4.4光导纤维及其应用 同步练习（Word版含答案）

4.4、光导纤维及其应用
一、选择题（共16题）
1．下列说法中正确的是（ ）
A．用光导纤维束传送图象信息，这是利用光的衍射现象
B．立体电影利用的是光的偏振现象
C．眯着眼睛看发光的灯丝时能观察到彩色条纹，这是光的干涉现象
D．照相机、望远镜的镜头表面常常镀一层透光的膜，从膜的前表面和玻璃表面反射的光相互加强
2．关于光的全反射及其应用，下列说法正确的是（　　）
A．入射角大于临界角，光一定发生全反射
B．光从传播速度大的介质射向传播速度小的介质时可能发生全反射
C．光导纤维传输信号和全息照相利用的都是光的全反射现象
D．水或玻璃中的气泡看起来特别亮，是因为光从水或玻璃射向气泡时在界面发生了全反射
3．下列说法中正确的是（　　）
A．用光导纤维束传送图像信息，这其中应用到了光的全反射现象
B．通过两支夹紧的笔杆间缝隙看发白光的灯丝能观察到彩色条纹，这是光的偏振现象
C．用三棱镜观察太阳光谱是利用光的干涉现象
D．肥皂泡在阳光下出现彩色条纹，这是光的衍射现象
4．关于光现象及其应用，下列说法正确的有（ ）
A．一束单色光由空气射入玻璃，这束光的速度变慢，波长变短，频率变小
B．用三棱镜观察白光看到的彩色图样是利用光的反射形成的色散现象
C．海市蜃楼产生的原因是由于海面上上层空气折射率比下层空气折射率大
D．医院给病人做肠镜、胃镜、喉镜等检查时都要用到内窥镜，内窥镜应用到了光的全反射
5．光纤主要由折射率较大的内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的入射端输入，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线用时最短，在两种介质界面发生最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，外套折射率为.在接收端光脉冲宽度（即光持续时间）为，则下列说法正确的是（ ）
A．为了保证光脉冲不从外套“漏”出，内芯和外套材料折射率的关系应满足
B．内芯材料的折射率越大，光脉冲将越不容易从外套“漏”出
C．为了尽可能减小，应该选用波长更短的光
D．为了尽可能减小，应该减小光纤的直径
6．光导纤维由很细的内芯和外套两层组成，内芯的折射率比外套大，光传播时在内芯和外套的界面发生全反射，如图所示。为了研究简单，现设外套为空气，内芯的折射率为n，一束光线由空气射入内芯，在内芯与空气的界面恰好发生全反射。若光速为c，则光线通过边长为L的光导纤维所用的时间为（　　）
A． B． C． D．
7．如图所示，将塑料瓶下侧开一个小孔，瓶中灌入清水，水就从小孔流出。将激光水平射向塑料瓶小孔，观察到激光束沿水流方向发生了弯曲，光被完全限制在水流内。则下列说法正确的是（　　）
A．激光束发生弯曲是因为光在水柱与空气界面上发生折射
B．激光束发生弯曲是因为光在水柱与空气界面上发生全反射
C．仅改用折射率更大的液体，激光束不能完全被限制在水流内
D．激光在水中的传播速度大于其在空气中的传播速度
8．下列说法中正确的是
A．门镜可以扩大视野是利用光的色散现象
B．光导纤维传送光信号是利用光的衍射现象
C．照相机镜头表面涂上增透膜是利用光的干涉现象
D．用标准平面检查光学平面的平整程度是利用光的偏振现象
9．光导纤维是利用光的全反射来传输光信号的如图所示，一光导纤维内芯折射率为，外层折射率为，一束光信号与界面夹角由内芯射向外层，要在界面发生全反射，必须满足的条件是
A．，小于某一值 B．，大于某一值
C．，大于某一值 D．，小于某一值
10．光纤通信是一种现代化通信手段，光导纤维传递光信号的物理原理是（　　）
A．光的全反射 B．光的衍射
C．光的干涉 D．光的折射
