彩 虹
彩虹是大气中一种光学现象,当阳光照射到半空中的水珠时,光线被折射和反射,在天空形成弧形彩带。
研究光线经过水珠的传播规律,可揭示彩虹形成的原因,如图甲所示,光线从点C进入半径为R的水珠,经点D反射,再从点E射出,AB是通过水珠球心O且与入射太阳光平行的直线,用x表示进入水珠的光线距AB的距离,α表示射出光线与AB的夹角,画出过入射点和球心O的直线(即该入射点的法线),进一步研究可以得出α与x的关系如图乙所示,入射的太阳光分布是均匀的,但射出的光线分布是不均匀的,在α最大时强度最大,能被地面上的人观察到。
牛顿发现,太阳光通过三棱镜后被分解成七种单色光。当太阳光进入水珠时,也产生类似效果。从同一点进入水珠的不同色光在水珠中沿不同路径传播,致使不同色光的α的最大值略有不同。
由于不同色光的α最大值略有不同,对某一水珠来讲只能有一种颜色的光被地面上的人看到,进入人眼的不同颜色的光来自内外不同弧线的水珠,所以人眼看到的彩虹由外圈至内圈呈红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色。
(1)在图甲中,如果连接OD,则∠CDO
(2)根据图乙可知,x从0增加到R的过程中,α的变化情况是
A.增大 B.先增大后减小
C.减小 D.先减小后增大
(3)如图甲所示,光线从空气进入水珠的折射角随x增大而
(4)图乙给出的是红光的α-x图像,其α最大值是42°,则紫光的α最大值
(5)图丙中画出了红光通过小水珠时α最大值的光路。请在图丁中画出红光通过大水珠(虚线圈)时α最大值的光路
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光纤的奥秘
光纤电缆是本世纪最重要的发明之一、光纤电缆利用玻璃清澈、透明的性质,使用光来传送信号光可以从弯曲的玻璃光纤的一端传到另一端,而不会“溜”出玻璃纤维,这是为什么呢?如图甲所示,以某种玻璃为例,让一束光沿半圆形玻璃砖的半径射到平面上,可以看到一部分光线从玻璃砖的平面上折射到空气中,此时折射角___________入射角;另一部分光线反射入玻璃砖内;逐渐增大光的入射角,将看到折射光线离法线越来越远,且越来越弱,反射光线越来越强。当入射角增大到,使折射角达到时,折射光线就消失了,只剩下反射光线,如图丙所示,这种现象叫做全反射。折射角等于时的入射角称为临界角。并非光线在任何界面都会发生全反射现象,这种现象只有在光从一种介质射向另一介质折射角大于入射角时才能发生。
光纤通信就是利用光的全反射原理,光导纤维在结构上有内芯和包层两种不同的透明介质,光从内芯传播时遇到光纤包层处,会发生全反射现象,从而保证光线不会泄露到光纤外,这样光就只能在玻璃中传播,而不会“溜”出玻璃光纤,如图丁所示。(1)光从玻璃斜射向空气时,折射角
(2)根据题意光从玻璃斜射向空气时的临界角为
(3)光从空气进入玻璃时,增大入射角
(4)如图戊所示,三棱镜由玻璃制成,让一束光垂直于玻璃三棱镜的一个面垂直射入,请在图戊中完成这束入射光经过玻璃的全部光路图
超级镜子发电站
