2021-2022学年鲁科版（2019）选择性必修第一册 4.4光导纤维及其应用 课后练习（word解析版）

2021-2022学年鲁科版（2019）选择性必修第一册
4.4光导纤维及其应用 课后练习（解析版）
1．光纤通信是一种现代化通信手段，光导纤维传递光信号的物理原理是（　　）
A．光的全反射 B．光的衍射
C．光的干涉 D．光的折射
2．光纤通信采用的光导纤维由内芯和外套组成，如图所示，一复色光以入射角θ0射入光导纤维后分为a、b两束单色光，a、b两单色光在内芯和外套界面发生全反射，下列说法正确的是（　　）
A．内芯折射率小于外套的折射率
B．a光光子的能量大于b光光子的能量
C．在内芯介质中单色光a的传播速度比b大
D．入射角由θ0逐渐增大时，b光全反射现象先消失
3．一光纤通信中信号传播的主要载体是光导纤维，它的结构如图所示，可看成一段直线，其内芯和外套的材料不同，光在内芯中传播，下列关于光导纤维的说法错误的是（　　）
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．波长越长的光在光纤中传播的速度越大
C．频率越大的光在光纤中传播的速度越大
D．若紫光以如图所示角度入射时，恰能在光纤中发生全反射，则改用红光以同样角度入射时，不能在光纤中发生全反射
4．如图所示光导纤维的长度为，某种频率的光在其中的折射率为，若有各种入射方向的该频率的光照射到此光导纤维一端的横截面上，认为自另一端射出的光在此光导纤维传播的过程中都发生全反射，已知光在真空中的传播速度为，自另一端射出的光在此光导纤维中的最长传播时间为（　　）
A． B． C． D．
5．下列说法正确的是（　　）
A．在水中的潜水员斜向上看岸边的物体时，看到的物体的像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，它是利用光的全反射原理来传递信息的
C．在光的照射下，玻璃杯裂缝处看上去比周围明显亮，是由于光的全反射
D．海市蜃楼产生的原因是海面上方上层空气的折射率比下层空气的折射率大
E.小孔成像是由于光的全反射
6．下列现象与产生原因不属于光的衍射的是（　　）
A．通过尼龙伞看太阳，观察到彩色的花边
B．晴天汽车开过积水的地面后，留下一些油使水面出现彩色薄膜
C．著名的泊松亮斑
D．激光在光导纤维内传播
E.医院手术室使用无影灯
7．关于光的传播现象及应用，下列说法正确的是（　　）
A．光导纤维内芯材料的折射率比外套材料的折射率大
B．海面上的海市蜃楼将呈现倒立的像，位置在实物的上方
C．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
D．一束白光从空气斜射进入水中，将发生色散
8．关于机械波、电磁波和相对论的下列说法中正确的是（　　）
A．机械波和电磁波在介质中的传播速度仅由介质决定
B．假设火车以接近光速的速度通过站台，站台上的旅客观察车上的乘客变矮
C．简谐机械波传播时单位时间内经过介质中某点的完全波的个数就是这列波的频率
D．用光导纤维束传播图象信息利用了光的全反射
9．一束光在光导纤维中传播的示意图如图所示，光导纤维对该束光的折射率为n，该段光导纤维的长度为L，图中的光线刚好在光导纤维与空气的界面处发生全反射。已知空气对该束光的折射率为1，光在真空中传播的速度为c，下列说法正确的是（　　）
A．光导纤维的折射率n＞1
B．光导纤维的折射率n＜1
C．光在光导纤维中传播的时间为
D．光在光导纤维中传播的时间为
10．如图所示，长为L的光导纤维，AB代表光的入射端面。某种颜色的光以任何角度从AB端面进入光导纤维后，均能无损耗地从AB端面传播到另一端面。则下列说法正确的是（　　）
A．相对于该光，光导纤维的折射率最小为
B．相对于该光，光导纤维的折射率最小为
C．若光导纤维相对该光的折射率为，则光从一端传播到另一端的最长时间为
D．若光导纤维相对该光的折射率为，则光从一端传播到另一端的最长时间为
11．光纤通信是一种现代通信手段，它可以提供大容量、高速度、高质量的通信服务。目前，我国正建设高质量的宽带光纤通信网络。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。以下关于光导纤维的说法正确的是（　　）
A．光纤通信利用光作为载体来传递信息
B．内芯的折射率比外套大，光传播时在内芯与外套的界面发生全反射
C．内芯的折射率比外套小，光传播时在内芯与外套的界面发生全反射
D．内芯的折射率与外套相同，外套的材料有韧性，可以起保护作用
