宁阳第四中学2019-2020学年高中物理鲁科版选修3-4：4.3光导纤维及其应用 同步练习（含解析）

4.3光导纤维及其应用
1．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
2．华裔科学家高锟因在“有关光导纤维用于光学通信方面”取得了突破性成就而获得2009年诺贝尔物理学奖。利用光导纤维进行光纤通信所依据的原理是（　　）
A．光的全反射
B．光的折射
C．光的干涉
D．光的色散
3．关于光的传播现象及应用，下列说法正确的是（
）
A．一束白光通过三棱镜后形成了彩色光带是光的色散现象
B．光导纤维丝内芯材料的折射率比外套材料的折射率大
C．海面上的海市蜃楼将呈现倒立的像，位置在实物的上方，又称上现蜃景
D．一束色光从空气进入水中，波长将变短，色光的颜色也将发生变化
4．如图中方框区域内有一个位置可以任意摆放的全反射棱镜，其横截面是等腰直角三角形，光线1、2、3、4表示的是入射光线，经过棱镜后，相应的出射光线是、、、下图4种情况中，哪些是可能实现的（
）
A．
B．
C．
D．
5．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化开是光导纤维，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．已知光在真空中的传播速度为c，则下列说法正确的是（
）
A．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sini≥
B．光线从玻璃丝的AB端面传播到另一端面所需的时间与AB端面的入射角有关，入射角越大，传播时间越长
C．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
D．只要光导纤维的折射率满足一定的要求，则无论AB端面的入射角怎样变化，光线都可在光纤与空气的界面上发生全反射
6．光纤是现代通信普遍使用的信息传递媒介，现有一根圆柱形光纤，光信号从光纤一端的中心进入，并且沿任意方向进入的光信号都能传递到另一端。下列说法正确的有（
）
A．光从空气进入光纤时传播速度变小
B．光导纤维利用了光的偏振原理
C．光导纤维利用了光的全反射原理
D．光纤材料的折射率可能为1.2
E.光纤材料的折射率可能为
7．光纤是现代通讯普遍使用的信息传递媒介，现有一根圆柱形光纤，光信号从光纤一端的中心进入，并且沿任意方向进入的光信号都能传递到另一端。下列说法不正确的有________。
A．光导纤维利用了光的干涉原理
B．光导纤维利用了光的偏振原理
C．光导纤维利用了光的全反射原理
D．光纤材料的折射率可能为1.2
E.光纤材料的折射率可能为
8．下列说法正确的是（　　）
A．太阳光通过三棱镜形成彩色光谱，这是光的干涉的结果
B．用光导纤维传送图像信息，这是光的全反射的应用
C．当驱动力的频率等于系统固有频率时，受迫振动的振幅最大
D．两列波相叠加产生干涉现象，则振动加强区域与减弱区域交替变化
E.若声源向观察者靠近，则观察者接收到的频率大于声源发出的声波频率
9．在光纤制造过程中，由于拉伸速度不均匀，会使得拉出的光纤偏离均匀的圆柱体，而呈现圆台形状如图所示．已知此光纤长度为L，圆台对应底角为，折射率为n，真空中光速为c．现光从下方垂直射入下台面，则　　
A．光从真空射入光纤，光子的频率不变
B．光通过此光纤到达小截面的最短时间为
C．从上方截面射出的光束一定是平行光
D．若满足，则光在第一次到达光纤侧面时不会从光纤侧面射出
10．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
11．下列说法正确的是_____（填正确答案标号）
A．红光由空气进入水中，波长变短，颜色不变
B．夜晚人们看到的天上星星的位置总比其实际位置低
C．白光通过三棱镜后在屏上出现彩色条纹是光的一种干涉现象
D．红光在玻璃砖中的传播速度比紫光在玻璃砖中的传播速度大
E.光纤通信利用了全面反射原理，光纤由內芯和外套两层组成，內芯的折射率大于外套的折射率
12．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”．
13．图是一段长为L的直线段光导纤维内芯，一单色光从左端面射入光纤，已知光纤对该单色光的折射率为n，光在真空传播速度大小为c。
①求该单色光在光纤中传播的最短时间？
②已知光纤对该单色光的折射率，当该单色光以入射角从左端面射入，求此单色光从左端面传播到右端面所用的时间。
参考答案
1．D
【解析】
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。
2．A
【解析】
光导纤维进行光学通信利用光在不停地发生全反射，故A正确，BCD错误。
3．AB
【解析】
A．白光是由七种单色光组成的，一束白光通过三棱镜后由于三棱镜对不同色光的折射率，偏折角不同，从而形成了彩色光带，这是一种光的色散现象，故A正确；
B．光导纤维是利用全反射原理制成的，对照全反射的条件可知内芯材料的折射率比外套材料的折射率大，才能发生全反射，故B正确；
C．海面上的海市蜃楼将呈现正立的像，位置在实物的上方，又称上现蜃景，故C错误；
D．光从一种介质进入另一种介质时，光的频率不变，即光的颜色不发生变化，故D错误。
故选AB。
4．ABC
【解析】
A.将全反射棱镜如图放置，可满足要求，选项A正确；
B.
将全反射棱镜如图放置，可满足要求，选项B正确；
C.
