高中物理 4-2.3 光的全反射 光導(dǎo)纖維及其應(yīng)用 魯科版選修3-4

【創(chuàng)新設(shè)計(jì)】-高中物理4-2.3光的全反射光導(dǎo)纖維及其應(yīng)用魯科版選修3-41．關(guān)于光纖的說(shuō)法，正確的是 ()．A．光纖是由高級(jí)金屬制成的，所以它比普通電線容量大B．光纖是非常細(xì)的特制玻璃絲，但導(dǎo)電性能特別好，所以它比普通電線衰減小C．光纖是非常細(xì)的特制玻璃絲，由內(nèi)芯和外套兩層組成，光纖是利用全反射原理來(lái)實(shí)現(xiàn)光的傳導(dǎo)的D．在實(shí)際應(yīng)用中，光纖必須呈筆直狀態(tài)，因?yàn)閺澢墓饫w是不能傳導(dǎo)光的解析光導(dǎo)纖維的作用是傳導(dǎo)光，它是直徑為幾微米到一百微米之間的特制玻璃絲，且由內(nèi)芯和外套兩層組成，內(nèi)芯的折射率比外套的大．載有聲音、圖象及各種數(shù)字信號(hào)的激光傳播時(shí)，在內(nèi)芯和外套的界面上發(fā)生全反射，光纖具有容量大、衰減小、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)．在實(shí)際應(yīng)用中，光纖是可以彎曲的．所以，正確選項(xiàng)是C.答案C2．某種介質(zhì)對(duì)空氣的折射率是eq\r(2)，一束光從該介質(zhì)射向空氣，入射角是60°，則下列光路圖中正確的是(圖中Ⅰ為空氣，Ⅱ?yàn)榻橘|(zhì)) ()．解析由題意知，光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，由sinC＝eq\f(1,n)＝eq\f(1,\r(2))，得C＝45°＜θ1＝60°，故在兩介質(zhì)的界面上會(huì)發(fā)生全反射，只有反射光線，沒(méi)有折射光線，故選項(xiàng)D正確．答案D3．夏日的太陽(yáng)光斜照在平坦的沙漠上，我們面對(duì)太陽(yáng)向前看時(shí)，常會(huì)發(fā)現(xiàn)亮光好像是從遠(yuǎn)處的水面上反射過(guò)來(lái)一樣．關(guān)于這種現(xiàn)象，下列說(shuō)法正確的是()．A．越靠近地面，空氣的折射率越大B．越靠近地面，空氣的折射率越小C．這是光的干涉形成的D．這是光的衍射形成的解析在沙漠里，夏天太陽(yáng)照到沙地上，接近沙面的熱空氣層比上層空氣密度小，折射率也小，從遠(yuǎn)處物體射向地面的光線，進(jìn)入折射率小的熱空氣層時(shí)被折射，入射角逐漸增大，也會(huì)發(fā)生全反射，人們逆著光線看到遠(yuǎn)處物體的倒景，這就是沙漠里的“蜃景”．B對(duì)．答案B圖4－2、3－14.空氣中兩條光線a和b從方框左側(cè)入射，分別從方框下方和上方射出，其框外光線如圖4－2、3－12所示．方框內(nèi)有兩個(gè)折射率n＝1.5的玻璃全反射棱鏡，下圖給出了兩棱鏡四種放置方式的示意圖．其中能產(chǎn)生圖4－2、3－12效果的是()．圖4－2、3－1解析四個(gè)選項(xiàng)產(chǎn)生的光路效果如下圖：由上圖可知B項(xiàng)正確．答案B5．光線由空氣射入半圓形玻璃磚，或從玻璃磚射入空氣的光路圖如圖4－2、3－13所示，正確的是(玻璃的折射率為1.5)()．圖4－2、3－13A．圖乙、丙、丁 B．圖甲、丁C．圖乙、丙、甲 D．圖甲、丙解析光線由空氣進(jìn)入玻璃磚中時(shí)，入射角大于折射角，由玻璃磚射入空氣時(shí)，入射角小于折射角．由臨界角計(jì)算公式得C＝arcsineq\f(1,n)＝arcsineq\f(1,1.5)＝41°49′，入射角50°大于臨界角，將發(fā)生全反射，故正確答案是A.答案A圖4－2、3－146.如圖4－2、3－14所示，一個(gè)三棱鏡的截面為等腰直角△ABC，∠A為直角．