人教版高中物理选修2-3 1.2 全反射 光导纤维 同步测试（含解析）

人教版高中物理选修2-3第一章 第二节 全反射、光导纤维 同步测试
一、单选题（共10题；共20分）
1.abc为全反射棱镜，它的主截面是等腰直角三角形，如图所示，一束白光垂直入射到ac面上，在ab面上发生全反射，若光线入射点O的位置保持不变，改变光线的入射方向（不考虑自bc面反射的光线）
A.?使入射光按图中所示的顺时针方向逐渐偏转，如果有色光射出ab面，则红光将首先射出
B.?使入射光按图中所示的顺时针方向逐渐偏转，如果有色光射出ab面，则紫光将首先射出
C.?使入射光按图中所示的逆时针方向逐渐偏转，红光将首先射出ab面
D.?使入射光按图中所示的逆时针方向逐渐偏转，紫光将首先射出ab面
2.如图所示，一束光线从折射率为1．5的玻璃内射向空气，在界面上的入射角为45°，下面四个光路图中，正确的是（?? ）
A.????????????????????????????????????????????B.?
C.?????????????????????????????????????????????D.?
3.公园里灯光喷泉的水池中有处于同一深度的若干彩灯，在晚上观察不同颜色彩灯的深度和水面上被照亮的面积，下列说法正确的是（?? ）
A.?红灯看起来较浅，红灯照亮的水面面积较小????????B.?红灯看起来较深，红灯照亮的水面面积较小
C.?红灯看起来较浅，红灯照亮的水面面积较大????????D.?红灯看起来较深，红灯照亮的水面面积较大
4.关于全反射，下列说法中不正确的是（?? ）
A.?光从光密介质射向光疏介质时可能产生全反射
B.?光从光疏介质射向光密介质时可能产生全反射
C.?光从折射率大的介质射向折射率小的介质可能产生全反射
D.?光从传播速度小的介质射向传播速度大的介质时可能产生全反射
5.一束平行单色光从真空射向一块半圆形的玻璃块，入射方向垂直直径平面，如图，已知该玻璃的折射率为2，下列判断中正确的是(??? )
A.?所有光线都能通过玻璃块
B.?只有距圆心两侧R/2范围内的光线才能通过玻璃块
C.?只有距圆心两侧R/2范围内的光线不能通过玻璃块
D.?所有光线都不能通过玻璃块
6.海域夏天常会出现海市蜃楼奇观，这是由于光在大气中的折射和全反射使远处物体在空中形成的（?? ）
A.?正立虚像???????????????????????????B.?倒立虚像???????????????????????????C.?正立实像???????????????????????????D.?倒立实像
7.已知水、水晶、玻璃和二硫化碳的折射率分别是1.33、1.55、1.60和1.63．如果光按下面几种情况传播，可能发生全反射的是（?? ）
A.?从玻璃射入水中??????????B.?从水晶射入玻璃中??????????C.?从水射入水晶中??????????D.?从水射入二硫化碳中
8.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低
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.?水中的气泡，看起来特别明亮，是因为光线从气泡中射向水中时，一部分光在界面上发生了全反射的缘故
D.?全息照相主要是利用了光的衍射现象
9.如图所示，自行车的尾灯采用了全反射棱镜的原理．它虽然本身不发光，但在夜间骑行时，从后面开来的汽车发出的强光照到尾灯后，会有较强的光被反射回去，使汽车司机注意到前面有自行车．尾灯的原理如图所示，下面说法中正确的是（?? ）
A.?汽车灯光应从左面射过来在尾灯的左表面发生全反射
B.?汽车灯光应从左面射过来在尾灯的右表面发生全反射
C.?汽车灯光应从右面射过来在尾灯的左表面发生全反射
D.?汽车灯光应从右面射过来在尾灯的右表面发生全反射
10.如图所示，一束光从空气中射向折射率为n=1.414的某种玻璃的表面，i表示入射角，则下列说法中错误的是（?? ）
A.?当i＞45°时会发生全反射现象
B.?无论入射角i是多大，折射角r都不会超过45°
C.?欲使折射角r=30°，应以i=45°的角度入射
D.?当入射角i=arctan1.414时，折射光线与反射光线恰好互相垂直
二、填空题（共3题；共6分）
