山东省章丘中学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 配套练习（含解析）

4.3光导纤维及其应用
1．光纤通信的优点是容量大、衰减小、抗干扰性强，光导纤维由内芯和外套两层介质组成。下列说法正确的是（　　）
A．光纤通信依据的原理是光的折射
B．内芯和外套的折射率相同
C．内芯比外套的折射率大
D．外套比内芯的折射率大
2．以下说法中错误的是（
）
A．在电磁波接收过程中，使声音信号或图象信号从高频电流中还原出来的过程叫调制
B．火车过桥要慢行，目的是使驱动力频率远小于桥梁的固有频率，以免发生共振损坏桥梁
C．通过测量星球上某些元素发出光波的频率，然后与地球上这些元素静止时发光的频率对照，就可以算出星球靠近或远离我们的速度
D．光导纤维有很多的用途，它由内芯和外套两层组成，外套的折射率比内芯要小
3．对于以下光学现象或运用，说法错误的：（
）
A．自行车尾灯的内部构造实质是一列竖直排布的紧密的全反射三棱镜
B．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
C．夏天雨后的天空出现美丽的彩虹，是光的色散现象
D．光导纤维的内芯一般由折射率较大的玻璃纤维制成
4．如图所示，口径较大、充满水的薄壁圆柱形浅玻璃缸底有一发光小球，则（
）
A．小球必须位于缸底中心才能从侧面看到小球
B．小球所发的光能从水面任何区域射出
C．小球所发的光从水中进入空气后频率变大
D．小球所发的光从水中进入空气后传播速度变大
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大，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小，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
6．下列说法正确的是_______
A．红光由空气进入水中，波长变短，颜色不变
B．质点的振动方向和波的传播方向总是互相垂直的
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．光导纤维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
E.—弹簧振子做简谐运动，周期为T，若t＝，则在t时刻和（t＋t）时刻弹簧的长度可能相等
7．香港中文大学第三任校长高锟荣获了2009年诺贝尔物理学奖．诺贝尔奖委员会高度评价了高锟的贡献，评委会指出：高锟1966年发现如何通过光学玻璃纤维远距离传输光信号的工作，成为今日电话和高速互联网等现代通信网络运行的基石．下列关于“光纤”及原理的说法中，正确的是(
)
A．光纤通信具有传输容量大、衰减小、抗干扰性强等优点
B．光纤通信、全息照相、数码相机及医用纤维式内窥镜都是利用了光的全反射原理
C．实用光导纤维是由内芯和外套两层组成．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
D．当今社会，在信号的传输领域中，光纤电缆(“光缆”)已经几乎完全取代了传统的铜质“电缆”，成为传播信息的主要工具，是互联网的骨架，并已联接到普通社区
8．下列关于光导纤维说法正确的是（
）
A．光导纤维利用了全反射原理
B．光导纤维内芯的折射率大于外套的折射率
C．光导纤维内芯的折射率小于于外套的折射率
D．医学上用光导纤维制成内窥镜，用来检查人体胃、肠等脏器的内部
9．下列说法中正确的是________
A．机械波的频率等于波源的振动频率，与介质无关
B．爱因斯坦狭义相对论指出，真空中的光速在不同的惯性参考系中是不同的
C．光纤通信是一种以光波为传输介质的通信方式，光波按波长长短，依次可分为红外线、可见光和紫外线光，但红外线光和紫外线光属不可见光，它们都不可用来传输信息
D．根据麦克斯韦电磁场理论，电磁波中的电场和磁场互相垂直，电磁波是横波
