2021-2022学年高二上学期物理粤教版（2019）选择性必修第一册4.3光的全反射与光纤技术同步练习能力提升(Word版含答案)

第四章光及其应用第三节光的全反射与光纤技术同步练习能力提升--2021_2022学年高二上学期物理粤教版（2019）选择性必修一
练习
一、单选题，共10小题
1．如图所示，将一个半圆形玻璃砖置于空气中，当一束单色光入射到玻璃砖的圆心O时，下列情况不可能发生的是（　　）
A． B． C． D．
2．2021年春季，树德中学三校区均开展了高二学生的职业规划和体验活动，同学们都收获颇多。这也激起了同学们对科学和科技发展更大的兴趣。某同学在学习光学时，对神奇的光现象也产生了更加浓厚的兴趣，但有关光现象的理解有一项说法是错误的，请帮他指出（　　）
A．水中的气泡看上去比较明亮是因为有一部分光发生了全反射
B．天空中的彩虹和光的色散都是由于发生了全反射
C．光导纤维丝内芯材料的折射率应比外套材料的折射率大
D．海市蜃楼和沙漠蜃景是光在空气中发生折射和全反射形成的光学幻景
3．如图所示，a、b和c是三块平行玻璃砖，它们相互之间也平行，折射率大小，厚度之比。一束单色光从空气以入射角i射到a的上表面，在中光线的侧移量（入射光线与出射光线间的距离）分别为、、。下列说法正确的是（　　）
A．逐渐增大i，从c下表面射出的光线将消失
B．逐渐减小i，从c下表面射出的光线将消失
C．在i一定时，
D．在i一定时，
4．为了研究某种透明新材料的光学性质，将其压制成半圆柱形，如图甲所示。一束激光由真空沿半圆柱体的径向与其底面过O的法线成θ角射入。CD为光学传感器，可以探测光的强度。从AB面反射回来的光强随入射角θ变化的情况如图乙所示，则下列说法正确的是（　　）
A．该新材料的折射率n＜1
B．该新材料的折射率
C．图甲中若减小入射角θ，则反射光线和折射光线之间的夹角将变大
D．图甲中若减小入射角θ到0°，则光线将全部从AB界面透射出去
5．如图所示，为一长L的细长直的光导纤维（可简化为长直玻璃丝）的示意图，AB代表左侧端面，右侧未画出，红光与紫光的折射率分别是和，，光从左侧端面射入，入射角可以调节，光从右侧端面射出，已知真空中光速为c，下列说法中正确的是（　　）
A．光在其中传播的最长时间为
B．光在其中传播的最长时间为
C．光在其中传播的最短时间为
D．光在其中传播的最短时间为
6．光纤通信采用的光导纤维由内芯和外套组成，长为，其侧截面如图所示，一复色光以入射角从轴心射入光导纤维后分为、两束单色光，两单色光在内芯和外套界面多次全反射后从光导纤维另一端射出，已知内芯材料对光的折射率为，真空中的光速为。下列说法正确的是（　　）
A．内芯材料对光的折射率小于
B．在内芯中光传播速度比光小
C．若光恰好发生全反射，则在这段光纤中的传播时间为
D．当逐渐增大到时，开始有光从纤维侧壁射出
7．如图1所示，某种油量计是由许多透明等厚、长度不等的薄塑料片叠合而成的，每个薄片的形状如图2所示，其底部为等腰直角三角形。原理可以解释为光竖直向下射入固定在容器中的油量计，当容器内有油时，光大部分折射进入油中，只有少部分反射回观察窗口，当容器内无油时，光在塑料和空气的界面发生全反射而返回油量计上端，这样就可以通过观察窗上的亮暗分布来判断油量的多少，下列说法正确的是（　　）
A．这款油量计对所有液体都适用
B．随着油量的减少，观察窗右边最先开始亮
C．观察窗亮的部分越长，说明剩余油量越多
D．可以用折射率为1.35的透明塑料来制作这款油量计