11．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，如图所示，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n2。在入射端，光脉冲宽度（即光持续时间）为，在接收端光脉冲宽度（即光持续时间）为，且，则（　　）
A．为了保证光脉冲不从外套“漏”出，内芯和包套材料折射率的关系应满足：n1B．内芯材料的折射率n1越大，光脉冲将越不容易从外套“漏”出
C．为了尽可能减小和的差值，应该选用波长更短的光
D．光在内芯与包套界面处的临界角
12．夏天，海面上下层空气的温度比上层空气的温度低。可以设想海面上的空气是由折射率不同的许多水平气层组成的。景物发出的光线由于不断被折射，越来越偏离原来的方向、人们逆着光线看去就出现了蜃景。则下列说法正确的是（　　）
A．蜃景是景物由于海平面对光的反射所成的像
B．海面上上层空气的折射率比下层空气的折射率大
C．海市蜃楼是光在密度不均匀的空气中传播时发生折射而产生的
D．海面上的蜃景，成正立的像，位置在实物的上方
13．下列有关光现象的说法错误的是（ ）
A．光学镜头上的增透膜是利用光的干涉现象
B．泊松亮斑是光的衍射现象
C．在光导纤维束内传送图象是利用了光的色散现象
D．拍摄玻璃橱窗内的物品时，往往在镜头前加装一个偏振片
14．下列说法正确的是________
A．光纤通信和医用纤维式内窥镜都是利用了光的全反射原理
B．双缝干涉实验中，若仅将入射光由紫光改为红光，则条纹间距一定变宽
C．拍摄玻璃橱窗内的物品时，往往在镜头前加装一个偏振片以增加透射光的强度
D．光从水中射入玻璃中折射角小于入射角，则光在玻璃中传播速度一定大于在水中的传播速度
E．利用红外摄影可以不受天气(阴雨、大雾等)的影响，因为红外线比可见光波长长，更容易绕过障碍物
15．下面事实与光的干涉有关的是（ ）
A．用光导纤维传输信号
B．水面上的油膜呈现彩色
C．水中的气泡显得格外明亮
D．照相机镜头在阳光下看上去呈淡紫色，是光的干涉现象
16．下列说法正确的是_________．
A．偏振光可以是横波，也可以是纵波
B．光学镜头上的增透膜利用了光的干涉现象
C．光纤通信及医用纤维式内窥镜都是利用了光的全反射原理
D．X射线在磁场中能偏转，穿透能力强，可用来进行人体透视
E．声源与观察者相对靠近时，观察者所接收的频率大于声源振动的频率
二、填空题
17．光纤通信技术是利用光导纤维传输信号，以实现信息传递的一种通信方式，某种光纤内部分为三层：中心高折射率玻璃芯，中层低折射率硅玻璃包层，外层是加强用的树脂涂层，当光从空气由光纤的端口进入内芯后，光的传播速度_________（选填“变大”“变小”或“不变”），若该种光纤的内芯在空气中发生全反射的临界角为，则内芯的折射率为___________（结果可用根号表示）。
18．电磁波谱中频率最高的是______ ，光纤通信中，光导纤维传递光信号是利用光的______ 现象，光从真空进入光导纤维后传播速度将______ 填“增大”“减小”或“不变”．
19．一台激光器，它的功率为P，如果它发射出的单色光在空气中的波长为λ。
（1）它在时间t内辐射的光能为__________，如果已知这束单色光在某介质中的传播速度为v，那么这束单色光从该介质射向真空发生全反射的临界角为__________。
（2）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信息高速传输的载体。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大______
三、综合题