11.1966年华裔科学家高锟博士提出一个理论：直径仅几微米的玻璃纤维就可以用来做为光的波导来传输大量信息，43年后高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖，他被誉为“光纤通讯之父”．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．内芯的折射率________外套的折射率（填“大于”、“等于”或“小于”），光在光导纤维中传输的原理是利用了光的________现象．
12.要发生全发射，必须同时具备两个条件：（1）光从________介质射入________介质，（2）入射角________临界角．
13.一根光导纤维的折射率为n，直径为d，形状刚好和四分之一个圆相同，内边的半径是R，如图所示，光束沿法线方向射到光导纤维的X端．如果整条光束都被全反射，则R的最小值为________．
三、解答题（共2题；共10分）
14.阅读下面短文，并简要写出自己的感想…
瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，将2009年诺贝尔物理学奖授予科学家高锟（Charles K．Kao/“光纤之父”）以及科学家威拉德?博伊尔和乔治﹣史密斯．至此，共有杨振宁、李政道、丁肇中、朱棣文等近十位华人获诺贝尔奖．
1966年，高锟发表了一篇题为《光频率介质纤维表面波导》的论文，开创性地提出光导纤维在通信上应用的基本原理，描述了长程及高信息量光通信所需绝缘性纤维的结构和材料特性．他仔细地计算出如何通过光学玻璃纤维实现远距离光传输．
现今，由光纤构成的系统“滋养”着我们的信息社会．如果我们拆开缠绕全球的玻璃纤维，将得到一条长十亿千米的“细线”，这足以绕地球25000多圈，而且它还在迅速地增长．这些低损耗的玻璃纤维推动了全球的宽带通信．
15.一个半圆柱形玻璃砖，其横截面是半径为R的半圆，AB为半圆的直径，O为圆心，如图所示，玻璃的折射率n= ．
（i）一束平行光垂直射向玻璃砖的下表面，若光线到达上表面后，都能从该表面射出，则入射光束在AB上的最大宽度为多少？
（ii）一细束光线在O点左侧与O相距 R处垂直于AB从下方入射，求此光线从玻璃砖射出点的位置．
四、综合题（共1题；共10分）
16.如图所示是一种折射率n=? 的棱镜。现有一束光线沿MN方向射到棱镜的AB面上，入射角的大小i=60°，求：
（1）光在棱镜中传播的速率；
（2）画出此束光线进入棱镜后又射出棱镜的光路图，要求写出简要的分析过程。
五、计算题（共1题；共5分）
17.光纤由内芯和外套两层组成．某光纤内芯的折射率为n1 ， 外套的折射率为n2 ， 其剖面如图所示．在该光纤内芯和外套分界面上发生全反射的临界角为60°，为保证从该光纤一端入射的光信号都不会通过外套“泄漏”出去，求内芯的折射率n1的最小值．
答案解析部分
一、单选题
1.【答案】A
【解析】【分析】垂直射入ac面的白光在ab面已发生全反射，若入射光逆时针旋转，则光在ab面上仍会发生全反射，不会射出，CD错误；
若入射光顺时针旋转，则会有光在ab面射出，但红光比紫光折射率小（更难发生全反射)，故红光先（免除全反射)从ab面射出，A正确，B错误．
故选A。
2.【答案】A
【解析】【解答】设玻璃的临界角为C ． 由得， ，则 。由题中光路图可知光线从玻璃射入空气时入射角为 ，所以光线将在玻璃与空气的界面上发生全反射，光线全部反射回玻璃，则A正确。
【分析】根据折射率，由临界角公式，求出临界角的范围，判断光线从玻璃射向空气时能否发生全反射．若能射入空气，折射角将大于入射角，同时有反射
3.【答案】D
【解析】【解答】光从水里射入空气发生折射，入射角相同时，折射率越大，折射角越大，从水面上看光源越浅，红灯发出的红光的折射率最小，看起来最深;设光源的深度为d，光的临界角为C，则光能够照亮的水面面积大小为S=π(dtanC)2 ， 可见，临界角越大，照亮的面积越大，各种色光中，红光的折射率最小，临界角最大，所以红灯照亮的水面面积较大，选项D正确。
【分析】光源在水中的视深，结合折射率的大小比较视深的大小，结合比较全反射临界角的大小，从而结合几何关系比较照亮的水面面积。
4.【答案】B
【解析】【解答】解：A、光从光密介质射向光疏介质时，若入射角大于或等于临界角，能产生全反射，故A正确． B、光从光疏介质射向光密介质时不可能产生全反射，故B错误．
