山东省寿光中学2019-2020学年鲁科版选修3-4：4.3光导纤维及其应用 跟踪训练（含解析）

4.3光导纤维及其应用
1．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），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Δt，在接收端光脉冲宽度（即光持续时间）为Δt’,
Δt’>Δt
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Δt’和Δt的差值，应该选用波长更短的光
D．为了尽可能减小Δt’和Δt的差值，应该减小光纤的直径
2．生活中有很多光现象，以下关于对光现象的解释说法不正确的是　　
A．我们看到水中的筷子弯折是光的折射现象
B．在光导纤维束内传送图象是利用光的全反射现象
C．水中的气泡特别明亮是光的干涉现象
D．小孔成像是利用光的直线传播
3．地表风速的大小对我们的生产生活有着很大的影响，所以我们经常会在铁路沿线、码头、建筑、索道、气象站、养殖场等处看到风速仪，它们能够实时进行数据收集并智能传送，其基本结构如图1所示。光源发出的光经光纤传输，被探测器接收。在风力作用下，风杯绕转轴以正比于风速（）的速率（）旋转，其关系为。风杯旋转会通过齿轮带动下面的凸轮圆盘旋转，当圆盘上的凸轮经过透镜系统时光被挡住。已知风杯与转轴距离为r，风杯每转动n圈带动凸轮圆盘转动一圈。计算机对探测器接收到的光强变化情况进行分析，就能得到风速的大小。在时间内探测器接收到的光强随时间变化的关系如图2所示。下列说法正确的是
A．光纤材料内芯的折射率小于外套的折射率
B．风杯旋转的角速度小于凸轮圆盘的角速度
C．在时间内，风速逐渐增大
D．在时间内，风的平均速率为
4．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，它的导电性能特别好
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
5．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
6．公路交通标志牌是由基板和附着在基板上的反光膜组成，反光膜一般由镀在玻璃微珠上的铝层组成，夜间能将汽车射来的灯光反射回去，使司机看清交通标志．交通标志牌的结构示意图如图，这种交通标志牌的原理是(　　)
A．利用了光的反射
B．利用了光的折射
C．利用了光的色散
D．利用了光的全反射
7．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
8．下述现象哪些是由于全反射造成的　　
A．露水珠或喷泉的水珠，在阳光照耀下格外明亮
B．烈日下飞机看起来有时特别刺眼
C．用光导纤维传输光信号、图象信号
D．在盛水玻璃杯中放一空试管，用灯光照亮玻璃杯侧面，在水面上观察水中的试管，看到试管壁特别明亮
9．下列说法正确的是(
)
A．在水中的鱼斜向上看岸边的物体时,看到的物体将比物体所处的实际位置高
B．光纤通信是一种现代通信手段,光纤内芯的折射率比外壳的大
C．沙漠蜃景和海市蜃楼都是光的衍射现象
D．全息照相主要是利用了光的干涉现象
10．下述现象哪些是由于全反射造成的（??
）
A．露水珠或喷泉的水珠，在阳光的照耀下格外耀眼?????
B．沙漠中的海市蜃楼
C．用光导纤维传输图象信号????????????????????????????????????????
D．插在水中的筷子看起来向上折了
11．如图所示，一根长为L的直光导纤维的折射率为，光从它的一个端面射入，又从另一端面射出，所需的最长时间是________.(设光在真空中的光速为c)
12．某有线制导导弹发射时，在导弹发射基地和导弹间连一根细如蛛丝的特制光纤，它双向传输信号，能达到有线制导作用．光纤由纤芯和包层组成，其剖面如所示，其中纤芯材料的折射率＝2，包层折射率，光纤长度为6km．(已知当光从折射率为的介质射入折射率为的介质时，入射角θ1、折射角θ2间满足：)
（1）求纤芯和包层分界面上全反射的临界角C。
（2）若导弹飞行过程中，将有关参数转变为光信号，利用光纤发回发射基地经瞬间处理后转化为指令光信号返回导弹，若光纤可视为沿直线排布，求信号往返需要的最长时间。
参考答案
1．B
【解析】
发生全反射的必要条件是：光必须从光密介质射入光疏介质，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外套的大时，光在内芯与外套的界面上才能发生全反射，故，A错误；根据,可知内芯材料的折射率越大，全反射的临界角C越小，越容易发生全反射，则光脉冲将越不容易从外套“漏”出，B正确；设光纤的长度为L，则光通过光纤轴线传输用时最短，光在光纤中的速度，则最短时间有；
设光从左端面的A点以入射，折射角为，在B点全反射时的入射角和反射角为，如图所示：
如果就是光在光导纤维全反射的临界角C，则光在介质中的传播时间为最长，，所以光通过光导纤维所用的最长时间为：，故，所以选用波长更短的光时，频率越大，折射率越大，越大，而的表达式与光纤的直径无关，CD错误．
2．C
【解析】
A.因为光的折射作用，所以我们看到水中的筷子是弯曲的，A正确。
B.光导纤维传输数据的原理利用了光的全反射，B正确。
C.水中的气泡特别明亮，是因为光从水射向气泡时，一部分光发生全反射造成的，C错误。
D.小孔成像利用了光的直线传播原理，所以得到的像是倒像，D正确。
3．D
【解析】
光纤材料是根据全反射原理制成的，其内芯的折射率大于外套的折射率，从而光能在内部发生全反射而传播，选项A错误；因风杯每转动n圈带动凸轮圆盘转动一圈，可知风杯旋转的角速度大于凸轮圆盘的角速度，选项B错误；根据图b可知，在△t内，通过的光照的时间越来越长，则风轮叶片转动的越来越慢，即转速逐渐减小，风速减小，选项C错误；
在△t内挡了4次光，则T1＝．根据风轮叶片每转动n圈带动凸轮圆盘转动一圈可知：则风轮叶片转动的周期T=，则风轮叶片转动的平均速率，风的平均速率为，故D正确。故选D.
