高二物理粤教版（2019）选择必修二 4.3光的全反射与光纤技术 课时作业（含解析）

4.3光的全反射与光纤技术
一、单选题
1．已知半圆形玻璃砖的折射率为，圆心为O，光射到玻璃砖与空气的界面上，能发生全反射的是（　　）
A．如图甲所示，光以50°的入射角从玻璃砖射向空气
B．如图乙所示，光以40°的入射角从玻璃砖射向空气
C．如图丙所示，光以50°的入射角从空气射向玻璃砖
D．如图丁所示，光以40°的入射角从空气射向玻璃砖
2．光线从空气射入某介质，入射光线和界面的夹角为45，反射光线和折射光线的夹角为105，由此可知
A．该介质的折射率为 B．光在这种介质中的传播速度为×108m/s
C．光线从空气射入介质时，入射角大于45会发生全反射 D．光线从空气射入介质时，最大折射角不超过45
3．如图所示，某种单色光从光导纤维左端射入，经过多次全反射后从右端射出。已知该单色光在光导纤维中的折射率为n，则该单色光从右端射出时出射角的正弦值最大为（　　）
A． B．n C． D．
4．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小，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大，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
5．如图所示，水面下1.5m处的M点水面有一点光源，点光源以M点为中心上下做简谐运动，其振动方程为，水面上发光区域的面积时大时小，设水的折射率为，则下列说法正确的是（　　）
A．从点光源发出的光子到达水面的最短时间和最长时间之比为1：2
B．从点光源发出的光子到达水面的最短时间和最长时间之比为1：3
C．发光区域的最小面积和最大面积之比为1：2
D．发光区域的最小面积和最大面积之比为1：4
6．目前，移动和电信公司都升级了200M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，下面是某种单色光在光纤中的传播路径经过多次全反射后从右端射出。若该介质的折射率为，则关于的大小，下列判断正确的是（　　）
A．<60° B．<30°
C．>30° D．<30°
7．一半圆形玻璃砖，C点为其球心，直线与玻璃砖左侧表面垂直，C为垂足，如图所示。与直线平行且到直线距离相等的两条不同频率的细光束从空气射入玻璃砖，折射后相交于图中的P点，以下判断正确的是（　　）
A．a光的频率比b光的频率高
B．a光比b光在玻璃砖中传播速度大
C．在真空中a光的波长等于b光的波长
D．若a光、b光从玻璃砖中射入真空时，发生全反射时的临界角小于
8．如图所示，红光对一长方体透明介质的折射率为1.8，一红色细光束以入射角射到AB面上的P点。若AD足够长，下列说法正确的是（　　）
A．当足够大时，在P点将发生全反射
B．当足够大时，光可以从AD面向外射出
C．当足够小时，光可以从AD面向外射出
D．无论多大，光都不能从AD面向外射出
二、多选题
9．如图所示，甲、乙两块透明介质，折射率不同，截面为圆周，半径均为，对接成半圆。一光束从点垂直射入甲中，，在点恰好发生全反射，从乙介质D点（图中未画出）射出时，出射光线与BD连线间夹角为15°。已知光在真空中的速度为，则有（　　）
A．乙介质的折射率为 B．甲介质的折射率为
C．光由到传播的时间为 D．光由到传播的时间为
10．现有一三棱柱工件，由透明玻璃材料组成，如图所示，其截面ABC为直角三角形，∠ACB=30°。现有一条光线沿着截面从AC边上的O点以45°的入射角射入工件，折射后到达BC边发生全反射，垂直AB边射出。已知CO=AC=L，下列说法正确的是 （　　）
A．光线在AC边的折射角为30°
B．该透明玻璃的折射率为2
C．该光线在透明玻璃材料中发生全反射的临界角为45°
D．光线在BC边的入射角为30°
11．关于光的全反射和光纤的应用，下列说法正确的是（ ）
A．光由不同介质射入真空或空气时临界角不同
B．入射角大于临界角，不一定发生全反射
C．玻璃是光密介质
D．光纤通信是光导纤维的唯一应用
E．光导纤维的工作原理是光的全反射
12．如图所示，一细束复色光(由两种单色光组成)沿PO射向半圆形玻璃砖的圆心O，观察到反射光线和折射光线分别为OQ、OR，下列判断正确的是（ ）
A．OR定是单色光
B．OQ可能是单色光
C．从OR射出的光的频率较大
D．从OR射出的光的波长较大
E．若增大入射光线PO与法线间的夹角即增大入射角，折射光线OR可能消失
三、解答题
13．当光从水中射向与玻璃的交界面时，只要入射角足够大就会发生全反射，这种说法正确吗？为什么？
14．一块用折射率n＝2的玻璃制作的透明体acb，其横截面如图所示，ab是半径为R的圆弧，ac与bc边垂直， ，底边bc是黑色的，不反射光。当一束黄色平行光垂直照射到ac时，ab部分的外表面只有一部分有黄色光射出，求有光射出部分的弧长。
15．如图所示，圆心为O、半径为R的半圆形玻璃砖置于水平桌面上，光线从P点垂直界面入射后，恰好在玻璃砖圆形表面发生全反射；当入射角时，光线从玻璃砖圆形表面出射后恰好与入射光平行。已知真空中的光速为c，求：
（1）之间的距离；
（2）当入射角时，光在玻璃中的传播时间。
参考答案：
1．A
