4.3光的全反射与光纤技术同步练习基础过关（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基础过关--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．玻璃的折射率为1.5，如图所示，光线由空气射入半圆形玻璃砖，或由玻璃砖射入空气的光路图中，正确的是（　　）
A．图甲、丙 B．图甲、丁 C．图乙、丙 D．图乙、丁
2．如图甲为一种检测油深度的油量计，油量计竖直固定在油桶内，当入射光竖直向下照射时，通过观察油桶上方的矩形窗口亮暗两个区域可确定油量。图乙是油量计结构图，它是一块锯齿形的透明塑料，锯齿形的底部是一个等腰直角三角形，最右边的锯齿刚接触到油桶的底部。已知透明塑料的折射率小于油的折射率，则下列说法正确的是（　　）
A．透明塑料的折射率应小于
B．塑料锯齿和油的界面处发生全反射形成暗区
C．油量增加时，亮区范围变大
D．若入射光由红光换为绿光时，亮区范围不变
3．圆形平底薄壁玻璃碗中盛有水。玻璃碗的俯视图如图甲所示，其前视图如图乙所示，图中与为圆弧，半径为R，对应的圆心角，为直线。现用一支激光笔发出一束红色激光垂直水面照射，入射点可沿着直径移动。已知水和玻璃的折射率同为，若激光进入水中后，只考虑的首次反射和折射，则以下说法中正确的是（　　）
A．激光在水中的速度为
B．激光不可能从圆弧面射出
C．若激光从O点射入，从边射出，所需时间为
D．激光能从圆弧面射出的圆弧长度为圆弧总长度的
4．真空中一个直径足够大的圆柱形容器中有两层液体，上层液体厚为，折射率为，下层液体厚为，折射率为，已知。在容器底部中心有一单色点光源，可以向周围发出可见光。从光源发出的光，经折射以后达到上层液体表面的可见光的最大半径是（　　）
A． B．
C． D．
5．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
6．一底面半径为R的半圆柱形透明体的折射率为 ，其横截面如图所示，O表示半圆柱形横截面的圆心。一束极窄的光束从AOB边上的A点以与竖直方向成60°角入射，已知真空中的光速为c，则光从进入透明体到第一次离开透明体所经历的时间为（　　）
A． B． C． D．
7．如图所示为长方形玻璃砖一横截面ABQD，BQ边长为L，一束单色光从AB边上的P点进入玻璃砖，在AD边上的某点恰好发生全反射后从Q点射出。已知玻璃砖对这种单色光的折射率为n，光在真空中的传播速度为c，则单色光在玻璃砖中通过的时间为（　　）
A． B． C． D．
8．如图所示，等边△ABC是三棱镜的横截面，一束单色光以60°的入射角射到AB边的中点，经棱镜两次折射后，从AC边射出，测出经两次折射后光线的偏向角为60°，已知AB边的长度为L，光在真空中的速度为c，则光沿图示路径通过三棱镜的时间是（　　）
A． B． C． D．
9．如图所示，OBCD为半圆柱体玻璃的横截面，OD为直径，一束由紫光和红光组成的复色光沿AO方向从真空射入玻璃，紫光和红光分别从B、C点射出。下列说法中正确的是（　　）
A．逐渐减小入射角i，紫光先发生全反射
B．逐渐减小入射角i，红光先发生全反射
C．紫光在半圆柱体玻璃中传播速度较大
D．紫光先从半圆柱体玻璃中射出
10．如图所示，OBCD为半圆柱体玻璃的横截面，OD为直径，一束由紫光和红光组成的复色光沿AO方向从真空射入玻璃，分两束分别射到圆柱面的B、C两点。下列说法正确的是（　　）
A．从B、C两点射出的光分别是红光、紫光
B．入射光线AO向右平移，红光会先发生全反射
C．光从O传到B与光从O传到C的时间相等
D．若两束光均能使某金属发生光电效应，则C光照射时逸出的光电子动能一定小
二、多选题，共3小题
11．如图所示为某种透明介质制成的半径为R的半圆柱体形的截面图，其中O点为截面的圆心，一平行的细光束与截面AB成45°，且射向圆心的光束刚好在AB面发生全反射，已知光在真空中的速度为c，忽略光在介质中的二次反射。则下列说法正确的是（　　）