E.宇宙红移现象表示宇宙正在膨胀，这可以用多普勒效应来解释．说明我们接收到的遥远恒星发出的光比恒星实际发光频率偏小
10．下列图示所涉及实验及现象的说法正确的是（）
A．甲图所示为光电效应实验装置，任意频率的光照射锌板都可以放出光电子
B．乙图所示为利用光导纤维制成的内窥镜，利用了光的全反射原理
C．丙图所示为放射线在磁场中的运动轨迹，可知甲为射线，乙为射线，丙为射线
D．丁图所示为粒子散射实验，利用粒子打到金属箔时受到库仑力作用而发生偏转
11．如图所示，光导纤维可简化为长玻璃丝的示意图，玻璃丝长为L，折射率为n（n＝）。AB代表端面。为使光能从玻璃丝的AB端面传播到另一端面。求光在端面AB上的入射角θ应满足的条件。
12．如图所示，一根长为L的直光导纤维，它的折射率为n，一束激光从它的左侧端面射入，又从它的右侧端面射出，调整激光束的入射方向，可测得激光束在直光导纤维中经历的最短时间为t1，最长时间为t2，求t1与t2之比．
13．1966年33岁的华裔科学家高锟首先提出光导纤维传输大量信息的理论，43年后高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖如图所示一长为L的直光导纤维，外套的折射率为，内芯的折射率为，一束单色光从图中点进入内芯斜射到内芯与外套的介质分界面M点上恰好发生全反射，为内芯的中轴线，真空中的光速为求：
Ⅰ该单色光在内芯与外套的介质分界面上恰好发生全反射时临界角C的正弦值；
Ⅱ该单色光在光导纤维中的传播时间．
参考答案
1．C
【解析】A.
光纤通信依据的原理是光的全反射。故A错误；
C.
为了使光在光纤内以全反射的方式传播，内芯的折射率应该比包层大，故C正确，BD错误。
故选：C
2．A
【解析】
在电磁波接收过程中，使声音信号或图象信号从高频电流中还原出来的过程叫解调，选项A错误；火车过桥要慢行，目的是使驱动力频率远小于桥梁的固有频率，以免发生共振损坏桥梁，选项B正确；通过测量星球上某些元素发出光波的频率，然后与地球上这些元素静止时发光的频率对照，根据多普勒效应就可以算出星球靠近或远离我们的速度，选项C正确；光导纤维有很多的用途，它由内芯和外套两层组成，外套的折射率比内芯要小，使得光能在光线内部全反射，选项D正确；故选A.
3．B
【解析】试题分析：自行车的尾灯采用了全反射棱镜的原理，A正确；天由于大气的不均匀，海面上的下层空气，温度比上层低，密度比上层大，折射率也比上层大．我们可以把海面上的空气看作是由折射率不同的许多水平气层组成的．远处的山峰、船舶、楼台、人等发出的光线射向空中时，由于不断被折射，越来越偏离法线方向，进入上层的入射角不断增大，以致发生全反射，光线反射回地面，人们逆着光线看去，就会看到远方的景物悬在空中，是正立的，B错误；彩虹是光的色散现象，C正确；光导纤维是利用光得全反射原理工作的，所以内芯一般由折射率较大的玻璃纤维制成，D正确。
考点：考查了光的折射，光得全反射，光得色散
4．D
【解析】
A．小球发出的光先从水中传播，然后再射入空气中，故我们从侧面就可以看到小球，选项A错误；
B．由于光从水中射入空气中，故当入射角大于临界角时，光会发生全反射，故球所发的光不是从水面任何区域都能够射出的，选项B错误；
CD．光从水中进入空气后频率不变，由于折射率变小，故光的传播速度变大，选项C错误，D正确．
5．A
【解析】
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．故A正确，B错误；
C．波长越短的光，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．故C错误；
D．频率越大的光，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．故D错误。
故选A。
6．ADE
【解析】
A．红光的频率不随介质的变化而变化，由空气进入水中速度减小，根据可知波长变短，颜色不变，故A正确；