点睛：本题主要考查了圆周运动线速度、周期、转速之间的关系，能认真审题，搞清原理，同时能读懂b图是解题的关键．
4．C
【解析】
光纤通信利用了华裔科学家高锟博士提出的一个理论，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C正确，AB错误；广泛应用的光导纤维的外套折射率要比内芯折射率要小，是一种非常细的特制玻璃丝，可处于任意形状，故D错误．故选C．
点睛：利用光纤的全反射性来传递光信息，信息量大，信号好，不失真，光的全反射条件：光从光密介质进入光疏介质，且入射角大于等于临界角．
5．A
【解析】
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。
【点睛】
解决本题的关键知道发生全反射的条件，即光从光密介质进入光疏介质，入射角大于等于临界角．
6．D
【解析】
汽车灯光应从右面射向交通标志牌，光在交通标志牌内部左表面发生全反射，使交通标志牌后面的汽车司机发现前面，实现指示作用，故D正确，A、B、C错误；
故选D．
【点睛】根据光的反射现象，结合全反射条件：当光从光密介质射入光疏介质且入射角大于临界角时发生全反射，从而即可求解．
7．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，A项正确；
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，B项正确；
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，C项错；
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，D项错；
E．光导纤维的工作原理是光的全反射，E项正确．
故选ABE.
8．ACD
【解析】
A.露水珠或喷泉的水珠，在阳光照耀下在部分位置发生全反射，所以格外明亮，故A正确．
B.飞机在阳光下作特技飞行时，有时会看到飞机变得非常明亮，是由于光的反射形成的故B错误．
C.由于光导纤维能全反射，故用来传输光信号、图象信号故C正确．
D.盛水的玻璃杯中放一空试管，用灯光照亮玻璃杯侧面，在水面上观察水中的试管，看到试管壁特别明亮，是由于发生了全反射故D正确．
故选ACD．
【点睛】
要发生光的全反射，必须光从光密介质进入光疏介质，且入射角大于临界角．例如光从水中进入空气，有可能发生全反射现象．我们在柏油路上常看到前方有一潭水，走进时即没有，这就是光的全反射导致．
9．ABD
【解析】
A．景物的光斜射到水面上，由光发生折射的条件知，会发生折射现象，当光进入水中后靠近法线，射入潜水员眼睛，而潜水员由于错觉，认为光始终沿直线传播，逆着光的方向看上去而形成的虚像，所以比实际位置高；故A正确．
B．发生全反射的条件是光从光密介质进入光疏介质，则光纤的内芯折射率大于外壳的折射率；故B正确．
C．海市蜃楼、沙漠蜃景都是由于光的折射和全反射而产生的；故C错误．
D．全息照相利用光的干涉现象；故D正确．
故选ABD．
【点睛】
本题考查了光的折射定律以及全反射的条件，掌握光的全反射与折射的区别，理解光的干涉原理及条件．
10．ABC
【解析】
A．露水珠或喷泉的水珠，在阳光照耀下在部分位置发生全反射，所以格外明亮，故A正确；
B．海市蜃楼是一种由光的折射产生的现象，是由于光在密度不均匀的物质中传播时，发生折射而引起的，属于全反射，故B正确；
C．由于光导纤维能全反射，故用来传输光信号、图象信号，故C正确；
D．水中的筷子看起来向上折了，是由于发生了光的折射，故D错误。
故选ABC。
【点睛】
日常生活中的全反射现象很多，但被我们利用却不多，注意全反射现象的条件：要发生光的全反射，必须光从光密介质进入光疏介质，且入射角大于临界角．
11．
【解析】
光在光导纤维内是以全反射的方式传播的，每次的入射角都大于或等于临界角，但等于临界角时路程最大，时间最长，如图所示．
由几何关系知：sinC=
△s=n△L
设光经N次全反射从另一个端面射出，则总路程为s．
s=（N+1）△s=（N+1）n△L=n（N+1）△L=nL
因光在玻璃中的传播速度v=c/n，则有光在玻璃中传播的时间．
点睛：考查光的全反射条件，掌握光的折射定律，理解sinC=1/n公式的含义，知道最长时间时，入射角恰好等于临界角．
12．（1）；（1）
【解析】
（1）如图所示，由题意在纤芯和包层分界面上全反射的临界角C满足
解得
C=60°
（2）当在端面上入射角最大时时间最长，这时光在纤芯中的总路程为
光纤中的光速
时间为