8．如图所示，一足够大的水池内盛有某种透明液体，液体的深度为H，在水池的底部放一点光源S，其中一条光线以θ1=30°入射角射到液体与空气的界面上，以折射角θ2=45°发生折射。则下列说法正确的是（　　）
A．液体的折射率为
B．从液体到空气，光的频率变小
C．光在液体中的传播速度为
D．液体表面亮斑的面积为
9．内径为r，外径为r的透明介质半球壳折射率n=2，如图为其截面示意图。现将点光源分别放在球心O处和P处，P在O点正上方内壳上，光射向外壳经过折射后射出球壳（不考虑光的反射，已知光在真空的传播速度为c）。则下列说法正确的是（　　）
A．光线从O点射出球壳的时间为t=
B．光线从O点射出球壳的时间为t=
C．若点光源放于P点处，则介质球壳外表面发光区域在截面上形成的弧长为
D．若点光源放于P点处，则介质球壳外表面发光区域在截面上形成的弧长为
10．图示为一光导纤维（可简化为一长玻璃丝）的示意图，玻璃丝长为L，折射率为n，AB代表端面．一束光从真空射入玻璃丝的AB端面，已知光在真空中的传播速度为c。下列说法错误的是（　　）
A．光导纤维进行信号传输利用了全反射
B．为使光线能从玻璃丝的AB端面传播到另一端面，光线在端面AB上的入射角应满足
C．为使光线能从玻璃丝的AB端面传播到另一端面，光线在端面AB上的入射角应满足
D．光线从玻璃丝的AB端面传播到另一端面所需的最长时间为
二、多选题，共3小题
11．有一块三角形棱镜ABC，其中∠A＝60°、∠B=30°、∠C＝90°，一束单色光沿着与BC平行的方向射到三棱镜的AB面上，光线发生折射后进入棱镜，若玻璃对光的折射率为，下面判断正确的是（ ）
A．光线在AB面折射角为30°
B．光线能从BC面透出
C．光线能从AC面透出
D．照到AC面上的光线与AB面平行
E.照到AC面上的光线与最初照到AB面上的光线垂直
12．如图所示，长为L的光导纤维，AB代表光的入射端面。某种颜色的光以任何角度从AB端面进入光导纤维后，均能无损耗地从AB端面传播到另一端面。则下列说法正确的是（　　）
A．相对于该光，光导纤维的折射率最小为
B．相对于该光，光导纤维的折射率最小为
C．若光导纤维相对该光的折射率为，则光从一端传播到另一端的最长时间为
D．若光导纤维相对该光的折射率为，则光从一端传播到另一端的最长时间为
13．如图所示，ABC是一个用折射率的透明介质做成的棱镜，其截面为等腰直角三角形。现有一束光从图示位置垂直入射到棱镜的AB面上，则该光束（　　）
A．能从AC面射出 B．能从BC面射出
C．进入棱镜后速度不变 D．进入棱镜后波长变短
三、填空题，共4小题
14．在“测定玻璃折射率”的实验中，根据测得的入射角和折射角的正弦值画出的图线如图所示。当光线是由空气射入玻璃砖时，则θ1和θ2中为入射角的是______；当光线由玻璃砖射入空气时，全反射临界角的正弦值是____；从图线可知玻璃砖的折射率是____。
15．2009年诺贝尔物理奖获得者高锟被称为光导纤维之父。光纤由折射率为n１的内芯和折射率为n２的包层构成，则n１___n２（填“＞”，“＜”或“＝”）。若光导纤维长度为L，光以入射角射到内芯与包层的界面上，如图所示，已知光在真空中传播的速度为c，则光在内芯中传播的速度为____，光信号从光导纤维的一端传播到另一端所需时间为_____。
16．如图所示，扇形AOB为透明柱状介质的横截面，圆心角∠AOB=60°。一束平行于角平分线OM的光由OA射入介质，经OA折射的光线恰平行于OB。则这种介质对光的折射率为___________ ； 折射光线中恰好射到M点的光___________（填“会”或“不会”）发生全反射，___________ （填“减小”或“增大”）光与AO边所夹锐角θ，折射光线在弧面AMB上更容易发生全反射。
