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- 2021-05-26 发布
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课时作业 12 (选修3-4)机械振动和机械波 光 电磁波
1.[物理——选修3-4]
(1)图示为“用双缝干涉测光的波长”的实验装置,从左到右依次放置①光源、②红色滤光片、③、④、⑤遮光筒、⑥光屏.下列说法正确的是________.
A.③、④分别是双缝、单缝
B.减小双缝之间的距离,可以增大相邻暗条纹间的距离
C.先放上单缝和双缝,调节光源高度使光沿遮光筒轴线照在屏中心
D.若双缝的间距为d,④与光屏的间距为l,用测微目镜测出6条红色条纹间的距离为a,则该红光的波长λ=
E.假若把此装置置于某液体中测量某单色光的波长,测得结果要比在真空中测得该光的波长短
(2)在图甲中,轻弹簧上端固定,下端系一质量为m=0.2 kg的小球,现让小球在竖直方向上做简谐运动,小球从最高点释放时开始计时,小球相对平衡位置的位移y随时间t按正弦规律变化,如图乙所示.取g=10 m/s2.
(ⅰ)写出小球相对平衡位置的位移y的表达式;
(ⅱ)求0~9.2 s内小球的总路程L,并指出t=9.2 s时小球的位置.
解析:(1)光源产生的光经滤光片变成单色光,通过单缝成为线光源,经过双缝获得相干波源,③、④分别是单缝、双缝,A错误;由Δx=λ知,要增大相邻暗条纹间的距离,可减小双缝之间的距离d或增大双缝到屏的距离l,B正确;先不放单缝和双缝,调节光源高度使光沿遮光筒轴线照在屏中心,然后再放单缝和双缝,调节其位置使光屏上出现干涉条纹,C错误;相邻两条红色条纹间的距离Δx=
eq f(a,n-1)=,又Δx=λ,得该红光的波长λ=,D正确;假若把此装置置于某种液体中,由于液体的折射率大于1,所以结果将比在真空中测得该光的波长短,E正确.
(2)(ⅰ)由题图乙可知,周期T=0.8 s
振幅A=0.1 m
小球相对平衡位置的位移y=Acos t
即y=0.1cosπt(m)
(ⅱ)由于n==11
0~9.2 s内小球的总路程L=n·4A
解得L=4.6 m
t=9.2 s时小球处于最低点
答案:(1)BDE (2)(ⅰ)y=0.1 cosπt(m) (ⅱ)小球处于最低点
2.[物理——选修3-4]
(1)波速均为1.0 m/s的两列简谐横波,分别从波源x=0、x=12 m处沿x轴相向传播,t=0时的波形图如图所示.下列说法正确的是________.
A.两列波的频率均为0.25 Hz
B.t=0.2 s时,两列波相遇
C.两列波相遇过程中,x=5 m处和x=7 m处的质点振动加强
D.t=3 s时,x=6 m处的质点位移达到最大值
E.当波源从x=0处沿x轴正向运动时,在x=12 m处的观察者观察到该简谐横波的频率变大
(2)平面镜成像时,从光源发出的光线第一次被镜面反射所生成的像最明亮,被称为主像.如图所示,为测量一面嵌入墙壁的平面镜的厚度,可以在紧贴平面镜的表面放置一点光源S,现观测到S与其主像S′的距离为D.已知随着观察角度的变化,该距离也会发生变化.
(ⅰ)试通过作图来确定光源S的主像S′的位置;(保留作图痕迹)
(ⅱ)若玻璃的折射率n=,垂直平面镜方向观测,S与其主像S′的距离D=5 mm,求平面镜的厚度d.(结果保留三位有效数字)
解析:(1)由波的图象可知,波长λ=4 m,两列波的频率均为f==0.25 Hz,选项A正确;由波的图象可知,两列波相距Δx=4 m,由Δx=2vt可知,t=2 s,即t=2 s时,两列波相遇,选项B错误;两列波相遇过程中,x=5 m处和x=7 m处的质点振动减弱,选项C错误;t=3 s时,x=6 m处的质点位移达到负的最大值,选项D正确;当波源从x=0处沿x轴正向运动时,由于波源相对于观察者靠近,根据多普勒效应,在x=12 m处的观察者观察到该简谐横波的频率变大,选项E正确.
