2021年12月9日下午,中国空间站直播天空授课圆满完成。天宫课堂上,航天员王亚平在翟志刚、叶光富的协助下,做了四个和水有关的实验,活泼可爱,妙趣横生,让观众感觉太空真奇妙。其中的“水球光学”的实验,更是吸引了同学们的眼光。在实验过程中,王亚平往水膜里注水,水膜“鼓”起来如同一个水球。给水球中注入空气,空气在水球中形成一个气泡。透过水球和气泡就得到一个正立的王亚平和倒立的王亚平同时出现的奇观,让大家领略到了科学的魅力。
为什么会出现这种“双重人像”的现象呢?小明查阅了相关资料。
水球在失重环境下由于表面张力的作用保持形态,并且由于其折射率和空气不同,从而使得光线在穿过时产生折射,形成汇聚效果,这就形成了一个凸透镜。物体在穿过这个透镜后看来就呈现倒立的像,所以我们可以看到,王亚平和叶光富之间的那个水球,会让眼中的彼此呈现一正一反的视觉效果。
其实,我们可以在地面上用透明的水瓶装满水模拟这个实验:在一定距离外,透过水瓶所看到的世界是左右颠倒的。
在水球中注入空气球形成“双重人像”的实验有很高的操作难度。由于失重,空气球不会因为受到浮力而移动。在注入空气球后,由于空气球的半径更小,水球的半径更大。若透过水球中的空气球观察物体,空气球前后的水相当于形成了两片凹透镜,使得光线穿过时发散,从而可以观察到正立、缩小的物体。在一定距离外,透过近视眼镜片也可以观察到类似的现象。
请完成下面的问题:
(1)实验中成的倒立的航天员的像,是利用物体在凸透镜
(2)往水球注入空气后,和水球共同构成了两片
(3)航天员在太空实验室所做的“双重人像”实验,是利用光的
相似题推荐
光的全反射
如图1所示,一束激光从某种玻璃中射向空气(如图所示),保持入射点不动,改变入射角(每次增加0.2°),当入射角增大到41.8°时,折射光线消失,只存在入射光线与反射光线,这种现象叫做光的全反射,发生这种现象时的入射角叫做这种物质的临界角。当入射角大于或等于临界角时,只发生反射,不发生折射。
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海面上出现的海市蜃楼奇景如图2所示,就是因为光的在空气层中多次折射和全反射而形成的自然景观.在夏季,白昼海水温度比较低,所以在海面上方的空气出现下冷上暖的现象.由于空气的热胀冷缩,因此空气层下密上疏.景物的光线先由密的空气层逐渐折射进入稀的空气层,并在上层发生了全反射,光线又折回到下层密的气层中来,经过这样弯曲的线路,最后投入人的眼中.由于人的视觉总是感到物像是来自直线方向的,因此看到的“景物”比实物抬高了许多.
人们利用光的全反射的现象制成了光缆,用于通信等方面.光在均匀透明的玻璃棒中传播,即可在弯曲的玻璃棒的光滑内壁上,借助于接连不断地全反射,可以将光从一端传导到另一端,即使棒的截面直径很小,甚至到微米数量级,传导的效果也不变,这种导光的细玻璃丝称为光导纤维如图3所示.
光导纤维束已成为一种新的光学基本元件,在光通信、光学窥视及光学特殊照明等方面有重要的应用.荣获诺贝尔物理学奖的华裔科学家高锟在此方面贡献突出,被世界誉为“光纤通讯之父”.
请根据上述材料,回答下列问题:
(1)光导纤维是利用
(2)海市蜃楼情景中,人眼看到的空中的“景物”是
(3)当光从空气射向玻璃,
(4)一个三棱镜由上述玻璃构成,让一束光垂直于玻璃三棱镜的一个面射入(如图所示),请在图中完成这束入射光穿过三棱镜的光路图。
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光纤的奥秘
光导纤维简称光纤,作为信息高速公路的核心,是本世纪最重要的发明之一、光纤利用玻璃清澈、透明的性质,使用来传送信号的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?先介绍一个与折射密切相关的概念——介质的折射率。它是指光在真空中的传播速度与光在该介质中的传播速度之比。空气的折射率可近似看作1,水的折射率为1.33,玻璃的折射率为1.5~1.8。介质的折射率越高,使入射光发生折射的能力越强。光从折射率较大的介质射向折射率较小的介质时,同时发生折射和反射(图甲);如果入射角逐渐增大,折射光离法线会越来越远,而且越来越弱,反射光却越来越强(图乙);当入射角增大到某一角度,使折射角达到90°时,折射光完全消失(图丙),只剩下反射光,这种现象叫作全反射,这时的入射角叫作临界角。这种现象只有当光从折射率较大的介质射向折射率较小的介质时才能发生。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漏到光纤外,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。
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(1)光在玻璃中的传播速度
(2)若图甲中介质的临界角为45°,则下列关于折射角γ随入射角α变化的图像正确的是
A.