20．光纤通信的主要优点是容量大、衰减小、抗干扰性强，载有声音、图像以及各种数字信号的激光从光纤的一端输入，外套就可以沿着光纤传到千里之外的另一端，实现光纤通信。如图所示，某光纤内芯半径为，折射率为，传递的信号从光纤轴线上的点射向光纤。为保证射入光纤的光信号在传输过程中发生全反射，点到光纤端面的距离必须大于某个值。
(1)若该光纤长为，求光在该光纤中传播的最短时间；
(2)若该光纤内芯半径，，假设光信号在其中传输时相对外套的临界角为，求点到光纤端面距离的最小值（已知，，）。
21．如图，在注满水的游泳池的池底有一点光源A，它到池边的水平距离为3.0 m．从点光源A射向池边的光线AB与竖直方向的夹角恰好等于全反射的临界角，水的折射率为4/3．
（i）求池内的水深；
（ii）一救生员坐在离池边不远处的高凳上，他的眼睛到地面的高度为2.0 m．当他看到正前下方的点光源A时，他的眼睛所接受的光线与竖直方向的夹角恰好为45°．求救生员的眼睛到池边的水平距离（结果保留1位有效数字）．
22．光纤在转弯的地方不能弯曲太大。如图为模拟光纤通信，将直径为d的圆柱形玻璃棒弯成圆环，已知玻璃的折射率为，光在真空中的速度为c，要使从A端垂直入射的光线能全部从B端射出。求：
①圆环内径R的最小值；
②在①问的情况下，从A端最下方入射的光线，到达B端所用的时间。
试卷第1页，共3页
参考答案：
1．B
【详解】
在光导纤维束内传送图象是利用光的全反射现象．故A错误．立体电影是应用了光的偏振现象．故B正确．眯着眼睛看发光的灯丝时能观察到彩色条纹是光的衍射现象．故C错误．照相机、望远镜的镜头表面常常镀一层透光的膜，即增透膜，光学镜头上的增透膜是利用光的干涉现象，从膜的前表面和玻璃表面反射的光相互减弱．故D错误．故选B．
2．D
【详解】
A．入射角大于临界角，不一定发生全反射，还要光从光密介质进入光疏介质才能发生全反射，故A错误；
B．当光线从从光密介质进入光疏介质时才有可能发生全反射，由n=可知，光在介质中的传播速度越大，介质折射率越小，光在介质中传播速度越小，介质的折射率越大，即光从传播速度大的介质射向传播速度小的介质时不可能发生全反射，故B错误；
C．光导纤维传输信号是利用光的全反射现象，全息照相是利用了激光相干性好的特性，运用了光的干涉现象，故C错误；
D．当光线由水或玻璃射向气泡时，由于水和玻璃的折射率均大于空气的折射率，部分光线在界面处发生全反射，所以气泡看起来特别亮，故D正确。
故选D。
3．A
【详解】
A．用光导纤维束传送图像信息，这其中应用到了光的全反射现象，选项A正确；
B．通过两支夹紧的笔杆间缝隙看发白光的灯丝能观察到彩色条纹，这是光的衍射现象，选项B错误；
C．用三棱镜观察太阳光谱是利用光的折射引起的色散现象，选项C错误；
D．肥皂泡在阳光下出现彩色条纹，这是光的干涉现象，选项D错误。
故选A。
4．D
【详解】
A．光从空气射入玻璃中，其频率不变；由得这束光的速度变小，由得这束光的波长变小，故A错误；
B．用三棱镜观察白光看到的彩色图样是利用光的折射形成的色散现象，故B错误；
C．海市蜃楼产生的原因是由于海面上上层空气的折射率比下层空气折射率小，导致光线发生全反射所致，故C错误；
D．内窥镜的连线是用光导纤维制成的，利用了光的全反射原理，故D正确；
故选D。
5．B
【详解】
A．光不从外套“漏”出，即光可在内芯与外套的界面上发生全反射，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，故内芯和外套材料折射率的关系应满足
A错误；
B．根据
可知内芯材料的折射率越大，全反射的临界角越小，越容易发生全反射，则光脉冲将越不容易从外套“漏”出，故B正确；
CD．设光纤的长度为，光沿光纤轴线传输时用时最短，光在光纤中的传播速度
则最短时间