(2)(ⅰ)光路图如图所示
由几何关系
SB=2dtan r
SB=Dtan i
垂直平面镜方向观测,满足i→0,r→0
即tan i≈sin i,tan r≈sin r
由折射定律n=
解得d=·=·=
代入数据,得d=3.33 mm
答案:(1)ADE (2)(ⅰ)见解析 (ⅱ)3.33 mm
3.[物理——选修3-4]
(1)如图,△ABC为一玻璃三棱镜的横截面,∠A=30°.一束红光垂直AB边射入,从AC边上的D
点射出,其折射角为60°,则玻璃对红光的折射率为________.若改用蓝光沿同一路径入射,则光线在D点射出时的折射角________(填“小于”“等于”或“大于”)60°.
(2)一列简谐横波在t= s时的波形图如图(a)所示,P、Q是介质中的两个质点.图(b)是质点Q的振动图象.求:
(ⅰ)波速及波的传播方向;
(ⅱ)质点Q的平衡位置的x坐标.
解析:(1)根据光路的可逆性,在AC面,入射角为60°时,折射角为30°.
根据光的折射定律有n===.
玻璃对蓝光的折射率比对红光的折射率大,
沿同一路径入射时,r角仍为30°不变,对应的i角变大.
因此折射角大于60°.
(2)(ⅰ)由图(a)可以看出,该波的波长为λ=36 cm①
由图(b)可以看出,周期为
T=2 s②
波速为v==18 cm/s③
由图(b)知,当t= s时,质点Q向上运动,结合图(a)可得,波沿x轴负方向传播.
(ⅱ)设质点P、Q平衡位置的x坐标分别为xP、xQ.由图(a)知,x=0处y=-=Asin(-30°),因此
xP=λ=3 cm④
由图(b)知,在t=0时质点Q处于平衡位置,经Δt=
s,其振动状态向x轴负方向传播至P点处,由此及③式有
xO-xP=vΔt=6 cm⑤
由④⑤式得,质点Q的平衡位置的x坐标为
xQ=9 cm⑥
答案:(1) 大于 (2)(ⅰ)18 cm/s 沿x轴负方向传播 (ⅱ)xQ=9 cm
4.[物理——选修3-4]
(1)如图甲所示,沿波的传播方向上有间距均为1 m的六个质点a、b、c、d、e、f,均静止在各自的平衡位置,t=0时刻振源a从平衡位置竖直向上做简谐振动,其振动图象如图乙所示,形成的简谐横波以1 m/s的速度水平向右传播,则下列说法正确的是________.
A.这列波的周期为4 s
B.0~3 s质点b运动路程为4 cm
C.4~5 s质点c的加速度在减小
D.6 s时质点e的运动速度水平向右为1 m/s
E.此六质点都开始振动后,质点a的运动方向始终与质点c的运动方向相反
(2)半径为R的固定半圆形玻璃砖的横截面如图所示,O点为圆心,OO′为直径MN的垂直平分线.足够大的光屏PQ紧靠在玻璃砖的右侧且与MN垂直.一束复色光沿半径方向与OO′成θ=30°角射向O点,已知复色光包含有在玻璃砖的折射率从n1=到n2=的光束,因而光屏上出现了彩色光带.
(ⅰ)求彩色光带的宽度;
(ⅱ)当复色光入射角逐渐增大时,光屏上的彩色光带将变成一个光点,则θ角至少为多少?
解析:(1)波的周期与a点的振动周期相等,由题图乙知,
周期为T=4 s,A正确;波从a点传到b点的时间为= s=1 s,则在0~3 s内质点b振动了t=2 s时间,而t=2 s=0.5T,所以质点b运动路程为s=2A=2×2 cm=4 cm,B正确;波从a点传到c点的时间为tac== s=2 s,则在4 s时,质点c刚振动半个周期到达平衡位置,则在4~5 s这段时间内质点c正由平衡位置向波谷运动,加速度在增大,C错误;质点e只在平衡位置附近上下振动,不可能向右运动,D错误;该波的波长λ=vT=4 m,此六质点都振动起来后,a、c的距离等于半个波长,所以质点a的运动方向始终与质点c的运动方向相反,E正确.
(2)(ⅰ)设在玻璃砖中的折射率为的光的折射角为β1,在玻璃砖中的折射率为的光的折射角为β2,则
n1=
n2=
代入数据得β1=45°,β2=60°
故彩色光带的宽度为d=Rtan(90°-β1)-Rtan(90°-β2)=R
(ⅱ)当复色光恰好全部发生全反射时,sin C==
即入射角θ≥C=45°,即至少为45°
答案:(1)ABE (2)(ⅰ)R (ⅱ)至少45°