A．该透明介质的折射率为
B．光由射入透明介质到从界面AB射出的最短时间为
C．由半圆柱体最高点O′射入的光在介质中的折射角为30°
D．能从界面AB射出光线所对应的入射光线占弧AO′B区域的
E.光由AB界面射出的区域长度为R
12．透明烧杯中装有适量的水和食用油，现将一根筷子竖直插入到烧杯内的左侧，在一定的角度观察发现筷子被“折断”成多节，如图所示，则（　　）
A．食用油的折射率比水大
B．光从食用油向水中传播时频率减小
C．光从食用油向水中传播时，达到一定角度后会发生全发射
D．当筷子竖直放置于烧杯正中间时，筷子不会被“折断”
13．如图所示，让光线沿半圆形玻璃砖的半径射到平直边上，在这个界面发生了反射和折射。逐渐增大入射角，下列描述中正确的是(　　)
A．折射角逐渐减小
B．折射角和入射角的比值不变
C．折射光线逐渐减弱，直至完全消失
D．反射光线和折射光线都逐渐减弱
三、填空题，共4小题
14．光纤通信中，光导纤维传递光信号的物理原理是利用光的全反射现象，要发生这种现象，必须满足的条件是：光的入射方向应该是___________（填“从光密介质到光疏介质”或“从光疏介质到光密介质”），且入射角___________临界角（填“≤”或“≥”）。
15．全反射棱镜
玻璃棱镜的截面为______，当光从图中所示的方向射入玻璃时，由于光的方向与玻璃面垂直，______。但在玻璃内部，光射向玻璃与空气的界面时，______，发生全反射。与平面镜相比，它的反射率高，______。这种棱镜在光学仪器中可用来改变光的方向。
16．如图所示，容器中装有某种透明液体，深度为h，容器底部有一个点状复色光源S，光源S可发出两种不同频率的单色光。液面上形成同心圆形光斑Ⅰ、Ⅱ，测得光斑Ⅰ的直径为，光斑Ⅱ的直径为。透明液体对光斑Ⅱ这种单色光比光斑Ⅰ这种单色光的折射率___________；光斑Ⅱ这种单色光在液体中的传播速度比光斑Ⅰ这种单色光在液体中的传播速度___________（均选填“大”或“小”）
17．某学习小组通过实验测定一截面为半圆形玻璃砖的折射率n。它们用激光笔从玻璃砖一侧照射，在另一侧可以观察到折射光线。如图甲所示，是某次实验中标注的光线传播路径，O是圆心，MN是法线，AO、BO分别代表两条光线。改变照射角度测得多组入射角和折射角，作出的2图象如图乙所示。根据乙图信息可知，光线___________（选填“AO”、“BO”）是入射光线，该透明材料的折射率n=___________。若将该材料做成长200km的光导纤维，此激光在光导纤维中传播的最长时间为___________s。（已知光在真空中传播速度c=3×108m/s）
四、解答题，共4小题
18．如图，长方体玻璃砖厚度为L，若光从上表面入射的入射角，光线经过进入玻璃砖继续传播，经中点反射后又从射出。已知。
（ⅰ）求玻璃折射率；
（ⅱ）若在玻璃砖内部底部中心位置设置一垂直于面的线光源，要求、、三面不经反射，每个面的全部表面均有光透出，求长度S满足的条件。
19．打磨如图所示的宝石某剖面时，必须将OP边、OQ边与轴线的夹角切磨在的范围内，才能使从MN边垂直入射的光线在OP边和OQ边都发生全反射（仅考虑如图所示的光线第一次射到OP边并反射到OQ边后射向MN边的情况），请根据角度的各个范围，分析对应出射光线的各种可能。
20．如图所示，截面为直角三角形的玻璃砖置于真空中，，一小束单色光与边夹角从边中点D入射。已知边长为l，玻璃砖对该单色光折射率，光在真空中的速度大小为c．求：
（1）该单色光第一次到达边是否发生折射，请说明理出；
（2）该单色光从D点入射到第一次从边出射，光在玻璃砖中经过的时间t。
21．如图所示是一个半圆柱形透明物体的侧视图，现在有一细束单色光从右侧沿轴线OA方向射入。（光在真空中传播速度为c）
（1）将该细束单色光平移到距O点处的C点，此时透明物体左侧恰好不再有光线射出，求透明物体对该单色光的折射率n；