此截面所在平面內(nèi)的光線沿平行于BC邊的方向射到AB邊，進(jìn)入棱鏡后直接射到AC邊上，并剛好能發(fā)生全反射．該棱鏡材料的折射率為()．圖4－2、3－14A.eq\f(\r(6),2) B.eq\r(2)C.eq\f(3,2) D.eq\r(3)解析如下圖所示，標(biāo)出相關(guān)角度，根據(jù)折射率定義有，sin∠1＝nsin∠2，nsin∠3＝1，已知∠1＝45°，又∠2＋∠3＝90°，解得：n＝eq\f(\r(6),2).答案A7．潛水員在水深為h的地方向水面觀望時(shí)，發(fā)現(xiàn)整個(gè)天空及遠(yuǎn)處地面的景物均呈現(xiàn)在水面處的圓形區(qū)域內(nèi)，已知水的臨界角為θ，則所觀察到的圓形半徑為 ()．A．htanθ B．hsinθC.eq\f(h,tanθ) D.eq\f(h,sinθ)解析如右圖所示，水面上景物發(fā)出的光線經(jīng)水面折射后均在頂角為2θ的圓錐里，人的眼睛處在圓錐的頂點(diǎn)處，而最遠(yuǎn)處的景物進(jìn)入眼睛的光線幾乎是緊貼水面，其入射角接近90°，折射角為θ.因此，人看到的景物呈現(xiàn)在人眼上方以O(shè)點(diǎn)為圓心、r為半徑的水面區(qū)域內(nèi)，由圖可知r＝htanθ.答案A圖4－2、3－158.一束單色光由左側(cè)射入盛有清水的薄壁圓柱形玻璃杯，如圖4－2、3－15所示為過(guò)軸線的截面圖，調(diào)整入射角α，光線恰好在水和空氣的界面上發(fā)生全反射，已知水的折射率為eq\f(4,3)，求sinα的值．圖4－2、3－15解析當(dāng)光線在水面發(fā)生全反射時(shí)有sinC＝eq\f(1,n)，當(dāng)光線從左側(cè)射入玻璃杯時(shí)，由折射定律有n＝eq\f(sinα,sin\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,2)－C)))，聯(lián)立以上兩式并代入數(shù)據(jù)可得sinα＝eq\f(\r(7),3).答案eq\f(\r(7),3)9.頻率不同的兩束單色光1和2以相同的入射角從同一點(diǎn)射入一厚玻璃板后，其光路如圖4－2、3－16所示，下列說(shuō)法正確的是()．圖4－2、3－16圖4－2、3－16B．在玻璃中單色光1的傳播速度大于單色光2的傳播速度C．單色光1通過(guò)玻璃板所需的時(shí)間小于單色光2通過(guò)玻璃板所需的時(shí)間D．單色光1從玻璃到空氣的全反射臨界角小于單色光2從玻璃到空氣的全反射臨界角解析由題圖可知，光線1的折射率大，頻率高，波長(zhǎng)小，在介質(zhì)中傳播速度小，因而產(chǎn)生全反射的臨界角小．選項(xiàng)A、D正確，B錯(cuò)誤．設(shè)玻璃板的寬度為d，由n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)，在玻璃板中傳播的距離l＝eq\f(d,cosθ2)，傳播的速度v＝eq\f(c,n)，所以光在玻璃板中傳播的時(shí)間t＝eq\f(l,v)＝eq\f(dsinθ1,csinθ2cosθ2)＝eq\f(2dsinθ1,csin2θ2)，若光線1、2的折射角為θ2和θ2′，滿足θ2＋θ2′＝90°時(shí)，有sin2θ2＝sin2θ2′，兩種色光透過(guò)玻璃磚的時(shí)間相同，所以?xún)墒庠诓ＡТu中傳播的時(shí)間可能相等也可能不相等，選項(xiàng)C錯(cuò)誤．答案AD10.如圖4－2、3－17所示，空氣中有一折射率為eq\r(2)的玻璃柱體，其橫截面是圓心角為90°、半徑為R的扇形OAB.一束平行光平行于橫截面，以45°入射角照射到OA上，OB不透光．若只考慮首次入射到圓弧上的光，則上有光透出部分的弧長(zhǎng)為 ()．