16. (18分) 如图,简谐横波在t时刻的波形如实线所示,经过Δt=3 s,其波形如虚线所示.已知图中x1与x2相距1 m,波的周期为T,且2T<Δt<4T.则
(1)可能的最小波速为多少?
(2)最小周期为多少?
解析:由波形图可知波长为λ=7 m,所以Δx=1 m=
λ,所以Δt=(n+)T或Δt=(n+)T,又由于2T<Δt<4T,所以周期的最大可能值为Tmax= s=1.4 s,周期的最小可能值为Tmin= s= s,可能的最小波速为vmin== m/s=5 m/s.
答案:(1)5 m/s (2) s
三、计算题
14. (10分)如图所示,实线为一简谐波该时刻的波形图,虚线是该波经0.2 s后的波形图.
(1)若波向左传播,指出此时刻P点的振动方向并求出经0.2 s后波传播的距离;
(2)若波向右传播,求它的最大周期;
(3)若波速是35 m/s,求波的传播方向.
解析:根据波的图象和传播方向通过“带动法”或“微平移法”可得P点的振动方向;根据两个时刻的波形图可得其在0.2 s内传播的距离,根据时空的对应性可得该波周期的通式.
(1)若波向左传播,在图中实线波形图对应的时刻P点向上振动
由图可知经0.2 s后波传播的距离为x=(3+4n)m(n=0,1,2,…)
(2)若波向右传播,则实线波形图到虚线波形图所经过的时间t=+nT(n=0,1,2,…),当n=0时周期有最大值Tmax=4t=0.8 s
(3)若波速为35 m/s,则0.2 s内波传播的距离为x=vt=7.0 m,而λ=4 m,故x=1λ,故波向左传播.
答案:(1)见解析 (2)0.8 s (3)向左传播
13. (8分)实验室有一块长方体透明介质,截面如图中ABCD所示.AB的长度为l1,AD的长度为l2,且AB和AD边透光,而BC和CD边不透光,且射到这两个边的光线均被全部吸收.现让一平行光束以入射角θ1射到AB面上,经折射后AD面上有光线射出,甲、乙两同学分别用不同方法测量该长方体介质的折射率.
(1)甲同学的做法是:保持射到AB面上光线的入射角不变,用遮光板由A点沿AB缓慢推进,遮光板前端推到P时,AD面上恰好无光线射出,测得AP的长度为l3,则长方体介质的折射率可表示为n=________.
(2)乙同学的做法是:缓慢调节射到AB上光线的入射角,使AD面也恰好无光线射出,测得此时射到AB面上光线的入射角为θ2,则长方体介质的折射率可表示为n=________.
(3)θ1和θ2的关系为:θ1________θ2(填“<”、“>”或“=”).
解析:(1)由题意可知,过P点入射光线的折射光线恰好过D点,设此时折射角为γ1,则
sinγ1=,n==.
(2)由题意可知,射到AD面上的光线在AD面上恰好发生全反射,设在AB面上的折射角为γ2,则在AD面上的入射角为临界角,且C=90°-γ2,由n==解得:
n=.
(3)因为在AB面的折射角越小,在AD面的入射角越大,而在AB面入射角越小,折射角越小,故应减小AB面的入射角才能使光线在AD面发生全发射,因此θ1>θ2.
答案:(1) (2) (3)>
12. (8分)有两个同学利用假期分别去参观北大和南大的物理实验室,各自利用先进的DIS系统较准确地探究了“单摆的周期T与摆长L的关系”,他们通过校园网交换了实验数据,并由计算机绘制了T2-L图象,如图甲所示.去北大的同学所测实验结果对应的图线是________(选填“A”或“B”).另外,在南大做探究的同学还利用计算机绘制了两种单摆的振动图象(如图乙),由图可知,两单摆摆长之比=________.
解析:由T=2π得,T2=L,根据图甲可知>,即gA<gB,因北大更靠近北极,其所在地的重力加速度更大些,应选B;根据图甲可知=·==,由图乙可得=,由T2=L得,==2.
答案:B 2
二、填空题
11. (6分) 如图所示,平静的水面下同一竖直线上有两个点光源Sa、Sb,可分别发出a、b两种不同颜色的单色光.在光源的正上方放置一个圆形的遮光板,在水面上方同时恰好看不到两个光源.则a光的频率________(选填“>”、“=”或“<”,下同)b光的频率;若用同一装置做杨氏双缝干涉实验,a光的干涉条纹宽度________b光的干涉条纹宽度.
