A射入,满足从光密介质到光疏介质，当e=60。时发生全反射，有sine=1

n

解得〃二2百

3

(ii)当入射角。=30。，经两次折射从半圆柱体B的半径射出，设折射角为r,光路如图

由折射定律有sin。-n=sinr

根据几何关系有tanr=h-RsinQ

d

联立解得1=必〃-勺

2

解析：(1)本题考查简谐运动。根据简谐运动对称性可知，振子零时刻向右经过A点，2s

后第一次到达B点，已知振子经过A、B两点时的速度大小相等，则48两点关于平衡位

置对称，而振动经过了半个周期的运动，则周期为T=2/=4s。从A到B经过了半个周期的

振动，路程为s=0.6m,而一个完整的周期路程为1.2m,为4个振幅的路程，有4A=1.2m,

解得振幅A=0.3m。

7.答案：(1)ACE

(2)本题考查光的折射现象。

(i)可作出折射光线如图所示

sma

折射率"=茅8

AC--DE

一2

根据几何关系得sma=z

JBO2+(AC-^DE)2

si.npO=]DE

\]DE2+OD2

解得“。1.37

(ii)折射率最小时，可作出折射光线如图所示

sina'

折射率

sinB'

根据几何关系得sina'=1

sinP'=sinP

解得力心1.72

解析：（1）本题考查简谐横波的传播。由题图3）可知波长九=10m,由题图（b）可知周

期7=4s,振幅A=lcm,所以该波从A点传播到B点，所需时间为一个周期4s,A项正

九

确；因为v=7=2.5m/s,所以x=vr=15m可知，5m处的振动形式传播到B点，即B点将

处于波谷，B项错误；”8s时，即再经过27,根据几何关系可知

X=J102+202m=io6m,2九<彳八不2；九，C处质点正在向波峰处运动，振动速度方向

ocOC4

竖直向上，C项正确；波从AE波面传播到。的距离为x=（l函-10）m,波从AE波面传

播到C的时间为"土土1.7s,贝打=10s时，C处质点动了8.3s,此时质点位于水平面上方，

v

回复力方向向下，D项错误；12s为3个丁，每个周期质点走的路程为4个振幅，故E点经

过的总路程s=12cm,E项正确。

8.答案：D

解析：本题考查光的反射和折射。根据反射定律，入射角等于反射角，光束I、b成90。，则

在。点的入射角为45。，根据折射率定义，光盘材料的折射率”=吧竺■=",A项错误；

sin30

因为"=£,光在光盘内的速度v=£=走c,B项错误；光在Q处仍有反射光线，因此光束

vn2

从c、d的强度之和小于入射光a的强度，C项错误；在P点入射光束分裂为反射光束与折

射光束，因此光束c的强度小于入射光。尸的强度，D项正确。

9.答案：AB

解析：本题考查薄膜干涉问题。如果过肥皂膜最高和最低点的截面是梯形，则发生干涉的两

束光路程差就是一致的，导致干涉条纹是等宽度的，A项正确；由于前后表面反射光的路程

不同，存在路程差才形成了肥皂膜的干涉条纹，B项正确；肥皂膜从形成到破裂，由于重力

的作用，膜的厚度是变化的，光的路程差也是变化的，干涉条纹是不稳定的，C项错误；转

动把柄，并不影响膜的形状，条纹不会随之变化，D项错误。

10.答案：（1）①阻力与重力之比更小（或其它合理解释）;②0.542~0.550；0.570~0.590；C

（2）①C；②D

解析：本题考查机械能守恒与利用双缝干涉测量光的波长。

（1）①密度越大，同一体积的物体质量越大，重力越大，阻力与重力之比越小，相当于减

少了摩擦带来的实验误差。②从。到C,重力势能减少AE=mg/i,动能增加

p0C

AE”丫。工作电压偏高不会影响实验的误差；存在摩擦力会使重力势能的减少量

大于动能的增加量；只有提前释放了纸带，纸带的初速度不为零，下落到同一位置的速度偏

大，才会导致动能的增加量大于重力势能的减少量，C项正确。

（2）①只有单缝和双缝平行，才有可能观察到清晰条纹，C项正确。②根据条纹间距公式

©=4九可知，要增大条纹间距可以增大双缝到光屏的距离/,减小双缝的间隙d,D项正

a

确。

11.答案：C

解析：增大单色光的频率，由。=九/知，单色光的波长减小，由=＜大知，条纹间距减

a

小，A错误；增大双缝屏上的双缝间距，条纹间距减小，B错误；增大双缝屏到光屏的距离,

条纹间距增大，C