圖4－2、3－17A.eq\f(1,6)πR B.eq\f(1,4)πR圖4－2、3－17C.eq\f(1,3)πR D.eq\f(5,12)πR解析由sinC＝eq\f(1,n)可知光在玻璃柱中發(fā)生全反射的臨界角C＝45°.據(jù)折射定律可知所有光線從AO進(jìn)入玻璃柱后的折射角均為30°.從O點(diǎn)入射后的折射光線將沿半徑從C點(diǎn)射出．假設(shè)從E點(diǎn)入射的光線經(jīng)折射后到達(dá)D點(diǎn)時(shí)剛好發(fā)生全反射，則∠ODE＝45°.如圖所示，由幾何關(guān)系可知θ＝45°，故弧長(zhǎng)＝eq\f(1,4)πR，故B正確．答案B圖4－2、3－1811.如圖4－2、3－18所示，空氣中有一橫截面為半圓環(huán)的均勻透明柱體，其內(nèi)圓半徑為r，外圓半徑為R，R＝eq\r(2)r.現(xiàn)有一束單色光垂直于水平端面A射入透明柱體，只經(jīng)過(guò)兩次全反射就垂直于水平端面B射出．設(shè)透明柱體的折圖4－2、3－18射率為n，光在透明柱體內(nèi)傳播的時(shí)間為t，若真空中的光速為c，則 ()．A．n可能為eq\r(3) B．n可能為2C．t可能為eq\f(2\r(2)r,c) D．t可能為eq\f(4.8r,c)解析只經(jīng)過(guò)兩次全反射可知第一次入射角為45°，反射光路圖如圖所示．根據(jù)全反射可知臨界角C≤45°，再根據(jù)n＝eq\f(1,sinC)可知n≥eq\r(2)；光在透明柱體中運(yùn)動(dòng)路程為L(zhǎng)＝4r，運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t＝eq\f(L,v)＝eq\f(4nr,c)，則t≥eq\f(4\r(2)r,c)，C、D錯(cuò)誤；A、B正確．答案AB圖4－2、3－1912．(·天津卷，9)某同學(xué)用大頭針、三角板、量角器等器材測(cè)半圓形玻璃磚的折射率．開(kāi)始玻璃磚的位置如圖4－2、3－19中實(shí)線所示，使大頭針P1、P2與圓心O在同一直線上，該直線垂直于玻璃磚的直徑邊，然后使玻璃磚繞圓心O緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)在玻璃磚的直徑邊一側(cè)觀察P1、P2的像，且P2的像擋住P1的像．如此觀察，當(dāng)玻璃磚轉(zhuǎn)到圖中虛線位置時(shí)，上述現(xiàn)象恰好消失．此時(shí)只須測(cè)量出圖4－2、3－19 ________，即可計(jì)算玻璃磚的折射率．請(qǐng)用你的測(cè)量量表示出 折射率n＝________.解析光線指向圓心入射時(shí)不改變傳播方向，恰好觀察不到P1、P2的像時(shí)發(fā)生全反射，測(cè)出玻璃磚直徑邊繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)過(guò)的角度θ，此時(shí)入射角θ即為全反射臨界角，由sinθ＝eq\f(1,n)得n＝eq\f(1,sinθ).答案玻璃磚直經(jīng)邊繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)過(guò)的角度θeq\f(1,sinθ)13．(1)一足夠大的水池內(nèi)盛有某種透明液體，液體的深度為H，在水池的底部放一點(diǎn)光源S，其中一條光線以30°入射角射到液體與空氣的界面上，它的反射光線與折射光線的夾角為105°，如圖4－2、3－20所示．求：(1)①液體的折射率；圖4－2、3－20②圖4－2、3－20(2)光是一種電磁波，當(dāng)光從水中射入空氣中時(shí)，波長(zhǎng)會(huì)________(填寫(xiě)“變長(zhǎng)”，“變短”、“不變”)，如果光的頻率為6.7×1014Hz，空氣中光速約為3.0×108解析