4.4光导纤维及其应用(教学课件）(共24张PPT)——高中物理鲁科版（2019）选择性必修第一册

(共24张PPT)
第四章 光的折射和全反射
第四节 光导纤维及其应用
新课导入
物理学家提出用光导纤维实现高效传输信息的设想，由此引发了一场光纤通信的革命，推动了高速互联网等现代通信的发展。光导纤维是什么？为何能高效传输信息？
1.初步了解光导纤维原理及光纤技术对社会经济生活的重大影响
2.认识光纤技术对经济、社会、生活的重大影响,体会科学技术对社会进步的作用
学习目标
情境导入
1966 年，33 岁的华裔科学家高锟提出：光通过直径仅几微米的玻璃纤维就可以用来传输大量信息。高锟因此获得 2009 年诺贝尔物理学奖。根据这一理论制造的光导纤维（optical fiber）已经普遍应用到通信领域。这其中就用到了全反射原理。
高锟
如图，激光笔发出的光射入一根弯曲的有机玻璃棒的一端，观察光传播的路径有什么特点。
光导纤维的工作原理
新课讲解
光纤一般由折射率较高的玻璃内芯和折射率较低的外层透明介质组成。光在光纤内传播时，由光密介质(n1)入射到光疏介质(n2)，若入射角i ≥ C，光会在光纤内不断发生全反射。
光会在光纤中从一端传到另一端，不会在中途漏射出来
新课讲解
实际上，光纤材料的折射率是多层渐变的
通常把若干根光纤集成一束，制成光缆
光纤通信
新课讲解
光纤通信是光纤的一个重要应用。光纤通信中，先将传送的信息转换为光信号，通过光纤将光信号传输到接收端，接收端再将光信号还原为原信息
新课讲解
光纤的应用
光导纤维的用途很大，医学上将其制成内窥镜，用来检查人体内脏的内部。
实际的内窥镜装有两组光纤，一组把光传送到人体内部进行照明，另一组把体内的图像传出供医生观察。
新课讲解
光纤通信
光导纤维
光导纤维的主要优点是传输容量大.此外，光纤传输还有衰减小、抗干扰性及保密性强等多方面的优点.
本课小结
1
实际上是非常细的特质玻璃丝
当堂检测
1.光纤已经被广泛应用于我们的生产和生活中，比如内窥镜、光纤通信等。光纤的结构如图所示，其中纤芯和包层是由折射率不同的两种材料制成的。已知光在真空中的传播速度为 ，下列说法正确的是( )
A.光纤是利用光的衍射原理
B.纤芯的折射率比包层的折射率大
C.光信号是在包层中传播的
D.光信号在光纤中的传播速度为
B
解析：A.光纤是利用光的全反射原理，选项A错误；B.根据发生全发射的条件可知，光线必须要从光密介质射向光疏介质，则纤芯的折射率比包层的折射率大，选项B正确；C.光信号是在纤芯中传播的，选项C错误；D.光信号在光纤中的传搔速度小于真空中的光速 ，选项D错误，故选B。
2.光导纤维的结构如图所示，其内芯和外套材料不同，光在内芯中传播.以下关于光导纤维的说法正确的是( )
A.内芯的折射率比外套大，光传播时在内芯与外套的界面发生全反射
B.内芯的折射率比外套小，光传播时在内芯与外套的界面发生全反射
C.内芯的折射率比外套小，光传播时在内芯与外套的界面发生折射
D.内芯的折射率与外套相同，外套的材料有韧性，可以起保护作用
A
解析：发生全反射的条件是光由光密介质射入光疏介质，所以内芯的折射率大，且光传播在内芯与外套的界面上发生全反射。故选A。
3.（多选）一根实际的光导纤维从内到外一般由纤芯、包层、涂层和护套四部分组成，光信号在纤芯中传播。如图所示，一束复色光以入射角i从空气射入一段圆柱状光纤的纤芯后分成了a、b两束单色光，已知i = 45°，下列说法中正确的是( )
A.纤芯的折射率小于包层的折射率
B.a光在光纤内的传播速度大于b光的传播速度
C.a光在光纤中传播的时间比b光短
D.入射角i越小，a、b光各自在光纤中传播的时间越长
BC
解析：A.因在纤芯发生全反射，可知纤芯的折射率大于包层的折射率，故A错误；
B.由图可知，在光导纤维内，a光的折射程度较小，则a光的折射率较小，根据可知，a光的传播速度大于b光的传播速度，故B正确；
C.设光射入纤芯的折射角为θ，光纤长度为L，则光的路程为
又 ， 可知光在光纤中传播的时间为
由题意可知 ，因为a光的折射角大于b光的折射角，所以a光在光纤中传播的时间比b光短，故C正确；
D.在发生全反射的条件下，i越小，则光在端面上的折射角越小，射到纤芯和包层的交界面上的入射角越大（设为α），则a、b光在纤芯中的传播时间 则t越小，故D错误。
4.光纤通讯中信号传播的主要载体是光纤，它的结构如图甲所示。一束激光由光导纤维左端的点O以 的入射角射入一直线光导纤维内，恰好在光导纤维的侧面（侧面与过O的法线平行）发生全反射，如图乙所示。下列说法中正确的是( )
A.光纤内芯的折射率比外套的小
B.频率越大的光在光纤中传播的速度越小
C.光从左端空气中进入光纤内芯后，其频率变大
D.
B
解析：A.激光在内芯和外套的界面上发生全反射，所以内芯是光密介质，外套是光疏介质，即光纤内芯的折射率比外套的大，故A错误；
B.频率越大的光，介质对它的折射率越大，根据 可知光在光纤中传播的速度越小，故B正确；
C.光从左端空中进入光纤内芯后，波长和波速会发生变化，但频率和周期不变，故C错误；
D.根据折射定律 根据全反射公式
解得
故 ，故D错误。
故选B。
5.某工厂研发了一种室内光纤照明系统，如图甲所示，主要材料为塑料光纤。这种光纤由聚苯乙烯等作为芯层材料，氟塑料等作为皮层材料，具有质轻、柔软、光传导能力大的特点。图乙是光纤中光传导的原理示意图。下列说法正确的是( )
A.光在该光纤中的传播速率大于在真空中的速率，以便于快速传播
B.光在该光纤中利用全反射现象减小传输中的损耗，实现良好照明效果
C.为保证光全被约束在纤芯中，芯层材料的折射率需小于皮层材料的折射率
D.为保证光全被约束在纤芯中，光进入光纤时的入射角只能是90°
B
解析：A.由 ，可知光在该光纤中的传播速率小于在真空中的速率，故A错误；B.光在该光纤中利用全反射现象减小传输中的损耗，实现良好照明效果，故B正确；C.为保证光全被约束在纤芯中，芯层材料的折射率需大于皮层材料的折射率，才能保证光从芯层材料射向皮层材料时，发生全反射，故C错误；D.由C选项分析可知，光进入光纤时的入射角没有特殊要求，故D错误。故选B。
谢谢