2021-2022学年鲁科版（2019）高中物理选择性必修第一册4.4 光导纤维及其应用 学案

第4节　光导纤维及其应用 学案
学习目标：
掌握光导纤维的工作原理及其重要应用．
基础知识：
一、光导纤维及其应用
(1)构造：光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝，直径只有几微米到一百微米，如图所示，它是由内芯和外套两层组成的，内芯的折射率大于外套的折射率．
(2)传播原理：光由一端进入，在两层的界面上经过多次全反射，从另一端射出，光导纤维可以远距离传播光信号，光信号又可以转换成电信号，进而变为声音、图像．
(3)．光导纤维的折射率：设光导纤维的折射率为n，当入射角为θ1时，进入端面的折射光线传到侧面时恰好发生全反射，如图所示，则有：sin C＝，n＝，C＋θ2＝90°，由以上各式可得：sin θ1＝.
由图可知：当θ1增大时，θ2增大，而从纤维射向空气中光线的入射角θ减小，当θ1＝90°时，若θ＝C，则所有进入纤维中的光线都能发生全反射，即解得n＝，以上是光从纤维射向真空时得到的折射率，由于光导纤维包有外套，外套的折射率比真空的折射率大，因此折射率要比大些．
二、光纤通信
光纤通信中，先将传送的信息转换为光信号，通过光纤将光信号传输到接收端，接收端再将光信号还原为原信息．光纤网是信息社会的重要基石，“光纤到户”是信息社会的重要标志．
光纤通信的优点是容量大、衰减小、抗干扰性强等。
典例1、如图所示是两个城市间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
答案　D解析　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＝，所以光通过光缆的时间t＝＝>，故D正确．
典例2、如图所示，一根长为l＝5.0 m的光导纤维用折射率n＝的材料制成．一束激光由其左端的中心点以45°的入射角射入光导纤维内，经过一系列全反射后从右端射出来，求：
(1)该激光在光导纤维中的速度v是多大．
(2)该激光在光导纤维中传输所经历的时间是多少．
[解析]　(1)由n＝可得v＝2.1×108 m/s.
(2)由n＝可得光线从左端面射入后的折射角为30°，射到侧面时的入射角为60°，大于临界角45°，因此发生全反射．同理光线每次在侧面都将发生全反射，直到光线到达右端面．由几何关系可以求出光线在光导纤维中通过的总路程s＝，因此该激光在光导纤维中传输所经历的时间t＝＝2.7×10－8s.
[答案]　(1)2.1×108 m/s　(2)2.7×10－8s
巩固练习：
1．华裔科学家高锟获得2009年诺贝尔物理奖，他被誉为“光纤通讯之父”．光纤通讯中信号传播的主要载体是光导纤维，它的结构如图所示，其内芯和外套材料不同，光在内芯中传播．下列关于光导纤维的说法中正确的是(　　)
A．内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射
B．内芯的折射率比外套的小，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射
C．波长越短的光在光纤中传播的速度越大
D．频率越大的光在光纤中传播的速度越大
2．光纤通信是一种现代化的通信手段，它可以为客户提供大容量、高速度、高质量的通信服务，为了研究问题方便，我们将光导纤维简化为一根长直玻璃管，如图所示．设此玻璃管长为L，折射率为n.已知从玻璃管左端面射入玻璃内的光线在玻璃管的侧面上恰好能发生全反射，最后从玻璃管的右端面射出．设光在真空中的传播速度为c，则光通过此段玻璃管所需的时间为(　　)
A.　　　 B.
C. D.
3．目前，移动和电信公司都升级了200 M光纤入户，网速更快，使用更方便．光纤信号传输利用了光的全反射和折射原理，如图所示，某种单色光在光纤中经过多次全反射后从右端射出．若该介质的折射率为，则关于α、β的大小，下列判断正确的是(　　)
A．α<60° B．α<30°
C．β>30° D．β<30°
4.如图所示，一根长为l＝5.0 m 的光导纤维用折射率n＝ 的材料制成。一束激光由其左端的中心点以45°的入射角射入光导纤维内，经过一系列全反射后从右端射出，则：
(1)该激光在光导纤维中的速度v是多大？
(2)该激光在光导纤维中传输所经历的时间是多少
参考答案：
1. A　2. A　3. 答案　C
4. 解析　(1)由n＝可得v＝2.1×108 m/s。
(2)由n＝可得光线从左端面射入后的折射角为30°，射到侧面时的入射角为60°，大于临界角45°，因此发生全反射，同理光线每次在侧面都将发生全反射，直到光线到达右端面。由几何关系可以求出光线在光导纤维中通过的总路程s＝，因此该激光在光导纤维中传输所经历的时间t＝＝2.7×10－8 s。
答案　(1)2.1×108 m/s　(2)2.7×10－8 s