2024鲁科版高中物理选择性必修第一册同步练习--第4节　光导纤维及其应用

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2024鲁科版高中物理选择性必修第一册同步
第4章　光的折射和全反射
第4节　光导纤维及其应用
基础过关练
题组一　光导纤维的构造、原理
1.关于光纤的说法,正确的是 (　　)
A.光纤是由高级金属制成的,所以它比普通电线容量大
B.光纤是非常细的特制玻璃丝,但导电性能特别好,所以它比普通电线衰减小
C.光纤是非常细的特制玻璃丝,由内芯和外套两层组成,光纤是利用全反射原理来实现光的传导的
D.在实际应用中,光纤必须呈笔直状态,因为弯曲的光纤是不能传导光的
2.光纤通信采用的光导纤维是由内芯和外套组成,如图所示,其中内芯的折射率为n1,外套的折射率为n2,下列说法正确的是　 (　　)
A.内芯和外套的折射率应满足n1>n2
B.内芯和外套的折射率应满足n1C.从左端面入射的光线,其入射角θ必须大于某值,全部光才能被传导
D.从左端面入射的光线,其入射角θ必须小于某值,全部光才能被传导
题组二　光导纤维的实际应用分析
3.(2022山东临沭第一中学阶段练习)如图所示为一光导纤维的示意图。光纤内芯的折射率为n(n>1.1),外套的折射率为1.1。已知光在内芯和外套界面发生全反射时的临界角为C,且sin C=。为使光在内芯和外套界面发生全反射,光在光纤一端端面由空气直接射入内芯时的入射角θ应满足 (　　)
A.sin θ≤
C.sin θ≤
4.(2023山东莱州第一中学模拟预测)光导纤维可简化为长玻璃丝,直径只有几微米到一百微米,很细且可以弯折一定程度。如图所示将一半径为r的圆柱形光导纤维,做成外半径为R的半圆形,一细光束由空气中从纤维的左端面圆心O1点射入,入射角α=53°,已知光导纤维对该光的折射率为,sin 53°=0.8,sin 37°=0.6。要使从左端面射入的光能够不损失地传送到半圆形光导纤维的另一端,外半径R需满足的条件为 (　　)
A.R≥4r　　　B.R≥16r　　　C.R≤16r　　　D.R≤4r
5.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,求:(c=3×108 m/s)(结果保留两位有效数字)
(1)该激光在光导纤维中的速度v。
(2)该激光在光导纤维中传输所用的时间。
答案与分层梯度式解析
第4章　光的折射和全反射
第4节　光导纤维及其应用
基础过关练
1.C 2.AD 3.A 4.B
1.C　光导纤维的作用是传导光,它是直径为几微米到几十微米之间的特制玻璃丝,且由内芯和外套两层组成,内芯的折射率比外套的大。当载有声音、图像等信号的激光在光导纤维内传播时,在内芯和外套的界面上发生全反射。光纤具有容量大、衰减小、抗干扰性强等特点。在实际应用中,光纤是可以弯曲的,故选C。
2.AD　光纤通信是利用了光的全反射原理,光只有从光密介质进入光疏介质中时,才能发生全反射,因而内芯和外套的折射率应满足n1>n2。从题图中看由左端面入射的光线,其入射角越小,进入介质后,在内芯与外套的界面上入射角越大,越易发生全反射,故A、D正确。
3.A　若光在内芯和外套界面恰能发生全反射,则在端面入射时,有=n,在内芯与外套发生全反射时,有
sin (90°-α)=sin C=
解得sin θ=
则光在光纤一端端面由空气直接射入内芯时的入射角θ应满足sin θ≤,故选A。
4.B　由n=,代入数据得β=37°,设在光导纤维中发生全反射的临界角为C,若光不损失应满足γ≥C,即sin γ≥sin C=,如图所示,由正弦定理可得,联立解得R≥16r,故选B。
5.答案　(1)2.1×108 m/s　(2)2.7×10-8 s
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°,因此会发生全反射。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。
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