C、折射率大的介质是光密介质，折射率小的介质是光疏介质，则光从折射率大的介质射向折射率小的介质可能产生全反射，故C正确．
D、由n= 知，传播速度小的介质折射率大，则光从传播速度小的介质射向传播速度大的介质时可能产生全反射，故D正确．
本题选不正确的，故选：B．
【分析】产生全反射的条件是：一是光从光密介质射入光疏介质；二是入射角大于或等于临界角．根据这个条件解答．
5.【答案】B
【解析】【分析】根据折射定律：，当入射角等于30°时，折射角为90°，发生全发射，
如图所示：
此时根据几何关系入射光线到圆心间的距离等于，当距离大于h时，入射角大于30°光线不能射出玻璃块，所以B正确。
【点评】当光线射到玻璃砖圆弧面时，发生折射，由几何知识求出入射角i，根据折射定律求出折射角r，再由几何知识求解M、N射出玻璃砖范围，本题是简单的几何光学问题，关键是画出光路图，利用好几何知识研究光路。
6.【答案】A
【解析】【解答】答：（1）“海市蜃楼”是由于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；（2）夏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，而产生了“海市蜃楼”现象，则在空中形成正立的虚像，故A正确，BCD错误； 故选：A．
【分析】（1）通过分析每种事物现象的成因，来推出所能说明的科学道理，并且明确光的折射现象．（2）从材料中的“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．夏天，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．”来分析此题．
7.【答案】A
【解析】【解答】解：光的全反射产生条件：光从光密介质进入光疏介质，且入射角大于或等于临界角， 由水、水晶、玻璃和二硫化碳的折射率分别为1.33、1.55、1.60和1.63，因此从玻璃射入水中，有可能发生全反射，故A正确，BCD错误，
故选：A．
【分析】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；
再根据临界角与折射率的关系，即可求解．
8.【答案】B
【解析】【解答】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不正确．
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、水中的气泡，看起来特别明亮，是因为光线从水射入气泡发生全发射的缘故．故C错误．
D、全息照相利用光的干涉现象．故D错误；
故选：B．
【分析】A、根据光的折射，得出潜水员看到的高度和实际高度的关系；
B、光在光纤中发生全反射，通过全反射的条件比较光纤内芯和外壳折射率的大小关系．
C、水中的气泡，看起来特别明亮，是因为光线从水射入气泡发生全发射的缘故．
D、全息照相利用光的干涉现象；
9.【答案】C
【解析】【解答】解：汽车灯光应从右面射向自行车尾灯，光在尾灯内部左表面发生全反射，使自行车后面的汽车司机发现前面有自行车，避免事故的发生；
故选C．
【分析】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．
10.【答案】A
【解析】【解答】解：A、光从空气中射向玻璃表面时，不可能发生全反射，故A错误． B、当入射角最大时，根据折射定律n= 知，折射角也最大，而最大的入射角为90°，
则由n= 得，sinr= = = ，r=45°，所以最大的折射角为45°．故B正确．
C、当折射角r=30°时，由折射定律n= 得入射角i=45°，故C正确．
D、当反射光线跟折射光线恰好互相垂直时，设入射角为i，折射角为β，
有i+β=90°，n= = =tani．所以i=arctan ．故D正确．
本题选错误的，故选：A．
【分析】本题应根据下列知识进行分析：（1）光由光密（即光在此介质中的折射率大的）介质射到光疏（即光在此介质中折射率小的）介质的界面时，全部被反射回原介质内的现象，叫做全反射．（2）当入射光线从一种介质斜射入另一种介质时，会发生折射，同时也发生反射．反射遵守反射定律，折射遵守折射定律n= ．