我国用熔盐和1.2万块链子,建成亚洲第一发电站——甘肃敦煌100 MW 熔盐塔式太阳能光热电站,如图甲所示。该发电站的工作原理如图乙所示,通过电脑控制镜子的反射方向,持续地将太阳光聚集在塔顶的吸热器上,加热其中的熔盐,使其温度升高,高温熔盐向下流入温度为565℃的高温熔盐罐,热泵将它打入蒸汽发生器,与其中的冷水进行热交换,产生高温高压的水蒸气,水蒸气推动汽轮机带动发电机发电。经过蒸汽发生器后的熔盐,降温回到低温培盐罐,从而循环下去。该发电站的两个熔盐罐中共存储名万吨熔盐(熔点为210℃),白天高温熔盐罐把能量储存起来,夜晚再把罐中的高温熔盐释放出来发电,可以实现24小时稳定电力输出。(1)完成下列太阳能发电的主要能量转化流程图(2)图丙为定日镜将太阳光反射到吸热器上的示意图。现有一束太阳光沿图中的AO方向照射到定日镜M 上,反射光沿OB方向射到吸热器上一段时间后,这束太阳光在纸面内沿逆时针方向转过20°后照射到定日镜M 上的O 点,为了仍能将光反射到吸热器上,定日镜M 应该沿
(3)假设该光热发电站以额定发电功率100 MW 进行远距离输电,若某输电线的电阻值为400Ω,为了使输电线每秒产生的热量降低到108J 以下,输电线上最大的电流是
(4)这个发电站某年四个季度发电总量如图丁所示,这一年的发电总量相当于完全燃烧
神奇的激光
激光是20世纪的重大发明,被称为“最快的刀”“最准的尺”和“最奇异的光”。激光是一种颜色单纯的光,激光器发出的光通过三棱镜后不会被分成不同颜色的光。激光具有超强的能量密度,可以在直径几百纳米的范围内产生几百万摄氏度的高温。工业上,激光刀可切割坚硬和柔软的材料,对切割部位进行局部照射,几秒便能切割好。激光刀还是外科医生的好帮手,用它做手术不仅没有丝毫机械撞击,而且又快又精准,大大减轻了病人的痛苦,如用激光做切割手术等。
激光的单色性好、方向性强、测距的精度高,使得测量人造卫星、月球等远目标的距离变成了现实。宇航员在月球上安放激光反射器,地面使用激光器从地球向月球发射一个激光脉冲信号,月球上的反射器能够将激光脉冲原路返回。
激光还被电影作为素材使用,在科幻电影《星球大战》中,天行者使用的激光剑能释放出一道长约1m的纯能量束,激烈的战斗在悄无声息中进行。
(1)激光是不是复合的白光? 你判断的理由是什么?
(2)激光刀在切割坚硬或柔软的材料时,对切割部位进行局部照射,几秒便能切割好,是因为激光具有什么特点?
(3)如果你是《星球大战》中的一员,当激光剑“刺”向你时,可以利用生活中常见的什么工具将射来的激光“挡”回去?你这样做的道理是什么?
彩虹的秘密
雨过天晴,一条彩虹挂在天空,它的美丽和神奇曾引起了人们无限的遐想。是谁在天空架起了这样色彩缤纷的桥梁?在中国神话中,女娲炼五色石补天,彩虹即五色石发出的彩光;在希腊神话中,彩虹是沟通天上与人间的使者。而实际情况,彩虹是阳光照射在水滴上形成的。
在阳光对水滴的照射下,各种入射角都有,因此光线可以向任何的方向散射。虽然要找出形成影虹的各道光线并不难,但是还有其他的无数条的光线跑到哪里去了呢?为什么散射出的光线强度,只有在彩虹附近才能看见呢?
