4.4 光导纤维及其应用课件（38张PPT）

(共38张PPT)
第4节　光导纤维及其应用　　　　　
一、光导纤维的工作原理
1.光纤的构造:把石英玻璃拉成直径几微米到几十微米的细丝,然后再包上折射
率比它___(选填“大”或“小”)的材料,即制成了光导纤维,简称光纤。
2.光导纤维的工作原理:内芯的折射率比外层的大,光传播时在内芯与外层的界
面上发生_______。
小
全反射
二、光纤通信
【思考】
采用光纤通信的优点有哪些
提示:光导纤维具有质地轻、弯曲自如、传光效率高、抗机械振动、耐腐蚀性好、能量损耗小、抗干扰能力强、保密性好等优点,光纤通信还有一个最大优点就是通信容量极大。
1._________是光导纤维的一个重要应用。
2.光纤通信中,先将传送的信息(如声信号)转换为光信号,用光纤传输光信号到
接收端,接收端再将光信号还原为原信息。
3.作用:_______是信息社会的重要基石, _____________是信息社会的重要标志。
4.应用:
(1)利用光缆构成的电视网,能同时上传上千套电视信号,使人们可选择收看各
种各样的电视节目。
(2)许多光纤通信设备已在舰艇、飞机上安装使用。
光纤通信
光纤网
“光纤到户”
(3)将光缆引入家庭,可将电视、电话、计算机和传真机结合在一起,发挥更大
的作用,光缆大大增加了声音、图像和数据量的传输。
(4)其他作用:光纤作为一种性能优良的光学元件,不但在_________和_________
_____领域发挥着重要的作用,而且在多种光学仪器和电子器件制造方面得到了
广泛的应用,如医用___________。
光纤通信
图像信息
处理
光纤内窥镜
关键能力·素养形成
一　光导纤维的工作原理
1.光导纤维构造:光导纤维一般由折射率较大的玻璃内芯和折射率较小的外层透明介质组成,如图所示。
实际用的光导纤维是非常细的特制玻璃丝,直径在几微米到一百微米之间,外层包上折射率比它小的材料,再把若干根光纤集成一束,制成光缆,进一步提高了光纤的强度。
2.光导纤维的原理:全反射是光导纤维的基本工作原理。光在光纤内传播时,由光密介质入射到光疏介质,若入射角i≥C(临界角),光就会在光纤内不断发生全反射。
【思考·讨论】
微细的光纤封装在塑料护套中,使得它能够弯曲而不至于断裂,光纤为什么要由两层介质构成 (物理观念)
提示:光纤的工作原理是全反射,要由两种介质配合才能产生全反射现象。
【典例示范】
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高速传输信息的载体。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少 (假设光纤外套折射率与空气相同)
【解题探究】
(1)发生全反射的条件是什么
提示:①光从光密介质射入光疏介质;②入射角大于等于临界角。
(2)光导纤维由什么组成
提示:光导纤维一般由折射率较大的玻璃内芯和折射率较小的外层透明介质组成。
【解析】设激光束在光导纤维前端的入射角为θ1,折射角为θ2,
折射光线射向侧面时的入射角为θ3,如图所示。
折射定律n=
由几何关系θ2+θ3=90°得sinθ2=cosθ3
由全反射临界角公式sinθ3=
得cosθ3=
要保证从端面射入的任何光线都能发生全反射,应有θ1=90°,sinθ1=1
故n= 解得n=
答案:
【规律方法】光导纤维问题的求解思路
(1)画出光线的传播光路图;
(2)根据几何关系求出入射角和折射角;
(3)根据折射率的定义计算介质的折射率;
(4)分析发生全反射的条件。
【素养训练】
1966年33岁的华裔科学家高锟首先提出光导纤维传
输大量信息的理论,43年后高锟因此获得2009年诺贝
尔物理学奖。如图所示,一长为L的直光导纤维,外套的折射率为n1,内芯的折射
率为n2,一束单色光从图中O1点进入内芯,斜射到内芯与外套的介质分界面,在
M点上恰好发生全反射,O1O2为内芯的中轴线,真空中的光速为c。求:
(1)该单色光在内芯与外套的介质分界面上发生全反射时临界角C的正弦值;
(2)该单色光在光导纤维中的传播时间。
【解析】(1)由光的折射定律,
得:n21=