设光从入射端的点入射时的入射角为，折射角为，在点发生全反射时的入射角反射角为，如图所示，如果，则光在光纤中的传播时间最长，此时
则光通过光纤传播的距离
所用的最长时间
故
波长越短的光的折射率越大，导致越大，的表达式与光纤的直径无关，故C、D错误。
故选B。
6．C
【详解】
一束光线由空气射入内芯，在内芯与空气的界面恰好发生全反射，设临界角为C，则光的传播方向与光导纤维的方向之间的夹角为90°-C，光通过长度为L的光导纤维时的路程为
光导纤维的折射率为n，则光在光导纤维中的传播速度
又由于
所以光的传播的时间
故C正确，ABD错误。
故选C。
7．B
【详解】
AB．激光束发生弯曲是因为光在水柱与空气界面上发生全反射，就像光导纤维一样，选项A错误，B正确；
C．仅改用折射率更大的液体，根据，则临界角较小，光束仍可在水流中发生全反射，同样能完全被限制在水流内，选项C错误；
D．根据可知，激光在水中的传播速度小于其在空气中的传播速度，选项D错误。
故选B。
8．C
【详解】
A.门镜可以扩大视野是利用了光的折射现象，故选项A错误；
B.光导纤维传送光信号是利用了光的全反射现象，故选项B错误；
C.照相机镜头表面涂上增透膜，以增强透射光的强度，是利用了光的干涉现象，故选项C正确；
D.用标准平面检查光学平面的平整程度是利用了光的干涉，故选项D错误．
9．A
【详解】
光在内芯和外层的界面上发生全反射，则内芯的折射率n1大于外层的折射率n2，由于入射角要大于等于临界角，所以α应小于某一值．故A正确，BCD错误．故选A．
10．A
【详解】
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。
故选A。
11．B
【详解】
A．发生全反射的必要条件是：光必须从光密介质摄入光疏介质，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包套材料的折射率大时，即时，光在内芯与外套的界面上才能发生全反射，故A错误；
B．内芯材料的折射率越大，光脉冲将越不容易从外套“漏”出，故B正确；
C．光脉冲宽度对应一定的波长范围，故C错误；
D．对于光由介质射入空气（或真空）的情况
而光在内芯与包套界面处临界角不等于光由内芯射入空气（或真空）的临界角，故D错误。
故选B。
12．D
【详解】
AC．蜃景是景物由于光在大气层中不停地发生全反射，从而人们逆着光线看去就出现了蜃景，故AC错误；
B．光在大气层中发生全反射，可知下层空气的折射率大于上层空气的折射率，故B错误；
D．海面上的蜃景，成正立的像，位置在实物的上方，所以又称上现蜃景，故D正确。
故选D。
13．C
【详解】
A. 增透膜是利用光的薄膜干涉现象，以消弱反射光的强度，增大透射光的强度．故A正确；
B. 当光照到不透光的小圆板上时，在光屏的阴影中心出现的亮斑叫泊松亮斑，泊松亮斑是光的衍射现象．故B正确；
C. 在光导纤维束内传送图象是利用了光的全反射现象．故C错误；
D. 拍摄玻璃橱窗内的物品时，往往在镜头前加装一个偏振片，以消除玻璃的反射光的影响．故D正确．
本题选择错误的，故选C
14．ABE
【详解】
光纤通信和医用纤维式内窥镜都是利用了光的全反射原理，选项A正确；因红光的波长较紫光大，则双缝干涉实验中，若仅将入射光由紫光改为红光，根据，则条纹间距一定变宽，选项B正确；由于玻璃的反射光是偏振光，在拍摄玻璃橱窗内的物品时，往往在镜头前加装一个偏振片以减弱反射光的强度；故C错误；光从水中射入玻璃中折射角小于入射角，则光在玻璃中的折射率较大，根据可知，光在玻璃中传播速度一定小于在水中的传播速度，选项D错误；利用红外摄影可以不受天气(阴雨、大雾等)的影响，因为红外线比可见光波长长，更容易绕过障碍物发生衍射，选项E正确；故选ABE.