【详解】AB.光从玻璃砖射向空气恰发生全反射的临界条件满足
由于
光以50°的入射角从玻璃砖射向空气，可以发生全反射，光以40°的入射角从玻璃砖射向空气，不能发生全反射，故A正确，B错误；
CD．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或等于临界角，所以光从空气射向玻璃砖不会发生全反射，故CD错误。
故选A。
2．D
【详解】A.根据几何关系可得
入射角为，折射角为，所以折射率
A错误；
B.根据
解得
，
B错误；
C.全反射需要从光密介质设向光疏介质，从空气射入介质，不会发生全反射，C错误；
D.光线从空气射向介质时，折射角随入射角的增大而增大，当入射角为90°时，由折射定律此时
解得
故
即光线从空气射入介质时，最大折射角不超过45，D正确。
故选D。
3．A
【详解】设介质中发生全反射的临界角为α，如图，由全反射定律得，经过多次全反射后从右端射出，入射角和折射角满足
联立解得
4．B
【详解】AB．当内芯的折射率比外套的大时，光传播时在内芯与外套的界面上才能发生全反射，A错误，B正确；
CD．波长越短的光，频率越大，介质对它的折射率n越大，根据公式，光在光纤中传播的速度越小，CD错误。
故选B。
5．D
【详解】AB．设光从水中射入空气时发生全反射的临界角为C，由
解得
由于点光源在竖直方向上做简谐运动，故点光源位于波峰时，距水面的距离最小为，此时点光源发出的光子垂直到达水面所用时间最短，最短时间
当点光源位于波谷，即距水面距离时，光源发出的光子沿与水平面成角的方向到达水面所用时间最长，最长时间
故点光源发出的光子到达水面的最短时间和最长时间之比
故AB错误；
CD．由几何关系得发光区域的最小半径
发光区域的最小面积
发光区域的最大半径
发光区域的最大面积
所以发光区域的最小面积和最大面积之比为1：4，故C错误，D正确。
故选D。
6．C
【详解】AB．根据全反射的条件可知，，而
则
C=60°
则
>60°
选项AB错误；
CD．光线从端点能射出，则由
其中i<90°
解得
>30°
选项C正确，D错误。
故选C。
7．B
【详解】A．由题分析可知，玻璃砖对b束光的折射率大于对a束光的折射率，则b光的频率高，故A错误；
B．由可知，由于玻璃砖对b束光的折射率大于对a束光的折射率，则a光比b光在玻璃砖中传播速度大，故B正确；
C．玻璃砖对b束光的折射率大于对a束光的折射率，则b光的频率高，由c=λf得知，在真空中，a光的波长大于b光的波长，故C错误；
D．由可知，a光的折射率小，则a光发生全反射的临界角大于b光，故D错误。
故选B。
8．D
【详解】A．在P点时，光由空气射向介质，不可能发生全反射，选项A错误；
BCD．在P点由光的折射定律
设光射到AD面上时的入射角为i，则
则无论θ多大，光线在AD面一定能发生全反射，即光都不能从AD面向外射出，选项BC错误，D正确。
故选D。
9．AC
【详解】AB．如图
由几何关系知，甲介质中，临界角为45°，有
解得
乙介质中，光束在D点发生折射，入射角，折射角，可得乙介质折射率为
故A正确；B错误；
CD．光在甲介质中传播速度为
光在甲介质中传播距离为
光在甲介质中传播时间为
光在乙介质中传播速度为
光在乙介质中传播距离为
光在乙介质中传播时间为
光由到传播的时间为
故C正确D错误。
故选AC。
10．AC
【详解】A．画出光路图，如图所示，由图中几何关系可知光线在AC边的折射角为30°，故A正确;
B．光线在O点的入射角为45°，折射角为30°，由折射定律有
n==
故B错误；
C．由
sin C=
可得发生全反射的临界角
C=45°
故C正确；
D．根据图中几何关系可知，光线在BC边的入射角为60°，故D错误。
故选AC。
11．ABE
【详解】A.不同介质的折射率不同，所以光由不同的介质射入真空或空气时临界角不同，故选项A符合题意；
B.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，故选项B符合题意；
C.光疏介质、光密介质是相对的，只有一种介质不能说是光疏介质还是光密介质，故选项C不合题意；
D.光纤通信是光导纤维的主要应用，光导纤维还可应用到内窥镜、潜望镜等，故选项D不合题意；
E.光导纤维的工作原理是光的全反射，故选项E符合题意．
12．ADE
【详解】AC．折射光线只有一条，一定是临界角较大的，折射率较小的，即频率较低的单色光，故A正确，C错误；
B．不同颜色的光入射角相同，反射角相同，OQ一定是复色光，故B错误；
D．根据，OR光频率较低，波长较长，故D正确；
E．增大入射光线PO与法线间的夹角即增大入射角，大于OR光的临界角时，折射光线OR就会消失，故E正确。
故选ADE。
13．继续
【详解】不正确，要发生全反射必须是光从光密介质射向光疏介质．而水相对玻璃是光疏介质，所以不管入射角多大都不可能发生全反射
14．
【详解】设黄光的临界角为C，则
解得
所以，有光射出部分的圆弧所对应的圆心角也是，对应圆弧的长度为
15．（1）；（2）
【详解】光路如图所示
（1）当入射角时，光线从玻璃砖圆形表面出射后恰好与射光平行，所以出射点在点正上方。
设之间的距离为d，则垂直入射时有
当入射角时，有
联立解得
（2）光在玻璃中的传播速度
当入射角时光在玻璃中传播的时间
解得