（2）再将该细束单色光平移到距O点处，求光线在透明物体中的传播时间。
试卷第1页，共3页
试卷第1页，共3页
参考答案
1．D
【详解】
光线从光疏介质到光密介质，入射角大于折射角，故甲图错误，乙图正确；
依据折射率与全反射临界角的关系
所以
所以C < 45o,故丙图错误，丁图正确；
故选D。
2．D
【详解】
A．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
即透明塑料的折射率应大于，A错误。
B．光从塑料锯齿和油的界面处发生折射，光线射向油中，在矩形窗口形成暗区，B错误；
C．油量增加时，被浸入到油中的塑料锯齿增多，则全反射光线减小，则亮区范围变小，C错误；
D．若入射光由红光换为绿光时，不影响光线在界面处发生全反射，则亮区范围不变，D正确。
故选D。
3．D
【详解】
A．激光在水中的速度为
故A错误；
B．根据题意可知临界角为
解得
当光垂直照射到c点时，根据几何关系可知入射角为小于，所以光线会射出去，故B错误；
C．若激光从O点射入，从CD边射出，通过的路程为
所需时间为
故C错误；
D．设从E点射入的光线恰发生全反射，光路如图所示
则
∠FEO=45°
由几何关系知
∠EOC=15°
即圆弧EC会用光线射出，所以激光能从圆弧面射出的圆弧长度为圆弧总长度的，故D正确。
故选D。
4．C
【详解】
如图当为全反射临界角时，光不会射出水面，即大于临界角时水面无可见光。因此等于临界角时射出的光为可见的最外部，临界角公式
根据折射定律
又
故
解得
所以最大半径为
故C正确。
故选C。
5．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。
6．D
【详解】
设此透明物体的临界角为C，有
得
当入射角为时，由折射定律有
得到折射角
即此时光线折射后射到圆弧上的C点，在C点的入射角为，大于临界角C，会发生全反射，往后光线水平反射至圆弧上的D点并在D点发生全反射，再反射至B点，从B点第一次射出。则光线在透明体内通过的路径长为
光在透明体内的速度为
经历的时间
联立解得
故选D。
7．A
【详解】
根据折射率公式得
，
单色光在玻璃砖中通过的光程为
则单色光在玻璃砖中通过的时间为
故选A。
8．D
【详解】
由题可知，
由几何关系
由折射定律有
联立可得
由于
则
故三角形ADE为等边三角形，即有
光在三棱镜中的传播速度为
则光通过三棱镜的时间为
故选D。
9．A
【详解】
AB．作出光路如图
紫光的频率大，折射率大，根据可知紫光的临界角小，逐渐减小入射角i，θ减小，90°-θ增大，最先大于紫光的临界角，因此紫光先发生全反射，选项A正确，B错误；
C．紫光的频率大，折射率大，根据可知紫光在半圆柱体玻璃中传播速度较小，选项C错误；
D．由几何关系知光在玻璃中传播的距离
则光在玻璃中传播的时间
故两种光在玻璃中传播的时间相等，选项D错误。
故选A。
10．C
【详解】
A．二束光以相同的入射角射入玻璃，OB光的偏折大，得B光的频率大，B为紫光，所以A选项错；
B．当入射光线AO向右平移，在半弧面上红光的入射角均小于临界角，故不能发生全反射，所以B选项错；
C．C光在玻璃中的传播时间
得∶光在玻璃中的传播时间相等，故C项正确；
D．发生光电效应时，入射光的频率越大，逸出的光电子最大初动能就越大，但内层的光电子动能不一定大，故D选项错。
故选C。
11．ACD
【详解】
A．由题意可知，射入O点的光线刚好在AB界面发生全反射，则此时的入射角等于临界角C，即C=45°，又
sinC=
解得
A正确；
B．由A选项分析可知，射入O点的光线是从界面AB射出的最左侧的光线，当射入透明介质的光线与半圆柱相切时，为在透明介质中射出的最右侧的光线，光路图如图所示，由折射定律得
解得
β=45°
CD两点之间的距离为
且此距离为光在透明介质中的最短距离，又由于光在该介质中的速度为
则光在介质中的最短时间为