B．机械波分纵波和横波，横波中质点的振动方向和波传播方向垂直，而纵波中，质点的振动方向和传播方向在一条直线上，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色散现象，故C错误；
D．光导纤维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，故D正确；
E．根据对称性，相隔半个周期振子的位移关于平衡位置对称，即回复力大小相同，故弹簧的长度可能相等，比如在t时刻时，振子正好位于平衡位置，在经过半个周期后，振子又回到平衡位置，E正确。
故选ADE。
7．AD
【解析】
考点：光导纤维及其应用；全反射．
分析：光纤通信是利用光的全反射原理，具有传输容量大、衰减小、抗干扰性强等优点．
解答：
A、光纤通信具有传输容量大、衰减小、抗干扰性强等优点．故A正确．
B、光纤通信、内窥镜利用了光的全反射原理，但是全息照相、数码相机不是利用光的全发射．故B错误．
C、全反射的条件是光从光密介质进入光疏介质，入射角大于等于临界角，所以内芯的折射率大于外套的折射率，光传播时在内芯和外套的界面上发生全反射．故C错误．
D、在信号的传输领域中，光纤电缆（“光缆”）已经几乎完全取代了传统的铜质“电缆”，成为传播信息的主要工具，是互联网的骨架，并已连接到普通社区．故D正确．
故正确的是AD．
点评：解决本题的关键知道光纤通信的原理和优点，以及知道全反射的条件．
8．ABD
【解析】光导纤维利用了全反射原理，选项A正确；光导纤维内芯的折射率大于外套的折射率，当光线从内芯射入外芯时会发生全反射，选项B正确，C错误；
医学上用光导纤维制成内窥镜，用来检查人体胃、肠等脏器的内部，选项D正确；故选ABD.
9．ADE
【解析】
机械波的频率与波源振动的频率相同，与传播介质无关，A正确；在所有的惯性系中，光在真空中的传播速率具有相同的值c．这叫光速不变原理，B错误；只要是光波，就能够在光导纤维中传播，不管是可见光还是不可见光，都可以用来传输信息，故C错误；根据麦克斯韦电磁场理论，电磁波中的电场和磁场互相垂直，电磁波是横波，D正确；根据多普勒效应可知，宇宙紅移现象表示宇宙正在膨胀，说明我们接收到的遥远恒星发出的光比恒星实际发光频率的小，故E正确．
10．BD
【解析】只有当入射光的频率大于金属的极限频率时才能发生光电效应，故A错误；光导纤维制成的内窥镜利用了光的全反射原理，B正确；三种射线在匀强磁场中向上运动时，
射线带正电荷，可以判断它将向左偏转，即图中的甲射线是射线；
射线带负电荷，可以判断它将向右偏转，即图中的甲射线是β射线；
射线不带电，不偏转，即图中的乙射线是γ射线，C错误；丁图所示为粒子散射实验，利用粒子打到金属箔时受到库仑力作用而发生偏转，D正确。
11．
【解析】
设光束在光导纤维端面的入射角为，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为
sinβ＝
得
cosβ＝
联立得
sin＝＝1
即为
＝90°
要保证从端面射入的光线能发生全反射，应有。
12．
【解析】
激光束垂直左侧端面射入时，激光束在直光导纤维中经历的时间最短，由t1＝及n＝
解得t1＝.
要使激光在直光导纤维内经历的时间最长，就要求激光在光导纤维内的路程最长，这就要求每一次反射时，入射角θ最小，即入射角θ恰为临界角C.当θ＝C时，激光的路程最长，所用时间也最长，此时激光束在沿光导纤维方向的速度分量为vsin
θ，设光束为c，由L＝(vsin
C)t2及n＝、sin
C＝
，解得t2＝
，故.
13．Ⅰ；Ⅱ
【解析】
试题分析：根据光的折射定律，结合恰好发生全反射，折射角为90°，从而即可求解；
根据传播速度c=nv，结合几何关系，即可求解传播时间．
Ⅰ、由光的折射定律:
当θ1=90°时，
Ⅱ、根据几何关系：
因传播速度：
而传播时间：
联立上式可解得：
点睛：本题主要考查了光的折射定律与全反射条件的应用，并掌握几何关系的运用．注意入射角与折射角的确定．