17．如图所示，若实心玻璃管长L=40cm，宽d=4cm，玻璃的折射率，一细光束从管的左端的正中心射入，则光最多可以在管中反射____次，光在管中传播的最长时间为___ (此空保留两位有效数字，已知光在真空中传播速度c=3.0×108 m/s)．
四、解答题，共4小题
18．如图所示，直角三角形为一棱镜的横截面，。一束与边成夹角的单色光线射向边的中点O并进入棱镜在边发生全反射后从边射出。已知边长，光在真空中传播的速度，棱镜对该光线的折射率。
求：光线从边射出时的折射角。
19．某玻璃砖的截面如图所示，的连线与垂直，长为，，弧的圆心为边的中点。若一束宽度为的平行光从边垂直射入玻璃砖，恰好在界面发生全反射后，全部从弧界面射出（不考虑光在弧界面的二次反射），真空中的光速为，求：
（1）玻璃砖的折射率；
（2）光在玻璃砖内传播的最长时间。
·
20．某精密光学仪器上有一块玻璃砖是由一块长方体的匀质玻璃下部分挖掉一个半径为R的半圆柱形成的，其截面如图所示，为半圆柱体的直径，O为圆心，长为。一束单色光从边的中点E垂直射入玻璃砖，经过折射后从玻璃砖中射出，已知玻璃砖对该单色光的折射率为，光在真空中的传播速度为c。求：
（1）该单色光从进入玻璃砖到第一次射出玻璃砖时的折射角；
（2）该单色光从进入玻璃砖到第一次射出玻璃砖所经历的时间。
21．如图，一个半径为R的圆形玻璃砖，为了测定该玻璃砖的折射率，将一条光线从玻璃砖上的A点射入，入射光线在过A点的横截面所在的平面内，玻璃砖横截面的圆心为O，在该横截面所在的平面内调节入射光线的方向，当圆形玻璃砖侧面上只有三处有光线射出时，测得入射光线与半径OA的夹角为，已知光在真空中传播的速度为。求：
（ⅰ）该玻璃砖的折射率；
（ⅱ）保持入射角不变，光线从射入玻璃砖到射出玻璃砖经历的最短时间。
试卷第1页，共3页
试卷第1页，共3页
参考答案
1．D
【详解】
A．当光由空气斜射进入半圆形玻璃砖时，既有反射又有折射，折射角小于入射角，是可能发生的， A不符合题意；
B．当光由半圆形玻璃砖射入空气时，若入射角小于临界角，既有反射又有折射，是可能发生的， B不符合题意；
C．当光由半圆形玻璃砖射入空气时，若入射角大于等于临界角时，会发生全反射，光线就不能进入空气，这种情况是可能发生的， C不符合题意；
D．当光由空气射入半圆形玻璃砖折射时，折射角应小于入射角，所以这种情况不可能发生，D符合题意。
故选D。
2．B
【详解】
A．水中的气泡看上去比较明亮是因为有一部分光从水进入空气时发生了全反射。故A正确，与题意不符；
B．天空中的彩虹和光的色散都是由于发生了光的折射。故B错误，与题意相符；
C．光导纤维丝内芯材料的折射率应比外套材料的折射率大，入射光从内芯射向外套时发生全发射。故C正确，与题意不符；
D．海市蜃楼和沙漠蜃景是光在空气中发生折射和全反射形成的光学幻景。故D正确，与题意不符。
故选B。
3．D
【详解】
AB．光线在任一平行玻璃砖上面的折射角与下表面的入射角相等，根据光路可逆性，无论怎么增大或减小i都不会在玻璃砖下表面发生全反射，故A、B错误；
CD．在平行玻璃砖发生的侧移与玻璃砖的厚度成正比，随折射率的增大而增大，所以在一定时，,，故D正确，C错误。
故选D。
4．C
【详解】
AB．题图乙可知，当时发生全反射，则有
故AB错误；
C．甲中若减小入射角，根据折射定律和反射定律可知反射角和折射角都变小，则反射光线和折射光线之间的夹角将变大，故C正确；
D．减小入射角到0°时，不会发生折射现象，但是会有反射现象，所以光线不会全部从AB界面投射出去，故D错误；