B错误；
C．由半圆柱体最高点O′射入时，由几何关系可知入射角为45°，由折射定律
解得
r=30°
C正确；
D．由以上分析可知CE段射入透明介质的光能从界面AB射出，即入射光线占弧AO′B区域的，D正确；
E．OD段由光线射出，则由几何关系可知
E错误。
故选ACD。
12．ACD
【详解】
A．由题图偏折情况可知，光线在食用油中偏折程度比在水中大，则食用油的折射率大于水的折射率，故A正确；
B．光在不同介质中传播，频率不变，故B错误；
C．光从光密介质进入光疏介质，当入射角大于临界角时，会发生全发射，故C正确；
D．当筷子竖直放置于烧杯正中间时，来自浸入水中的筷子的光几乎垂直地射到水与空气的界面，射出的光线偏折较小，所以筷子看上去仍然是直的，感觉筷子不会被“折断”，故D正确。
故选ACD。
13．BC
【详解】
AB．由折射定率可得
逐渐增大入射角r，折射角i逐渐增大，折射率不变，故折射角r的正弦值和入射角i的正弦值比值不变，A错误，B正确；
CD．折射光线逐渐减弱，反射光线逐渐增强，当入射角达到全反射角时，折射光线完全消失，C正确，D错误。
故选BC。
14．从光密介质到光疏介质 ≥
【详解】
[1] [2]发生全反射的条件是光从光密介质进入光疏介质，且入射角大于等于临界角。
15．三角形 光的传播方向不变 入射角大于临界角 几乎可达百分之百
【详解】
[1]如图所示，玻璃棱镜的截面是三角形。
[2]光垂直射向介质时，光的传播方向不改变。
[3]在玻璃内部，光射向玻璃与空气的界面时，入射角大于临界角，发生全反射现象。
[4]与平面镜相比，它的反射率高，几乎可达百分之百。
16．小 大
【详解】
[1][2]设光由液体射向空气发生全反射临界角为，由全反射条件，由题中条件可知，如图所示，所以，又根据光在液体中的传播速度公式，所以，即光斑Ⅱ这种单色光在液体中的传播速度比光斑Ⅰ这种单色光在液体中的传播速度大。
17．BO 1.5 1.5×10-3s
【详解】
[1]由图乙可知，入射角小于折射角，光是从透明材料进入空气，因此BO是入射光线。
[2]由折射定律可知
[3]光刚好在光纤内芯与外套分界面发生全反射时，如图所示在O点发生全反射
则
即光传播路程
且
越小光传播时间越长，由此可见当光刚好发生全反射时，激光在光导纤维中传播的时间最长
18．（ⅰ）；（ⅱ）
【详解】
（ⅰ）设玻璃折射率为n，折射角为r。则光路图如下图所示
根据几何关系
即
又
折射定律
联立解得
（ⅱ）设从玻璃砖内部射出时全反射的临界角为C。根据折射定律
设长为S，出射点在边上时，出射点为B点时入射角度最大
同理出射点在边上时，出射点为A点、B点时入射角度最大
联立解得
根据对称性A边也有相同得结果。因此距离只能取。
19．见解析
【详解】
从MN边垂直入射，由几何关系可知光线射到PO边上时的入射角
据题：θ在θ1＜θ＜θ2的范围内，才能使从MN边垂直入射的光线，在OP边和OQ边都发生全反射，说明临界角C的范围为
若θ＞θ2，光线在PO上入射角
故光线在OP边一定不发生全反射，会从OP边射出。
若θ＜θ1
故光线在OP边会发生全反射；
20．（1）见解析；（2）
【详解】
解：（1）设该单色光从界面进入玻璃砖折射角为r，由折射定律得
解得
光第一次到达边与边夹角为，设发生全反射的临界角为C，由公式，则有
则，说明该单色光第一次到达边不发生折射。
（2）作出光路图，如答图所示，由分析和几何关系可知，该单色光从D点入射到第一次从边出射，光在玻璃砖中经过的路程为
光在玻璃砖中的速度大小为
则
解得
21．（1）；（2）
【详解】
（1）如下图所示，光束由C处水平射入，在B处发生全反射，∠OBC等于临界角C
由几何关系得
由临界角公式得
（2）如下图所示，光束由D点水平射入，在E点发生折射，入射角为∠OED=α，折射角为∠NEF=β
由几何关系可得，α=30°，则
又有折射率公式，可得
则光线在透明物体中的传播时间
答案第1页，共2页
答案第1页，共2页