基于2018年诺贝尔物理学奖高考出题方向的几点窥探 8页

基于2018年诺贝尔物理学奖高考出题方向的儿点窥探背景介绍THENOBELPRIZEINPHYSICS201810月2日瑞典当地时间上午11点45分，2018年诺贝尔物理学奖被授予美国科学家亚瑟•阿斯金(ArthurAshkin)、法国科学家杰哈•莫罗(GQrardMourou)和加拿大科学家唐娜・斯特里克兰ArthurGerardDonnaAshkinMourouStrickland(DonnaStrickland),以表彰他们在激光物理研究领域作出的开创性贡献。“forgroundbreakinginventionsinthefieldoflaserphysics”THEROYALSWEDISHACADEMYOFSCIENCES其中阿斯金的贡献是发明了一种“光学银子”，作为一种全新的操控工具可以在不损伤生物系统的条件下移动细胞、细菌等微生物，因而对生物系统的观察、控制具有广泛应用。而莫罗和斯特里克兰则发明了一种产生”高强度、超短时间光脉冲”的方法，即碉啾激光脉冲放大技术(简称CPA技术)。CPA技术为基础科学以及应用科学研究开拓了一片全新的领域，它能够让激光以极高的精确度在各种材料上进行切割、钻洞等操作，因而在工业和医疗等方面具有广泛的应用。背景介绍今年诺贝尔物理学奖的主题是：激光，明显涉及光学知识，主要与高中物理选修3・4和选修3・5所学知识有关，考察的重点应该是激光的特点，但不排除与其它知识点结合起來一起考，比如与电学实验一起来考察，如果仅仅是考察激光的特点的话，题目应该不会难，只要考生记住它的特点就应该能得分，激光作为一种特殊的人造光，在前儿年高考当屮也出现过，比如2010年江苏物理卷等。知识链接激光的理论基础起源于物理学家爱因斯坦，1917年爱因斯坦提出了一套全新的技术理论，光与物质相互作用这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子(电子)分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到(跃迁)到低能级上，这时将会 辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大匕简称激光。激光具有普通光所不具有的特点，可概括为三好（单色性好、相干性好、方向性好）一高（亮度高）・组题训练1.关于激光，下列说法不正确的是（）A.激光在自然界中普遍存在B.激光是相干光C.激光的平行度好D・激光的亮度高【答案】A【解析】激光是人造光，自然界没有，激光具有三大特点，平行度好、亮度高、是相干光;故A错误，B,C,D均正确.本题选错误的故选A.2.以下说法中不正确的是A.光纤通信利用了激光相干性好的特点B.激光武器利用了激光亮度高的特点C.激光刀是利用了激光单色性好的特点D.激光测距利用了激光平行度好的特点【答案】C3.（2014-如东县模拟）激光技术是在1960年发明的.激光被誉为神奇的光，关于激光的应用下列说法中正确的是（）A.激光用来控制核聚变，是因为它的方向性好，光源的能量就集中在很小一点上，可以在空间某个小区域内产生极高的温度B.由于激光是相干光，所以它能像无线电波那样被调制、用来传递信息C.用激光拦截导弹，摧毁卫星，是因为激光在大气中传播不受大气的影响D.能利用激光测量地面到月球表面的距离，是因为激光通过地球大气不会发生折射【答案】AB【解析】A、激光用来控制核聚变，是因为它的方向性好，光源的能量就集中在很小一点上,可以在空间某个小区域内产生极高的温度，故A正确.B、由于激光是相干光，所以它能像无线电波那样被调制、用来传递信息，故B正确.C、用激光拦截导弹，摧毁卫星，是因为激光方向性好能量高，故C错误.D、能利用激光测量地面到月球表面的距离，是因为激光平行度好，方向性好.