12．光导纤维的用途很大，医学上将其制成______，用来检查人体内脏的内部；
实际的内窥镜装有两组光纤，一组______，另一组______；
光导纤维的用途很大，通过它可以实现______；
光纤通信的主要优点是______、______、______；
一路光纤的传输能力理论值为______，______；
虽然光纤通信的发展历史只有20多年的，但是发展的速度是惊人的。
13．光导纤维1966年，33岁的华裔科学家___________提出：光通过直径仅几微米的玻璃纤维就可以用来传输大量信息。___________因此获得2009年诺贝尔物理学奖。根据这一理论制造的光导纤维（opticalfiber）已经普遍应用到通信领域。这其中就用到了___________原理。
14．传统的导线传输技术存在衰减大、容量小、抗干扰能力弱等缺点，而光纤通信的主要优点就是______、衰减小______能力强。
15．2010年广州亚运会，光纤通信网覆盖了所有比赛场馆，为各项比赛提供安全可靠的通信服务，光纤通信利用光的全反射将大量信息高速传输。如图所示，一条圆柱形的光导纤维，长为L，它的内芯的折射率为n1，外层材料的折射率为n2，光从一端射入，经全反射后从另一端射出，所需的最长时间为t，请探究分析以下问题:
（1）n1和n2的大小关系；
（2）最长时间t的大小。（图中标的C为全反射的临界角，其中 sin C=）
16．光纤已普遍应用到通信领域，具有可弯曲、传输速度快、信息量大等优点。如图是一段弯成圆弧的光纤材料，一束光紧贴光纤材料内侧垂直射入材料一端。己知光可从另一端射出且没有损失，光纤材料的直径为2cm，光在光纤材料中的折射率n=1.5，光在真空中的传播速度为c=3×108m/s。求∶
（1）光在光纤材料中的传播速度大小；
（2）光纤材料内侧对应的最小弯曲半径。
17．如图，是一直角三棱镜的横截面，，，一细光束从边的D点折射后，射到边的E点，发生全反射后经边的F点射出。垂直于交于G，D恰好是的中点，不计多次反射。
（1）求出射光相对于D点的入射光的偏角；
（2）为实现上述光路，棱镜折射率的取值应在什么范围?
18．光导纤维是传光的细圆玻璃丝，每根纤维分内外两层。一束光由光纤端面从空气射向内层材料，经内、外层材料的分界面发生多次全反射后呈锯齿形的路线可以无损地传到另一端。如图为一根光纤的截面图，左端面与两种材料的界面垂直，当光从端面的圆心O入射后，在从光纤的一端传到另一端的过程中光线不从内壁漏掉时，入射角的最大值为。已知内层和外层材料的折射率分别为n1和n2（n1 > n2），光在真空（空气）中的传播速度为C。求：
（ⅰ）的值；
（ⅱ）若光纤的长度为l，光以射入后在光纤中传播的时间。
参考答案
1．A
【详解】
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。
故选A。
2．C
【详解】
A．光在光在内芯和外套界面发生全反射，可知光从光密介质射入光疏介质，则内芯的折射率大于外套的折射率，A错误；
B．由图可知，a光射入光导纤维后的折射角大于b光，由折射定律可知光导纤维对a的折射率小于b光的折射率，则a光的频率小于b光，根据光子能量公式，b光子的能量大于a光光子的能量，B错误；
C．根据折射率公式
可以判断a光在光导纤维中的速度大于b光，C正确；
D．根据
可知，a光的临界角比b光的大，所以入射角由逐渐增大时，光全反射现象先消失，D错误。
故选C。
3．C
【详解】
A．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，故选项A正确；
BC．波长越长的光，频率越小，介质对它的折射率n越小，根据公式v=，光在光纤中传播的速度越大，故选项B正确，C错误；
D．根据知，折射率越大，全反射临界角越小，红光的折射率小，则全反射临界角大，若紫光恰能发生全反射，则红光不能发生全反射，故选项D正确。
本题选错误的，故选C。
4．A
【详解】
当光在介质的界面处恰好发生全反射时，光在介质中的传播路程最长，由几何关系可知，最长路程为
传播速度为
故最长时间
故选A。
5．ABC
【详解】
A．由于光的折射，当水中的潜水员斜向上看岸边的物体时，看到的物体的像比物体的实际位置高，选项A正确；
B．光纤通信是利用光的全反射原理来传递信息的，选项B正确；
C．在光的照射下，玻璃杯裂缝处看上去比周围明显亮，是由于光在裂缝处发生全反射，选项C正确；
D．海市蜃楼产生的原因是海面上方上层空气的折射率比下层空气的折射率小，选项D错误；
E．小孔成像是由于光的直线传播，E错误。