故选C。
5．B
【详解】
AB．当光线发生全反射时，路程最长，对应时间最长，如图所示
则
传播速度
速度沿玻璃丝方向的分量为
则时间
因为
所以
故B正确，A错误；
CD．当光线垂直AB射入时，时间最短，由
得时间为
由于
所以
故CD错误。
故选B。
6．D
【详解】
A．设折射角为，根据
由于a光的折射角大于b光的折射角，因此内芯材料对光的折射率大于对a的折射率n，A错误；
B．根据
由于内芯对光a的折射率小于对b光的折射率，因此在内芯中光传播速度比光大，B错误；
C．若光恰好发生全反射，则在这段光纤中的传播时间为
C错误；
D．光线a的临界角为C，如图
则
随着入射角逐渐增大，光线a与边界间的夹角逐渐减小，恰好达到临界角时，根据几何关系
而
整理得
此时开始有光从纤维侧壁射出。D正确；
故选D。
7．B
【详解】
A．由于油的折射率大于塑料的折射率，故光线在塑料和油的界面处发生折射进入油中，但是换做其他液体，则其折射率不一定大于塑料的折射率，则光线在塑料和液体的界面不一定发生折射，即这款油量计不是对所有液体都适用，选项A错误；
B．如果当油面下降，塑料露出油面时，光线在塑料和空气的界面处发生全反射，返回油量计的上端面并射出，故人看起来是明亮的，因为右边塑料最短，可知随着油量的减少，观察窗右边最先开始亮，选项B正确；
C．观察窗亮的部分越长，说明油面越低，剩余油量越少，选项C错误；
D．如图所示，光由上面射入塑料板中，在直角部分发生全反射时上面看起来才会明亮，光在从透明塑料板射向空气，此时发生全反射的条件是折射率
故D错误。
故选B。
8．C
【详解】
A．液体的折射率
A错误；
B．从液体到空气，波长变长，波速变大，但光的频率保持不变，B错误；
C．光在液体中的传播速度
C正确；
D．由于
可得
液体表面亮斑的半径为H，因此亮斑的面积
D错误。
故选C。
9．C
【详解】
AB．光从O到内壳的传播时间为
光在介质中的传播速度为
光在介质中的传播时间为
所以光线从O点射出球壳的时间为
故AB错误；
CD．光在介质中射向真空发生全反射的临界角C满足
即
C=30°
若点光源放于P点处，假设其射出的光线在Q点恰好发生全反射，如图所示，则在三角形OPQ中，根据正弦定理有
解得
所以
根据对称性可知若点光源放于P点处，则介质球壳外表面发光区域在截面上形成的弧长为
故C正确，D错误。
故选C。
10．C
【详解】
A．光导纤维进行信号传输利用了全反射，符合事实，故A正确，不符合题意；
BC．为使光线能从玻璃丝的AB端面传播到另一端面，要保证不会有光线从侧壁射出去，当在侧壁恰好发生全反射时，由折射定律
根据几何关系
，
恰好发生全反射时，临界角公式
解得
则，要保证发生全反射，应有
故B正确，不符合题意，C错误，符合题意；
D．光在玻璃丝中传播速度为
光速在玻璃丝轴向分量为
光线从玻璃丝的AB端面传播到另一端面所需的最长时间为
故D正确，不符合题意。
故选C。
11．ACD
【详解】
A．光路如图所示
设光线在AB面折射角为，则
解得
故A正确；
B．照射到BC光线入射角为，发生全反射时
因此
满足全反射条件，光线不能从BC面透出，故B错误；
DE．光线在BC面上反射角为，反射光线与AB面平行，故D正确，E错误；
C．照到AC上的光线入射角为，不满足发生全反射条件，光线能从AC面透出，，故C正确。
故选ACD。
12．AD
【详解】
AB．设入射角为，折射角为，光线到达上界面的入射角为，全反射的临界角为，有折射定律得
由几何关系有
所以
由题意知，入射角增大到时，时，折射率最小，因为
所以
综上折射率至少为