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C.
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(3)下列说法正确的是
A.折射光线消失后,反射光线的亮度比原来暗
B.介质的折射率都大于1
C.光从空气进入水时,增大入射角可能发生全反射
D.光从水进入玻璃时,增大入射角可能发生全反射
(4)光纤的内芯的折射率
(5)一光导纤维全长为L,光在空气和光纤内芯中的传播速度分别为v1、v2,则关于光在光纤中传播的时间t,正确的是
A.t>
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彩 虹
彩虹是大气中一种光学现象.当太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.
半空中的水珠是圆形的,当光线照射到圆形水珠上某点时,连接该点和水珠球心O的直线(图中未画出),就是该入射点的法线.
如图甲所示,光线从点C进入水珠,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.
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,也会产生类似效果,从同一点进入水珠的不同色光在水珠中沿不同路径传播,形成七色彩虹.
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(1)在图甲中,连接OD,则
A.
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C.
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(2)在图甲中,太阳光是在
(3)在图乙中,光线从点C进入水珠,画出折射角,并用γ表示.
(4)在图甲中,光线从空气进入水珠的折射角随x增大而
A.减小 B.增大 C.先增大后减小 D.先减小后增大
(5)如图丙所示,图中画出了从点C射入水珠光线GC的传播情况.在讨论从E点射入水珠的光线FE(FE平行于AB)传播途径时,小明认为此光线将沿原光路(即EDCG路径)返回.你是否同意他的观点,说明你的理由.
答:
理由:
太空授课
2021年12月9日,“太空教师”翟志刚、王亚平、叶光富在中国空间站为广大青少年带来了一场精彩的太空科普课。(1)水膜和水球的形成说明分子间存在相互作用的
(2)通过简化图丁,可知其中正立的像是光经过1、2这两个透镜形成的像,请你判断1、2这两个透镜是哪种透镜?
(3)请你根据浮力产生的原因,分析乒乓球压入水中后,乒乓球所受浮力消失的原因:
(4)航天员和空间站一起做匀速圆周运动,空间站中航天员由于失重而飘了起来(如图丙),此时航天员
【推荐2】天宫课堂
2021年12月9日15点40分,神舟十三号乘组航天员翟志刚、王亚平、叶光富变身“太空教师”在中国空间站精彩开讲,并面向全球直播。这次授课中,三位太空老师带来了5个物理实验,印象最深刻的是“水球透镜”实验。请阅读下面的内容,并完成相关问题:
本次“天宫课堂”,王亚平对实验做了一个小小的升级,通过透镜看到的竟然是一正一反两个像,这是为什么呢?其原理解释是:
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(1)如图甲所示,加气泡之前的水球可以被看作是一个凸透镜。王亚平站在远处(这个凸透镜的两倍焦距以外),我们眼睛看到的是她倒立
(2)中央加气泡之后,水球因此被气泡变为了两部分,中间是空气,气泡周围是水。这个时候整个水球就变成了两个透镜,外圈部分的凸透镜虽然没有原来完整,但对光线仍然有
(3)根据上面的实验,你推测一下,凹透镜的成像特征是什么?并通过在丙图中作出光路图加以证明。
![](https://img.xkw.com/dksih/QBM/editorImg/2022/9/12/54ebaa28-cd82-4ae6-b6c4-c9c05f6479e1.png?resizew=140)
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度的高温,因此,在工业上,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钟便能切割好。激光刀还是外科医生的好帮手,用它做手术没有丝毫机械撞击,而且又快又精准,大大减轻了病人的痛苦,应用于血管瘤、脑部手术等。
激光单色性好、方向性强、测距精度高,使得测量人造卫星、月球等目标的距离变成现实。宇航员在月球上安放激光反射器,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,激光脉冲从发出到接收时间间隔为2.56s。