故D错误.故选：AB4••某激光器能发射波长为久的激光，发射功率为P,c表示光速，仇为普朗克常量•则激光器每秒发射的光子数为D.XPhcC.空h【答案】A【解析】本题考查光子论及能量守恒.由P・1=M—得—ahe故正确选项为A.5・（2010年高考江苏物理卷）激光具有相干性好、平行度好、亮度高等特点，在科学技术和 日常生活中应用广泛.下面关于激光的叙述正确的是（） A.激光是纵波B.频率相同的激光在不同介质中的波长相同C.两束频率不同的激光能产生干涉现象D.利用激光平行度好的特点可以测量月球到地球的距离【答案】D【解析】电磁波是横波，A项错；光在不同介质中传播速度不同，波长也不同，B项错；相干光的条件是频率相同，C项错，D项正确.思路分析：激光是电磁波，电磁波都是横波；频率决定能量，频率大能量大。利用激光的特点解题6.如图所示是计算机光驱的工作原理：R1是光敏电阻(有激光照射时电阻较小，无激光照射时电阻较大)，R2是定值电阻，信号处理系统可以根据R2两端的电压变化把光信号变成电信号。用激光头发射脉冲激光信号扫描光盘，从光盘上反射回来的激光信号照到光敏电阻R1上.下列分析正确的是A.有激光照射光敏电阻时,B.有激光照射光敏电阻时,C.有激光照射光敏电阻时,D.有激光照射光敏电阻时,【答案】A信号处理系统两端获得电压较高信号处理系统两端获得电压较低R1消耗的电功率一定较大R1消耗的电功率一定较小【解析】有激光照射光敏电阻时，电阻减小，电流增大，卩=/尺，所以信号处理系统两端获得电压较高，故A正确B错误若忌+厂〉尽,则有激光照射光敏电阻时,R1消耗的电功率一定较小，若R2+r(R{,则有激光照射光敏电阻吋，R1消耗的电功率一定较大，故CD错误故选A,7.某激光光源，光的发光频率为P,发射激光的波长为Xo当激光照射到折射率为n的均匀介质时，由于反射，入射能量减少了10%o若介质中的激光光束的直径是d,已知激光在真空中传播速度为c,则在介质中单位时间内通过与光速传播方向垂直横截面积的光子个数为0.9/U3.6/U3.6/U0.9"A.Tid^hc【答案】CB.7rd2hcC.heD.he【解析】本体考查光子的能量，以及入射光的强度cn()op2由能量关系得光子个数0.9Pt=Wh二单位时间光子数丄=匕4Zthe8・(2010•江苏物理・12(B))(1)激光具有相干性好，平行度好、亮度高等特点，在科学技术和日常生活中应用广泛。下面关于激光的叙述正确的是 （A）激光是纵波（B）频率相同的激光在不同介质中的波长相同（C）两束频率不同的激光能产生干涉现象（D）利用激光平行度好的特点可以测量月球到地球的距离（2）如图甲所示，在杨氏双缝干涉实验中，激光的波长为5.30X10-7m,屏上P点距双缝八和耳的路程差为7.95X•则在这里出现的应是（选填“明条纹”或“暗条纹”）。现改用波长为6.30X10—7血的激光进行上述实验，保持其他条件不变，则屏上的条纹间距将（选填“变宽”、“变窄”、或“不变”。（3）如图乙所示，一束激光从O点由空气射入厚度均匀的介质，经下表面反射后，从上面的A点射出。已知入射角为i,A与O相距1,介质的折射率为n,试求介质的厚度d.【答案】I2-2*（1）D（2）暗条纹；变宽（3）d=n-Sin1I2sinz【解析】（3）设折射角为r,折射定律沁=卅，儿何关系/=2t/tanrsinr-sin2i2sinz9.一水平放置的圆盘绕竖直固定轴转动，在圆盘上沿半径开有一条宽度为2mm的均匀狭缝。