故A正确，B错误；
CD．光在玻璃介质中的传播速度
在介质中传播所走的路程越小，路程越大，即时，光在光纤中传播的时间最长，综上解得
故若光导纤维相对该光的折射率为，则光从一端传播到另一端的最长时间为；若光导纤维相对该光的折射率为，则光从一端传播到另一端的最长时间为，故C错误，D正确。
故选AD。
13．BD
【详解】
AB．设棱镜的临界角为C，则有
得
C<45°
光射到AC面上再射向空气时，由几何知识知入射角等于45°>C，因此光在AC面上产生全反射，光在BC面垂直射出，A错误，B正确；
C．由可知，光射入棱镜后速度减小，C错误；
D．光射入棱镜后频率不变，由v=f可知，光射入棱镜后波长变小，D正确。
故选BD。
14．θ1
【详解】
[1]光线是由空气射入玻璃砖时，入射角大于折射角，由图像可知sinθ1较大，则θ1和θ2中为入射角的是θ1；
[2][3]折射率
当光线由玻璃砖射入空气时，全反射临界角的正弦值是
15．＞
【详解】
[1]发生全反射的条件是：从光密介质到光疏介质，入射角大于或等于临界角；欲使光在n1和n2的界面上发生全反射，需有
n1＞n2
[2]传播速度为
[3] 光在介质n1中的传播最长路程为
故最长时间
16． 不会 增大
【详解】
[1] 作出光路图甲，由几何知识可知，入射角，折射角，根据折射定律得
[2] 如图乙由几何关系可得，光线在M点的入射角为，由临界角的关系式可得
则有
所以折射光线中恰好射到M点的光线不能发生全反射。
[3] 折射光线在弧面AMB上发生全反射则需要入射角增大，所以入射光线与AO边所成锐角越大，则越容易使折射光线在弧面AMB上发生全反射。
17．6 1.5×10-9s
【详解】
（1）光束进入玻璃管，在玻璃管壁发生全反射时，在管中反射的次数最多，所用的时间最长．
临界角sinC=，C=60°
光路如图：
则x=dtanC=6.93cm，在器壁上两次反射之间沿轴线前进6.93cm的距离，从进入到第一次反射沿轴线前进x/2=3.47cm
所以n-1= = =5.27
光最多可以在管中反射6次；
（2）光在管中传播的最长距离s= m=0.46m
光在管中传播的最长时间t= s=1.5×10-9s
18．
【详解】
光路如图所示
光线在边上入射时，根据折射定律有
解得
由几何关系可知，，光线从边射出棱镜时，有
解得
19．（1）；（2）
【详解】
(1)垂直于边射入的光恰好在界面发生全反射，可知光从玻璃射向空气的临界角为45°，则有
解得玻璃砖的折射率
(2)如图所示，可等效看成光线是从射入
即射向圆心的光线在玻璃砖中的光程最大，时间最长，设经过圆心的光线在玻璃中的光程为，光线在玻璃中的传播速度为，则有
最长时间为
联立解得

20．(1)；(2)
【详解】
(1)作出光路如图所示
据几何关系可得
解得
该光在玻璃中的临界角C满足
可得
故光线在F点发生全反射，由图中几何关系可得
，
由G点光线第一次射出介质，由折射定律得
解得
(2)光在玻璃中传播速度为
由几何关系可得
，
所以光在介质中传播的时间为
代入数据解得
21．（ⅰ） ；（ⅱ）
【详解】
（ⅰ）根据对称性可知光在圆形玻璃砖内不会发生全反射，当圆形玻璃砖侧面上只有三处有光线射出时，三个光线出射点与圆心连线互成，作了光路图如图所示，三个出射点分别为B、C、A，则三角形ABC为等边三角形连接OA，即为折射角，根据几何关系可得
根据折射定律有
解得折射率
（ⅱ）通过分析可知光线第一次从B点射出时经历的时间最短，根据几何关系可得
光在玻璃砖里传播的速度为
则最短时间为
代入数据解得
答案第1页，共2页
答案第1页，共2页