15．BD
【详解】
A. 光导纤维是利用光的全反射的原理传播光信号，与光的干涉无关；选项A不合题意.
B. 光照射在水面上的油膜上光在油膜的上下两个表面分别发生反射，两列反射光在油膜的上表面发生薄膜干涉形成彩色干涉条纹，故与光的干涉有关；选项B符合题意.
C. 光从水或玻璃射到气泡中时，由于一部分射到气泡界面上的光发生了全反射，所以气泡看起来特别明亮；选项C不合题意.
D. 照相机的镜头呈现淡紫色是光的干涉现象，因为可见光有“红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫”七种颜色，而膜的厚度是唯一的，所以只能照顾到一种颜色的光让它完全进入镜头，一般情况下都是让绿光全部进入的，这种情况下你在可见光中看到的镜头反光其颜色就是蓝紫色，因为这反射光中已经没有了绿光，这是光的干涉现象；选项D符合题意．
16．BCE
【详解】
A．偏振是横波是特有现象，光的偏振现象说明光的横波，故A错误；
B．光学镜头上的增透膜的原理是利用了膜的上表面和玻璃表面反射的光而发生干涉，故B正确；
C．光导纤维传输信号及医用纤维式内窥镜都是利用光的全反射现象，故C正确；
D．用X光机透视人体是利用X光的穿透性，但在磁场中不能偏转，因其不带电，故D错误；
E．根据多普勒效应可知，声源与观察者相对靠近，观察者所接收的频率大于声源发出的频率，故E正确。
故选BCE。
17． 变小
【详解】
根据，内芯里面光传播的速度小于空气中传播的速度，因此光的传播速度变小。
根据，得
18． γ射线； 全反射； 减小
【详解】
电磁波谱中频率最高的是γ射线，光纤通信中，光导纤维传递光信号是利用光的全反射现象，光从真空进入光导纤维后传播速度将减小．
19．
【详解】
（1）激光器t时间内发出的光能
W＝Pt
由，，则
（2）设激光束在光导纤维端面的入射角为i，折射角为r，折射光线射向侧面时的入射角为i′，折射角为r′，如图所示
由折射定律，由几何关系
由全反射临界角的公式
要保证从端面射入的任何光线都能发生全反射，应有，。故
解得
故光导纤维的折射率至少应为。
20．(1)；(2)
【详解】
(1)光在光纤中沿直线传播时，所需时间最短，光在光纤中传播的速度
则最短时间
(2)如图所示
设光照射在光纤端面的点时，入射角为，折射角为，光线进入光纤后照射在点，入射角为，所求的最小距离为。根据折射定律有
又由几何关系可得
当点接近光纤边缘时，角最大，角最小，若此时恰能发生全反射，则有
，
联立并代入数据解得
21．（i） （ii）0.7 m
【详解】
（i）如图，设达到池边的光线的入射角为i．依题意，水的折射率n=，光线的折射角θ=90°．
由折射定律有
nsin i=sinθ①
由几何关系有
sin i=②
式中，l=3 m，h是池内水的深度．联立①②式并代入题给数据得
h=m≈2．6 m③
（ii）设此时救生员的眼睛到池边的距离为x．依题意，救生员的视线与竖直方向的夹角为θ'=45°．由折射定律有
nsin i'=sin θ' ④
式中，i'是光线在水面的入射角．设池底点光源A到水面入射点的水平距离为a．由几何关系有
sin i'=⑤
x+l=a+h' ⑥
式中h'=2 m．联立③④⑤⑥式得
x=(3–1)m≈0．7 m⑦
22．①；②
【详解】
①从A端最下方入射的光线发生全反射时其他光线均发生全反射，由几何关系得
设全反射临界角为C，则要使A端垂直入射的光线全部从B端射出，必须有
根据临界角公式有
因此有
由以上得
解得
②在①问的情况下
光在光纤内传播的总路程为
光在光纤内传播速度为
所以所求时间为
答案第1页，共2页