将激光器与传感器上下对准，使二者间连线与转轴平行，分别置于圆盘的上下两侧，且可以同步地沿圆盘半径方向匀速移动，激光器连续向下发射激光束。在圆盘转动过程中,当狭缝经过激光器与传感器之间时，传感器接收到一个激光信号，并将其输入计算机，经 处理后画出相应图线。图（«）为该装置示意图，图（方）为所接收的光信号随时间变化的图线，横坐标表示时间，纵坐标表示接收到的激光信号强度，图中△r,=1.0x10-%,A/2=0.8x10"3So（1）利用图（〃）中的数据求Is时圆盘转动的角速度;（2）说明激光器和传感器沿半径移动的方向；（3）求图（方）中第三个激光信号的宽度厶右。0.21-01.8Ms)图9)【答案】角速度"知黯说—ad/s1.0x10"3x0.8x103_2x1.0x103-0.8x10-3s«0.67xl03s【解析】本题涉及了两个物体（圆盘以及激光器和传感器组成的整体）的两种不同的运动（圆周运动、匀速直线运动），会让考生看上去眼花燎乱。但仔细分析后，对两个物体的运动分别处理，问题会迎刃而解。同时注意两个物体运动间的关系，就会分析出激光器和传感器运动的方向。（1）由图线读得，转盘的转动周期T=0.8s①角速度3=—=2空nid/s=7.85rad/s②T0.8（2）激光器和探测器沿半径由中心向边缘移动（理由为：由于脉冲宽度在逐渐变窄，表明光信号能通过狭缝的吋间逐渐减少，即圆盘上对应探测器所在位置的线速度逐渐增加，因此激光器和探测器沿半径由中心向边缘移动）。（3）设狭缝宽度为d,探测器接收到第，个脉冲时距转轴的距离为/；•,第，个脉冲的宽度为虫，激光器和探测器沿半径的运动速度为Vor3-r2=r2-rx=vT rti④、⑤、⑥式解得:△/|&22Af|—△匚1.0xlQ-3x0.8xlQ-32x1.0x10_3-0.8x10-3s«0.67x10~3s10・如图所示，一台激光器，它的功率为P,如果它发射出的单色光在空气中的波长为k(1)它在时间t内辐射的光能为,如果已知这束单色光在某介质中的传播速度为V,那么这束单色光从该介质射向真空发生全反射的临界角为・(2)由于激光是亮度高、平行度好、单色性好的相干光，所以光导纤维中用激光作为信息高速传输的载体如图所示.要使射到粗细均匀的圆形光导纤维一个端面上的激光束都能从另一个端面射出，而不会从侧壁“泄漏”出来，光导纤维所用材料的折射率至少应为多大？【答案】(1)Ptarcsin—⑵近c【解析】(1)激光器I时间内发出的光能W=Plc1v由n=—,sinC=—,贝0C=arcsin—.vnc(2)设激光束在光导纤维端面的入射角为i,折射角为r,折射光线射向侧面时的入射角为讥折射角为N如图所示. 由折射泄律:sinin=sinr由儿何关系：r+i"=90°,sinr=cosi由全反射临界角的公式:要保证从端面射入的任何光线都能发生全反射，应有i=rf=90°,sini=l•故n=sinisinrsinicosi1解得故光导纤维的折射率至少应为血.11・（7分）某激光源的发光功率为P,发射的激光在空气中波长为入，波速为c。当该激光照射到折射率为n的介质中时，由于介质表面的反射，其能量减少了10%,在介质中该激光束的直径为do（1）在介质中激光光子的能量多大？（普朗克常量为方）（2）在介质中单位时间内通过与激光束垂直的截面上单位面积的光子数为多少？(2)=3.6P兄7id2hc【解析】⑴空气中光子频率八八I分）由于光从空气射向介质时，频率不变所以在介质屮光子的能量s=hv=h^（2分）AWPI（2）吋间t内光源发射的总光子数N丄（1分）£hvNP单位时间内光源发射的总光子数n=—=—（1分）thv所以单位时I"可内通过与激光束垂直的截面上单位面积的光子数0.9〃0.9—hv（2分）