当θ1=90°时,sinC= ;
(2)根据几何关系,则有:x=
因传播速度v= ;
而传播时间t= ;
联立上式,可解得:t= 。
答案:(1) 　(2)
二　光导纤维的应用
光导纤维的应用:光纤通信是光导纤维的一个重要应用。载有声音、图像以及各种数字信号的激光从光纤一端输入,就可以传到千里之外的另一端,实现光纤通信。
【思考·讨论】
光纤通信是光纤应用的一个重要方面,已取得了重大的成就。那么光纤在应用方面有哪些优点 (科学思维)
提示:(1)光纤能耗低;
(2)光纤是电介质,绝缘性好,不担心被雷击,并能抗电磁干扰,可在有较强电磁干扰的环境中使用;
(3)光纤体积小,质量小,易弯曲,可组成各种光缆,便于敷设和维护。
【典例示范】
光纤主要由折射率较大的纤芯与折射率较小的外套组成。在光纤中传输的信号
是脉冲光信号。当一个光脉冲从光纤中输入,经过一段长度的光纤传输之后,其
输出端的光脉冲会变宽,这种情况较严重(脉冲变宽到一定程度)时会导致信号
不能被正确传输。引起这一差别的主要原因之一是光通过光纤纤芯时路径长短
的不同(如图),沿光纤轴线传输的光纤用时最短,在两种介质界面多次全反射的
光线用时最长。为简化起见,我们研究一根长直光纤,设其内芯折射率为n1，外
套折射率为n2①。在入射端,光脉冲宽度(即光持续时间)为Δt,在接收端光
脉冲宽度(即光持续时间)为Δt′,Δt′>Δt (　　)
A.为了保证光脉冲不从外套“漏”出② ,内芯和外套材料折射率的关系应满足:n1B.内芯材料的折射率n1越大③ ,光脉冲将越不容易从外套“漏”出
C.为了尽可能减小Δt′和Δt的差值,应该选用波长更短的光
D.为了尽可能减小Δt′和Δt的差值,应该减小光纤的直径
【审题关键】
序号 信息提取
① n1>n2
② 光发生全反射
③ 折射率越大,临界角越小,越容易发生全反射
【解析】选B。发生全反射的必要条件是:光必须从光密介质射入光疏介质,即
从折射率大的介质射入折射率小的介质,所以当内芯的折射率比外套的大时,
光在内芯与外套的界面上才能发生全反射,故n1>n2,A错误;根据sinC= ,
可知内芯材料的折射率n1越大,全反射的临界角C越小,越容易发生全反射,
则光脉冲将越不容易从外套“漏”出,B正确;设光纤的长度为L,则光通过光纤
轴线传输用时最短,光在光纤中的速度v= ,则最短时间有t1= ;
设光从左端面的A点以θ1入射,折射角为θ2,在B点全反射时的入射角和反射角
为θ3,如图所示:如果θ3就是光在光导纤维全反射的临界角C,则光在介质中的
传播时间为最长,sinθ3=sinC= ,所以光通过光导纤维所用的最长时间
为:t2= ,故Δt′=t2-t1= ,所以
选用波长更短的光时,频率越大,折射率越大,Δt′越大,而Δt′的表达式与
光纤的直径无关,C、D错误。
【素养训练】
1.(多选)下列关于光导纤维的说法正确的是 (　　)
A.光导纤维利用了全反射原理
B.光导纤维内芯的折射率大于外套的折射率
C.光导纤维内芯的折射率小于外套的折射率
D.医学上用光导纤维制成内窥镜,用来检查人体胃、肠等脏器的内部
【解析】选A、B、D。光导纤维利用了全反射原理,选项A正确;光导纤维内芯的折射率大于外套的折射率,当光线从内芯射入外套时会发生全反射,选项B正确,C错误; 医学上用光导纤维制成内窥镜,用来检查人体胃、肠等脏器的内部,选项D正确。故选A、B、D。
2.(多选)光纤是现代通信普遍使用的信息传递媒介,现有一根圆柱形光纤,光信号从光纤一端的中心进入,并且沿任意方向进入的光信号都能传递到另一端。下列说法正确的有 (　　)
A.光从空气进入光纤时传播速度变小
B.光导纤维利用了光的全反射原理
C.光纤材料的折射率可能为
D.光纤材料的折射率可能为1.2
【解析】选A、B、C。根据v= 可知,光从空气进入光纤时传播速度变小,故
A正确;光导纤维是一种非常细的特制玻璃丝,当光射入时满足光的全反射条件,
从而发生全反射,最终实现传递信息的目的,故B正确;由图可知,光的入射角为i,
折射角为r,根据折射定律得:n= ,当i趋于90°时,r最大,此时光在侧面的入
射角最小,只要能保证此时光在侧面恰好发生全反射,就能保证所有入射光都能