故选ABC。
6．BDE
【详解】
A．通过尼龙伞看太阳，观察到彩色的花边是由于光的衍射，故A正确，不符合题意；
B．晴天汽车开过积水的地面后，留下一些油使水面出现彩色薄膜，这是薄膜干涉现象，故B错误，符合题意；
C．著名的泊松亮斑是光的衍射现象，故C正确，不符合题意；
D．激光在光导纤维内传播，这是全反射现象，故D错误，符合题意；
E．医院手术室使用无影灯利用的是光的直线传播，故E错误，符合题意。
故选BDE。
7．AD
【详解】
A．由全反射的条件可知，光导纤维内芯材料的折射率比外套材料的折射率要大，A正确；
B．海面上的海市蜃楼将呈现正立的像，位置在实物的上方，B错误；
C．色光进入水中，光的频率不变，颜色不变，C错误；
D．白光斜射入水中，由于水对不同色光的折射率不同，各种色光将分开，D正确。
故选AD。
8．CD
【详解】
A．机械波在介质中的传播速度由介质决定，与波的频率无关；电磁波在介质中的传播速度与介质和波的频率均有关，故A错误。
B．根据相对论原理，火车以接近光速的速度通过站台时，站台上的旅客观察到车上的乘客变瘦了，而不是变矮，故B错误；
C．简谐波的振动周期与传播周期相同，故单位时间内经过介质中某点的完全波的个数就是这列简谐波的频率，故C正确；
D．光导纤维束是用全反射来传输图象信息的，故D正确；
故选CD。
9．AC
【详解】
AB．由于光发生全反射的条件之一是光由光密介质射入光疏介质，所以光导纤维的折射率比空气的折射率大，即n＞1，故A正确，B错误；
CD．光线在界面处发生全反射的临界角C的正弦值为
光在光导纤维中的传播速度为
v在沿光导纤维方向的分量为
光在光导纤维中传播的时间为
故C正确，D错误。
故选AC。
10．AD
【详解】
AB．设入射角为，折射角为，光线到达上界面的入射角为，全反射的临界角为，有折射定律得
由几何关系有
所以
由题意知，入射角增大到时，时，折射率最小，因为
所以
综上折射率至少为
故A正确，B错误；
CD．光在玻璃介质中的传播速度
在介质中传播所走的路程越小，路程越大，即时，光在光纤中传播的时间最长，综上解得
故若光导纤维相对该光的折射率为，则光从一端传播到另一端的最长时间为；若光导纤维相对该光的折射率为，则光从一端传播到另一端的最长时间为，故C错误，D正确。
故选AD。
11．AB
【详解】
A．光纤通信利用光作为载体来传递信息，故A正确；
BCD．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B正确CD错误；
故选AB。
12．内窥镜 把光传送到人体内部进行照明 把体内的图像传出供医生观察 光纤通讯 容量大 衰减小 抗干扰能量强 二十亿路电话 一千万路电视
【详解】
略
13．高锟 高锟 光的全反射
【详解】
[1][2][3] 966年，33岁的华裔科学家高锟提出：光通过直径仅几微米的玻璃纤维就可以用来传输大量信息。高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖。根据这一理论制造的光导纤维（opticalfiber）已经普遍应用到通信领域。这其中就用到了光的全反射原理。
14．容量大 抗干扰
【详解】
[1][2]光纤通信的主要优点就是容量大、衰减小、抗干扰能力强。
15．（1）n1>n2；（2）
【详解】
（1）欲使光在内芯和外层材料的界面上发生全反射，需使内芯的折射率大于外层材料的折射率，即n1>n2。
（2）光在内芯中传播的最长路程为
传播速度为
v=
故最长时间
16．（1）；（2）4cm
【详解】
（1）光在光纤材料中的传播速度大小
（2）当光纤材料内侧弯曲达到最小半径R时，光线恰好在材料内发生全反射。光路图如图所示。
根据全反射条件，有
根据几何关系，得
联立解得
R=4cm
17．（1）；（2）
【详解】
（1）由于D是CG的中点， ，根据几何关系可得：光束在D点发生折射时的折射角为
那么，根据几何关系可得：在E点的入射角、反射角均为
在F点的入射角为
在F点的入射角为 ，可得：折射角
故出射光相对于D点的入射光的偏角为
（2）由E点反射角为60°可得， 平行BC，故根据D点折射角为
在F点的入射角为
可得：棱镜折射率
根据光束在E点入射角为60°，发生全反射可得
故棱镜折射率的取值范围为
18．（ⅰ）；（ⅱ）
【详解】
ⅰ．入射角越大，折射角越大，在内、外层接触处越容易发生折射，光越容易漏出。当入射角为最大值时，光在内、外层接触处发生全反射
，，
由
得
ⅱ．光在光纤内经历的路程
光在光纤内运动速度
光在光纤内运动时间