解析: 由题意可知a光的临界角大于b光的临界角,根据折射率与临界角的关系可知水对a光的折射率小于水对b光的折射率,根据频率与折射率的关系可知a光的频率小于b光的频率.根据波速公式可知a光在真空中的波长大于b光在真空中的波长,根据n=可知a光在水中的波长大于b光在水中的波长,若用同一装置做杨氏双缝干涉实验,a光的干涉条纹宽度大于b光的干涉条纹宽度.
答案:< >
9. 如图,一玻璃柱体的横截面为半圆形,一单色细光束从空气射向柱体的O点(半圆的圆心),产生反射光束1和折射光束2,已知玻璃的折射率为,入射角为45°,现保持入射光不变,将半圆柱绕通过O点且垂直于图面的轴顺时针转过15°,如图中虚线所示,则( )
A. 光束1顺时针转过15°
B. 光束1顺时针转过30°
C. 光束2顺时针转过的角度小于15°
D. 光束2顺时针转过的角度大于15°
解析:当圆柱转过15°时,入射角变为60°,则反射角也变为60°,故光束1顺时针转过30°;折射角的改变量小于入射角的改变量,故光束2顺时针转过的角度小于15°.
答案:BC
8. [2014·天津河西区期末] 一列简谐横波沿x轴负方向传播,a、b为波上的两个质点,某时刻的波形图如图甲所示,从此时刻开始计时,图乙是a、b两个质点中某一质点的振动图象,下列判断正确的是 ( )
A. 波速为1.0 m/s,图乙是质点a的振动图象
B. 波速为1.0 m/s,图乙是质点b的振动图象
C. 波速为0.16 m/s,图乙是质点a的振动图象
D. 波速为0.16 m/s,图乙是质点b的振动图象
解析:由图甲可知机械波的波长λ=0.4 m,由图乙可知质点振动周期T=0.4 s,则波速v== m/s=1.0 m/s.根据波的传播规律与质点振动之间的关系可知,该时刻质点a向下振动,质点b向上振动,因此图乙是质点b的振动图象,B正确.
答案:B
17. (10分)如图所示,在MN的下方足够大的空间是玻璃介质,其折射率为n=,玻璃介质的上边界MN是屏幕.玻璃中有一正三角形空气泡,其边长l=40 cm,顶点与屏幕接触于C点,底边AB与屏幕平行.激光a垂直于AB边射向AC边的中点O,结果在屏幕MN上出现两个光斑.
(1)画出光路图;
(2)求两个光斑之间的距离L.
解析:(1)画出光路示意图如图所示
(2)在界面AC,a光的入射角θ1=60°
由光的折射定律得:
=n
代入数据求得折射角
θ2=30°
由光的反射定律得反射角θ3=60°
由几何关系易得:△ODC是边长为l/2的正三角形,△COE为等腰三角形,CE=OC=l/2
故两光斑之间的距离L=DC+CE=l=40 cm.
答案:(1)见解析图 (2)40 cm
A. P光束只有蓝光 B. P光束只有红光
C. Q光束只有蓝光 D. Q光束只有红光
解析:蓝光折射率大,易发生全反射,由图可知,只有一条折射光线,说明蓝光发生了全反射,Q光束只有红光;有折射就有反射,P光束为红光和蓝光组成的复色光.
答案:D
16. (18分) 如图,简谐横波在t时刻的波形如实线所示,经过Δt=3 s,其波形如虚线所示.已知图中x1与x2相距1 m,波的周期为T,且2T<Δt<4T.则
(1)可能的最小波速为多少?
(2)最小周期为多少?
解析:由波形图可知波长为λ=7 m,所以Δx=1 m=
λ,所以Δt=(n+)T或Δt=(n+)T,又由于2T<Δt<4T,所以周期的最大可能值为Tmax= s=1.4 s,周期的最小可能值为Tmin= s= s,可能的最小波速为vmin== m/s=5 m/s.
答案:(1)5 m/s (2) s
15. (10分)如图所示,一透明球体置于空气中,球半径R=10 cm,折射率n=.MN是一条通过球心的直线,单色细光束沿直线AB且平行于MN射向球体,B点为入射点,AB与MN间距为5 cm,出射光线沿CD方向.
(1)补全光路并求出光从B点传到C点的时间;
(2)求CD与MN所成的角α.(需写出求解过程)
解析:(1)连接BC,如图所示,设B点光线的入射角、折射角分别标为i、r,由几何关系可知
sini=/2,所以i=45°
对B点应用折射定律得n=
sinr=1/2,故r=30°
BC=2Rcosr
t=nBC/c=2nRcosr/c
解得t=(/3)×10-9 s
(2)由几何关系可知∠COP=15°,∠OCP=135°,α=30°.
答案:(1)图见解析 (2)(/3)×10-9 s (2)30°
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