发生全反射。即:sin(90°-r)= ,联立以上两式,并注意到i=90°,可解得:
n= ,故C正确,D错误。故选A、B、C。
【补偿训练】
1966年华裔科学家高锟博士提出一个理论:
直径仅几微米的玻璃纤维就可以用来作为光
的波导来传输大量信息,43年后高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖,他被誉为
“光纤通讯之父”。光导纤维的结构如图所示,其内芯和外套材料不同,光在内
芯中传播。内芯的折射率________外套的折射率(选填“大于”“等于”或
“小于”),光在光导纤维中传输是利用了光的________现象。
【解析】由于光在内芯中传播,故内芯的折射率一定大于外套的折射率,这样光在由内芯射到外套时才能发生全反射;光在光导纤维中传输是利用了光的全反射现象。
答案:大于　全反射
【拓展例题】考查内容:光在介质中传播的极值问题
【典例】横截面为矩形的玻璃棒被弯成如图所示的形状,一束平行光垂直地射
入水平表面A上,要使通过表面A射入的光全部从表面B射出,比值 最小是多
少 (玻璃的折射率n=1.5)
【解析】在如图所示的光路中,从玻璃棒的A端面入射的光线,可分为左、中、
右,其中最右边的一条光线,最难发生全反射,
设其入射角为∠1,只有当∠1≥arcsin 时,
才发生全反射,根据几何关系知sin∠1= 。
依题意有 ≥ 。
将n=1.5代入上式,解得 ≥2。
答案:2
【课堂回眸】
课堂检测·素养达标
1.如果把光导纤维聚成束,使纤维在两端排列的相对位置一样,图像就可以从一端传到另一端,如图所示。在医学上,光导纤维可以制成内窥镜,用来检查人体胃、肠、气管等器官的内部。内窥镜有两组光导纤维,一组用来把光输送到人体内部,另一组用来进行观察。光在光导纤维中的传输利用了 (　　)
A.光的全反射　　　　　　
B.光的衍射
C.光的干涉
D.光的折射
【解析】选A。光在光导纤维中传播时,其入射角大于或等于临界角,光线只能在光导纤维中传播,折射不出去,是利用了光的全反射,A正确。
2.关于光纤的说法,正确的是 (　　)
A.光纤是由高级金属制成的,所以它比普通电线容量大
B.光纤是非常细的特制玻璃丝,它的导电性能特别好
C.光纤是非常细的特制玻璃丝,由内芯和外套两层组成,光纤是利用全反射原理来实现光的传导的
D.在实际应用中,光纤必须呈笔直状态,因为弯曲的光纤是不能传导光的
【解析】选C。光纤通信利用了华裔科学家高锟博士提出的一个理论,光导纤维是一种非常细的特制玻璃丝,光射入时满足光的全反射条件,从而发生全反射。最终实现传递信息的目的,故C正确,A、B错误;广泛应用的光导纤维的外套折射率比内芯折射率要小,是一种非常细的特制玻璃丝,可处于任意形状,故D错误。故选C。
3.如图所示是两个城市间的光缆中的一条光导纤维的一段,光缆总长为L,它的
玻璃芯的折射率为n1,外层材料的折射率为n2。若光在空气中的传播速度近似为
c,则对于光由它的一端射入经多次全反射后从另一端射出的过程,下列判断中
正确的是 (　　)
A.n1B.n1C.n1>n2,光通过光缆的时间等于
D.n1>n2,光通过光缆的时间大于
【解析】选D。光从光密介质射入光疏介质,才可能发生全反射,故n1>n2;
光在内芯传播的路程s= ,光在内芯的传播速度v= ,所以t= ,
故D正确。
4.光导纤维是利用光传播时在其内芯与外套的界面发生全反射来传输光信号的。如图所示,一根长为L的直光导纤维,它的折射率为n,一束激光从它的左侧端面射入,又从它的右侧端面射出,调整激光束的入射方向,可测得激光束在直光导纤维中经历的最短时间为t1,最长时间为t2,求t1与t2之比。
【解析】激光束垂直左侧端面射入时,激光束在直光导纤维中经历的时间最短,
由t1= 及n= ,解得t1= 。
要使激光束在直光导纤维内经历的时间最长,就要求激光束在直光导纤维内的
路程最长,这就要求每一次反射时,入射角θ最小,即入射角θ恰为临界角C。当
θ=C时,激光束的路程最长,所用时间也最长,此时激光束在沿直光导纤维方向
的速度分量为vsinθ,设光速为c,由L=(vsinC)t2及n= 、sinC= ,解得
t2= ,故 。
答案: