山东省济南中学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 课时训练（含解析）

4.3光导纤维及其应用
1．空气中两条光线a和b从方框左侧入射，分别从方框下方和上方射出，其框外光线如图所示．方框内有两个折射率n＝1.5的玻璃全反射棱镜．下列选项中给出了两棱镜四种放置方式的示意图，其中能产生上述效果的是
(　　)
A．
B．
C．
D．
2．关于光的全反射及其应用，下列说法正确的是（　　）
A．入射角大于临界角，光一定发生全反射
B．光从传播速度大的介质射向传播速度小的介质时可能发生全反射
C．光导纤维传输信号和全息照相利用的都是光的全反射现象
D．水或玻璃中的气泡看起来特别亮，是因为光从水或玻璃射向气泡时在界面发生了全反射
3．以下说法中正确的是
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
4．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
5．关于波的现象，下列说法正确的有（_____）
A．用光导纤维束传送信息是光的衍射的应用
B．白光通过三棱镜在屏上出现彩色条纹是光的一种干涉现象
C．波源沿直线匀速靠近一静止的接收者，则接收者接收到波信号的频率会比波源频率高
D．露珠的晶莹透亮现象，是由光的全反射引起的
E.电磁波具有偏振现象
6．光纤通信中，光导纤维传递光信号的物理原理是利用光的_____现象，要发生这种现象，必须满足的条件是：光从光密介质射向_______，且入射角等于或大于______．
7．光导纤维是一种比头发还细的玻璃丝，这种玻璃丝分为内外两层（芯线和包层），芯线的折射率比包层的折射率______。海市蜃楼是光在密度分布不均匀的空气中传播时发生全反射而产生的，原因是海面上的下层空气的折射率比上层______；在沙漠中也会看到“海市蜃楼”现象，原因是接近沙面的空气层比上层空气的折射率______。
8．由于激光是亮度高、平行度好、单色性好的相干光，所以光导纤维中用激光作为高速传输信息的载体。要使射到粗细均匀的圆形光导纤维一个端面上的激光束都能从另一个端面射出，而不会从侧壁“泄漏”出来，光导纤维所用材料的折射率至少应为多少？（假设光纤外套折射率与空气相同）
9．如图所示，横截面为半圆形的某种透明柱体介质，截面ABC的半径R=10
cm，直径AB与水平屏幕MN垂直并与A点接触。由红光和紫光两种单色光组成的复色光沿半径方向射向圆心O，已知该介质对红光和紫光的折射率分别为,
。
(i)求红光和紫光在介质中传播的速度比；
(ii)若逐渐增大复色光在O点的入射角，使AB面上刚好只有一种色光射出，求此时入射角的大小及屏幕上两个亮斑的距离。
10．如图为一半球壳形玻璃砖的截面图，折射率n=2，球壳外圆半径R1=10
cm，
内圆半径R2=5
cm，图中OO＇为玻璃砖的中轴线．真空中，一束平行光以平行于OO＇的方向从球壳的左侧射入．这束平行光中，有一部分到达内圆表面时能从右侧射出玻璃砖．求：
(ⅰ)
该玻璃砖的临界角
(ⅱ)
这一部分入射平行光束的宽度．
参考答案
1．B
【解析】
玻璃折射率为，由临界角公式得：
可得出玻璃砖的临界角，则当光线垂直直角边进入玻璃砖，射到斜边上时入射角为45°，光线能发生全反射，故可知B图可产生如图所示的效果，故选B．
2．D
【解析】
A．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A错误；
B．当光线从从光密介质进入光疏介质时才有可能发生全反射，由n=可知，光在介质中的传播速度越大，介质折射率越小，光在介质中传播速度越小，介质的折射率越大，即光从传播速度大的介质射向传播速度小的介质时不可能发生全反射，故B错误；
C．光导纤维传输信号是利用光的全反射现象，全息照相是利用了激光相干性好的特性，运用了光的干涉现象，故C错误；
D．当光线由水或玻璃射向气泡时，由于水和玻璃的折射率均大于空气的折射率，部分光线在界面处发生全反射，所以气泡看起来特别亮，故D正确。
故选D。
3．BCD
【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。
故本题选BCD
4．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．
5．CDE
【解析】
用光导纤维束传送信息是光的全反射的应用，选项A错误；白光通过三棱镜在屏上出现彩色条纹是光的色散现象，选项B错误；根据多普勒效应，波源沿直线匀速靠近一静止的接收者，则接收者接收到波信号的频率会比波源频率高，选项C正确；露珠的晶莹透亮现象，是由光的全反射引起的，选项D正确；电磁波是横波，具有偏振现象，选项E正确；故选CDE.
6．全反射
光疏介质
临界角
【解析】
光纤通信中，光导纤维传递光信号的物理原理是利用光的全反射现象，要发生这种现象，必须满足的条件是：光从光密介质射向光疏介质，且入射角等于或大于临界角
7．
大
大
小
【解析】光导纤维玻璃丝分为内外两层（芯线和包层），芯线的折射率比包层的折射率大；海市蜃楼是光在密度分布不均匀的空气中传播时发生全反射而产生的，原因是海面上的下层空气的折射率比上层大；在沙漠中也会看到“海市蜃楼”现象也是全反射现象，原因是接近沙面的空气层比上层空气的折射率小。
8．
【解析】设激光束在光导纤维前端的入射角为θ1，折射角为θ2，折射光线射向侧面时的入射角为θ3，如图所示。
由折射定律n＝
由几何关系θ2＋θ3＝90°，则sinθ2＝cosθ3
由全反射临界角公式sinθ3＝
故cosθ3＝
要保证从端面射入的任何光线都能发生全反射，应有θ1＝90°，sinθ1＝1
故
解得n＝
9．(1)
(2)
i＝45?，
【解析】
(1)由折射率
故红光和紫光在介质中传播的速度比
(2)增加入射角，紫光先发生全反射，其折射光线消失，
设紫光的临界角C，
有：
所以
C=450
此时入射角
光路如图
红光入射角，有
可得
两斑点PQ的间距：
带入数值得
cm或17.1cm
10．（1）
（2）
【解析】
（ⅰ）光在玻璃中发生全反射满足，解得：C=300
（ⅱ）根据折射定律有
由正弦定理得
d1=R1sini
d=2d1=10cm
点睛：本题是折射定律、临界角和几何知识的综合应用，作出光路图是基础，运用几何知识求折射角r是关键．