为了更好的理解这个问题,我们以一个水滴为例来分析。当红单色光以入射角(入射后,经折射—反射—折射,最后射出水滴光线的传播方向由偏向角E决定,图1画出了彼此平行的10条光线经过某一水滴后的出射情况。计算结果表明,当以入射角的入射角射入水滴的光线(该光线也称为成红光线),其附近的其他光线从水滴射出时都接近成虹光线的偏向角(如图2)。可见,大多数出射光线密集在成虹光线的出射光线的方向,正是由于光线密集,人们才可以看到彩虹现象。且此时最终的折射光线和入射光线的夹角,这个角度被称为红光的“彩虹角”。我们所看到的彩虹中红色部分均来自这一角度附近。
另外,由于水滴对不同色光的折射效果不同,从而各色光的彩虹角略有不同,如对紫光,可计算其彩虹角为40.60°,彩虹中不同的颜色来自不同的水滴(如图2),且主虹的色彩为红光在最上面,紫光在最下面。
有趣的是,彩虹出现在半空中的位置不是特定的,它会随着观察者的位置而改变。虽然每一个人看到的彩虹的仰角相同,但他们看到的不是同一条彩虹,因为他们所看到的彩虹的光线来自不同的位置,不同的水滴,可以说每个人看到的是专属于自己的彩虹。
当以人的眼睛为顶点,把所有与平行入射光线成42.52°的彩虹角的光束连接起来,就形成一个圆锥体,圆锥底面的圆弧就是彩虹。而实际上,我们在地平面上看到的彩虹是半圆环形的,那是因为它们下半部分被地面遮住了(如图3)。只有在晴朗的天气,站在高山顶上或飞机舱中,才可能看到彩虹的全貌,即完整的七彩圆环。
请根据上述材料,回答下列问题:
(1)红光的彩虹角
(2)如果小东同学看到的彩虹出现在东边,那么,他最有可能看到该彩虹的时间是
A.上午7:00 B.中午12:00 C.下午5:00
(3)相比于冬季,彩虹更容易出现在夏季,请结合文中的内容,做出合理的解释
美丽的虹和霓
太阳发出的光经三棱镜折射后,可以形成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等色光组成的光带,这是光的色散现象,如图1甲所示。这一色散现象说明太阳发出的白光是由不同色光组成的。自然界大部分彩色的光都可以通过红、绿、蓝三种颜色的光按不同比例混合而成,所以这三种色光又被称为光的“三原色”。
自然界中的虹与霓是太阳光发出的白光射入空中的小水珠,经折射和反射后又自水珠射出发生的色散现象,地面上的人看到的出射光呈红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等色光依次排列的圆弧形彩色光带,如图1乙所示。虹和霓出现在和太阳相对的方向上,它们常常同时出现,但霓的亮度比虹要暗淡一些。
如图2甲是入射光通过小水珠发生折射和反射的光路图。虹是太阳光由大量小水珠的上部射入,经折射—反射—折射后,从小水珠下部射出时产生的,由于紫光的偏折更显著,所以逆着光的传播方向看去,太阳光通大量小水珠的折射—反射—折射后,形成彩色光带的内圈为紫色、外圈为红色。霓是太阳光由大量小水珠的下部射入,折射—反射—反射—折射后,从小水珠射出时产生的,由于紫光的偏折更著,所以逆着光的传播方向看去,太阳光通过大量小水朱的折射—反射—反射—折射后,形成彩色光带的内圈为红色、外圈为紫色。根据上述材料,回答下列问题:
(1)雨后天空出现彩虹,这表明太阳光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等不同色光组成的,其中红、绿、
(2)图2甲中,∠1和∠2两个角的关系是:∠2
(3)图2乙、丙两图中,图
天空的颜色
1900年,英国物理学家瑞利发现,当入射光照射到尺寸小于入射光波长十分之一的分子上时,入射光将被“打散”,并从分子四周射出,如图甲如示。该现象被称之为光的瑞利散射。
研究发现,在大气层,太阳光中的蓝紫光比红光瑞利散射更明显。晴天,在大气分子的强烈散射下,大量蓝、紫色光被散射至天空,天空才呈现蔚蓝色(人眼对紫光不敏感)。而比蓝光波长更长的其他色光不易被散射,可以继续向地面传播。
当日落或日出时,太阳几乎在我们视线的正前方,此时太阳光在大气中要传播更长的路程,阳光中的蓝光大量被散射,剩下的光主要是红橙色光,云也因为反射这些红橙色光而呈现红色,这就是为什么日落时太阳附近呈现红色,但此时天空仍然是蓝色的。云朵反射太阳光并非瑞利散射。
科学家发现,光线散射程度随分子直径d和入射光波长λ变化的曲线如图乙所示,瑞利散射只符合散射程度随变量减小之前的特征。(1)红光的波长
(2)以下色光,最能穿透大气层的是
A.红光 B.绿光 C.蓝光 D.紫光
(3)天空的颜色与海拔高度关系正确的是
(5)根据短文内容,以下说法正确的是
A.色光的瑞利散射规律等同于光的反射规律
B.月球上没有大气层,天空在白天是黑色的
C.白云看起来是白色,是因为光的瑞利散射
D.高原地区的人们受到紫外线的照射强度弱