激光也被作为电影素材,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,战斗时悄无声息。
回答问题:
(1)激光
(2)激光
(3)如果《星球大战》中的激光剑刺向你,理论上,你可以利用
智能手机
小华在智能手机上安装了应用软件后,可以通过手机中的位置定位软件,精确定位手机所在的位置,根据位置的移动进行测速、测距、导航等;手机前后有两个摄像头,后置摄像头内的透镜组,相当于焦距为2.1cm的凸透镜。
(1)下列关于手机的说法中,错误的是
A.上网浏览信息时,手机屏不是光源
B.接打电话时可通过音色辨别出熟人
C.手机屏应用三原色光混合呈现彩色
D.摄像头内的透镜组对光有会聚作用
(2)如图甲是生活中常用的二维码,用手机扫描二维码后可获取所含的信息,扫描时
![](https://img.xkw.com/dksih/QBM/editorImg/2024/3/27/2b5987a0-8c40-4b37-8ea4-ab9c4f1ed29c.png?resizew=103)
(3)如图乙是小华手机中的运动软件记录跑某次全程马拉松的部分信息。说明:图中“配速”是指运动1km所用的时间。如图乙中第2km的配速是05'28'',指运动第2个1km用时5min28s。
Km 配速 1 05'04" 2 05'28" 3 05'06" 4 04'52" 5 05'00" |
图乙
①小华携带手机跑步时,以手机为参照物,小华是
②小华在跑第5个1km的平均速度为
③若小华继续保持以第5km的配速匀速跑完马拉松比赛(全程约42km)的剩余路程,则小华此次跑全程马拉松的平均速度为
无人机作为空中平台,以高分辨率高速摄像机、轻型光学相机、激光扫描仪等设备获取信息,用计算机对图像信息进行处理,并按照一定精度要求制作成图像。无人机航拍影像具有高清晰、高现实性的优点。下表是某小型无人机的部分参数:
参数名称 | 最大飞行半径/km | 最大巡航速 度/(km/h) | 电池电压/V | 电池容量/(mA·h) | 电动机额定功率/W | 拍摄速度 /(帧/秒) |
数据 | 5 | 50 | 24 | 2500 | 20 | 11000 |
![](https://img.xkw.com/dksih/QBM/2023/4/11/3214399301074944/3214449097744384/STEM/ed37d20479784f6394950161f2d74b6b.png?resizew=413)
(1)人们是利用遥控器通过传输信息操控无人机的,其有效操控距离最大为
(2)无人机拍摄地面图像时,减小悬停高度可以使图像
(3)小轿车在高速公路上限速120km/h。如图甲所示,交警部门利用无人机进行高速公路通行情况的实时监测。一辆小轿车在通行0.5m的过程中,高速摄像机拍摄帧数为110帧,据此判断小轿车
(4)如图乙是无人机竖直向上运动的v-t图像。由图像可知,在0~5s内,无人机受到的升力
扫码技术与传感器
扫描二维码很流行,也给我们的生活带来了便利。如图甲,使用时,先用手机将二维码图像扫码后变成电信号,经过一系列的处理后可以传递出去。它的核心技术是图像传感器(即CMOS,中文学名为互补金属氧化物半导体)。它由许多感光单位组成,通常以百万像素为单位。每个感光单位使用一种高感光度的半导体材料制成,它能把光线转换成电流,这种电流被处理芯片记录和解读成影像。工作过程:输入的电信号驱动发光二极管(LED),使之发出一定波长的光,照向被测物,发生反射被光敏三极管接收而产生光电流,再经过芯片处理记录、解码。这就完成了电—光—电的转换。这里利用了光敏三极管在给定的光照度下光敏三极管上的电压与光电流的关系。利用如图丙所示测试电路对某型号光敏三极管进行光电特性测试,得到如图丁所示光电特性图像。
![](https://img.xkw.com/dksih/QBM/2022/4/14/2958034943148032/2958909559906304/STEM/0450a97d-4bb9-46df-a185-8bd69c92cc48.png?resizew=388)
![](https://img.xkw.com/dksih/QBM/2022/4/14/2958034943148032/2958909559906304/STEM/558817d0-cb81-4c94-831d-0f118cfe84dd.png?resizew=166)
请回答下列问题:
(1)手机扫描二维码,相当于给二维码拍了一张照片,手机摄像头相当于
(2)手机发射信息时,通过
(3)如图丙所示电路中,某次光照下测得毫安表读数为2mA,则此时光敏三极管的亮电阻(有光照下的电阻)为