将全反射棱镜如图放置，可满足要求，选项C正确；
D.
全反射棱镜对光路有两种控制作用：将光的传播方向改变90°，或是改变180°，而没有会聚光线的作用，选项D选项错误。
5．BCD
【解析】
试题分析：根据折射定律求入射角的条件，利用全反射的条件和运动学知识求光线传播所用的最长时间．
解：A、设激光束在光导纤维端面的入射角为i，折射角为α，折射光线射向侧面时的入射角为β，要保证不会有光线从侧壁射出来，其含义是能在侧壁发生全反射．
由折射定律：n=
由几何关系：α+β=90°，sinα=cosβ
恰好发生全反射临界角的公式：sinβ=，得cosβ=
联立得sini=，故A错误；
要保证从端面射入的光线能发生全反射，应有sini≤
BC、光在玻璃丝中传播速度的大小为v=
光速在玻璃丝轴线方向的分量为vz=vsinβ
光线从玻璃丝端面AB传播到其另一端面所需时间为T=
光线在玻璃丝中传播，在刚好发生全反射时，光线从端面AB传播到其另一端面所需的时间最长，
联立得Tmax=，故BC正确；
D、根据全反射条件，当光导纤维的折射率满足一定的要求，则无论AB端面的入射角怎样变化，光线都可在光纤与空气的界面上发生全反射，故D正确；
故选BCD．
【点评】考查了折射定律和全反射的条件，并对于几何光学问题作出光路图，正确的确定入射角和折射角，并灵活运用折射定律是解题的关键．
6．ACE
【解析】
A．根据可知，光从空气进入光纤时传播速度变小，故A正确；
BC．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B错误，C正确；
DE．光的入射角为i，折射角为r，根据折射定律得＝n，当入射角i趋于时，折射角r最大，此时光在内侧面的入射角最小，只要能保证此时光在侧面恰好发生全反射，即能保证所有入射光都能发生全反射，即
sin(－r)＝
联立可得
n＝
只要折射率大于或等于就能使所有的光都能发生全反射，故E正确，D错误。
故选ACE。
7．ABD
【解析】
ABC．光导纤维利用了光的全反射原理，A、B错误，符合题意，C正确，不符合题意；
DE．设光的入射角为i，折射角为r，根据折射定律得：
＝n
当入射角i趋于90°时，折射角r最大，此时光在内侧面的入射角最小，只要能保证此时光在侧面恰好发生全反射，即能保证所有入射光都能发生全反射，即
sin(90°－r)＝
联立可得
n＝
只要折射率大于或等于就能使所有的光都能发生全反射，E正确，不符合题意，D错误，符合题意；
故选ABD。
8．BCE
【解析】
A.
太阳光通过三棱镜形成彩色光谱，这是光的色散的结果，故A错误；
B.
用光导纤维传送图像信息，这是光的全反射的应用，故B正确；
C.
由共振得概念可知，当驱动力的频率等于系统固有频率时，受迫振动的振幅最大，故C正确；
D.
两列波相叠加产生干涉现象，则振动加强区域与减弱区域稳定不变，故D错误；
E.由多普勒效应可知，若声源向观察者靠近，则观察者接收到的频率大于声源发出的声波频率，故E正确。
故选BCE。
9．AD
【解析】
A、光子的频率由光源决定，与介质无关，所以光从真空射入光纤，光子的频率不变；故A正确．
B、光通过此光纤到达小截面的最短距离为L，光在光纤中的传播速度，则光通过此光纤到达小截面的最短时间为；故B错误．
C、通过光纤侧面全反射后再从上方截面射出的光束与垂直射出上方截面的光束不平行；故C错误．
D、设临界角为C，则到达光纤侧面光线入射角等于，当，即有，则光在第一次到达光纤侧面时发生全反射，不会从光纤侧面射出；故D正确．
故选AD．
【点睛】
解决本题的关键是掌握全反射现象的条件和临界角公式，结合几何知识进行分析．要注意光的频率与介质无关，而光速与介质有关．
10．ABE
【解析】
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。
11．ADE
【解析】
A.根据，红光由空气进入水中，波长变短，但颜色不变，故A正确；
B.根据光的折射的原理可知，星星发射的光在进入地球的大气时，由折射率小的密度小的高考进入时，折射光线向法线靠近，所以夜晚人们看到的天上星星的位置总比其实际位置高．故B错误；
C.白光通过三棱镜后在屏上出现彩色条纹是光的折射造成的色散现象，选项C错误；?
D.红红光的折射率比紫光小，根据可知，红光在玻璃砖中的传播速度比紫光在玻璃砖中的传播速度大，选项D正确；
E.光纤通信利用了全面反射原理，光纤由內芯和外套两层组成，內芯的折射率大于外套的折射率，从而使得光线能在光纤内部发生全反射，选项E正确；故选ADE.
12．γ射线；
全反射；
减小?
【解析】
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．
13．(1)
（2）
【解析】（1）当光线垂直于左侧面入射时，光传播的路径最短x=L
①
由
得光在光纤中传播速度大小为
②
光在光纤传播的最短时间为
③
联解得
④
（2）由于，得
⑤
该单色光在光纤中中的路程
⑥
传播时间
⑦
由②⑥⑦得，