二、填空题
11.【答案】大于；全反射
【解析】【解答】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．
故答案为：大于，全反射．
【分析】光导纤维内芯和外套材料不同，所以具有不同的折射率．要想使光的损失最小，光在光导纤维里传播时一定要发生全反射
12.【答案】光密；光疏；大于或等于
【解析】【解答】要发生全发射，必须同时具备两个条件：（1）光从光密介质射入光疏；（2）入射角大于或等于临界角。
【分析】加强掌握相关原理的理解。
13.【答案】
【解析】【解答】解：如图所示，可知光束越往下的部分，射到圆弧的外侧上时的入射角越小，当最下面的单色光照射到外侧弧面上时刚好发生全反射，由全反射的条件得：
sinC=
又：
所以：
得：R= ，即为R的最小值
故答案为：
【分析】根据题目要求作出光路图，注意光线沿半径方向射出，在圆弧面上的入射角为0°，将径向射出；运用几何关系，根据折射定律，结合sinC= ．求出R的最小值．
三、解答题
14.【答案】光纤通信利用的就是全反射的道理，光纤在结构上有中心和外皮两种不同介质，光从中心传播时遇到光纤弯曲处，会发生全反射现象，而保证光线不会泄漏到光纤外．
答：运用光的全反射在光纤上传输光信号．
【解析】【分析】光纤通信是利用激光从光导纤维的一端射入，在内壁上多次反射，从另一端射出，这样就把它携带的信息传到远方．
15.【答案】解：（i）根据全反射定律：sinC= ，
得：C=45°，
即临界角为45°，如下图：
由几何知识得：d= ，
则入射光束在AB上的最大宽度为2d= R；
（ii）设光线在距离O点 R的C点射入后，在上表面的入射角为α，由几何关系和已知条件得：α=60°＞C
光线在玻璃砖内会发生三次全反射，最有由G点射出，如图：
由反射定律和几何关系得：
OG=OC= R，
射到G点的光有一部分被反射，沿原路返回到达C点射出．
答：（i）一束平行光垂直射向玻璃砖的下表面，若光线到达上表面后，都能从该表面射出，则入射光束在AB上的最大宽度为 R；
（ii）一细束光线在O点左侧与O相距 R处垂直于AB从下方入射，此光线从玻璃砖射出点的位置在O点左侧或者右侧 R处．
【解析】【分析】由全反射定律求出临界角，然后由几何知识求出入射光束在AB上的最大宽度．
四、综合题
16.【答案】（1）光在棱镜中传播的速率。
（2）由折射率 得:AB面上的折射角 。
由几何关系得:BC面上的入射角
全反射临界角
则光在BC面上发生全反射，光线垂直AC射出。
光路如图所示
【解析】【解答】（1)光在棱镜中传播的速率。（2）由折射率 得:AB面上的折射角 。
由几何关系得:BC面上的入射角
全反射临界角
则光在BC面上发生全反射，光线垂直AC射出。
光路如图所示
【分析】应用光的折射和全反射理论解题技巧（1）折射率公式的应用:折射率公式为n= (i为真空中的入射角，r为某介质中的折射角)。根据光路可逆原理，入射角、折射角是可以随光路的逆向而“换位”的。我们可以这样来理解、记忆:n= 或= 。（2）分析、计算问题的应用:分析、计算时要掌握好n的两种表达式及有关数学知识，如三角函数(尤其是特殊角的函数)。着重理解两点:第一，光的频率(颜色)由光源决定，与介质无关;第二，同一介质中，频率越大的光折射率越大。例如，同一介质对紫光的折射率大，对红光的折射率小。再应用n=等知识，就能准确而迅速地判断有关色光在介质中的传播速度、波长、入射光线与折射光线偏折程度等问题。
五、计算题
17.【答案】解：如图所示，由题意在内芯和外套分界面上要发生全反射
当在端面上的入射角i最大（im=90°）时，折射角r也最大，在内芯与外套分界面上的入射角i'最小，如此时入射角等于临界角则恰能保证信号不会通过外套“泄漏”
这时i'min=C=90°﹣rm
得rm=30°
在端面上im=90°时，由 ?
得n1=2?????????????????????????????????????????????????????????
所以，当n1=2时在所有情况中从端面入射到光纤中的信号恰能都不会通过外套“泄漏”出去．
答：内芯的折射率n1的最小值是2．
【解析】【分析】作出正确的光路图，根据恰好发生光的全反射现象，从而确定入射角，再由光的折射定律，即可求出折射率的最小值．